一种外导光纤硅神经探针

本发明涉及神经探针，尤其涉及一种外导光纤硅神经探针。

背景技术：

1、近年来，基于表面微加工技术的成熟和对生物细胞光遗传学研究的深入，外导光纤维神经探针逐渐成为研究热潮，因为其具有的结构简单、对生物伤害小、材料生物兼容性好、便于实验操作等优点，所以光纤维神经探针在生物光遗传学及电生理测量实验中具有广泛的应用。

2、玻璃光纤维被广泛应用于将光传递到生物大脑中，以实现涉及行为光遗传学实验和电生理测量。cn113476050b公开了一种神经微探针及其制备方法，其神经微探针包括：光波导、磁电阻传感器、平面线圈和激励电极；光波导设置在磁电阻传感器均位于设置在基底第一面上；平面线圈和激励电极均设置在基底第二面上，平面线圈一端与激励电极连接，激励电极对平面线圈施加直流或交流，平面线圈产生磁刺激或者为磁电阻传感器提供恒定或交变的偏置磁场，适用于对大脑指定脑区进行磁调控。该技术方案通过mems微加工工艺集成磁电阻传感器、光波导、微电极和微纳线圈于一体，实现磁-光-电调控与多模信号检测，从而对神经系统的神经信息进行侵入性的调控与检测。

3、但上述技术方案中，由于光纤维神经探针在生物大脑中所产生的光刺激区域广泛，因此缺乏了扰动较小的脑细胞群体的空间选择性。为了实现对特定细胞或细胞群体多点位的光学激活或抑制，往往需要多根光纤维的植入，这对生物损伤较大并且具有很高的实验操作要求，促使生物细胞的光遗传学研究难以进行。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种外导光纤硅神经探针，以解决在生物体内实现光遗传学实验及电生理测量时，玻璃光纤扰动大、刺激精确度低以及难以多点位进行刺激的问题。

2、本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种外导光纤硅神经探针，包括探针主体、传感电极和光栅耦合器，所述传感电极和光栅耦合器均集成于探针主体上，

3、所述探针主体内设有光纤通道，

4、所述光栅耦合器与所述光纤通道连接，用于折射外导光纤的光，并对细胞进行光遗传刺激；

5、所述传感电极位于所述光栅耦合器两侧，用于检测经过光遗传刺激后的细胞所产生的电位变化。

6、在以上技术方案的基础上，优选的，还包括芯片，所述芯片位于所述探针主体上，所述芯片与所述传感电极连接，用于记录传感电极上的电位变化，并将电位变化信息传导至外部电脑。

7、在以上技术方案的基础上，优选的，所述光纤通道一端向靠近所述芯片的一端延伸设置有光纤接口，所述光纤接口用于将外部特定波长的光接入神经探针内。

8、在以上技术方案的基础上，优选的，所述探针主体上设置有第一波导和第二波导，

9、所述第一波导和第二波导均位于所述探针主体上，

10、所述第一波导与所述传感电极平行，

11、所述第二波导一端与所述第一波导垂直连接，另一端沿平行于第一波导的方向延伸。

12、在以上技术方案的基础上，优选的，所述第一波导和第二波导宽度为400nm～2μm。

13、在以上技术方案的基础上，优选的，所述光栅耦合器包括输入耦合器和输出耦合器，

14、所述输入耦合器和输出耦合器均耦合于所述第二波导远离所述第一波导的一端，

15、所述输入耦合器与所述光纤通道连接，所述输出耦合器与所述输入耦合器连接。

16、在以上技术方案的基础上，优选的，所述光栅耦合器的尺寸为(13～16)μm×(18～22)μm，所述光栅耦合器占空比为0.80～0.88。

17、在以上技术方案的基础上，优选的，还包括外部接口，所述外部接口位于所述探针主体靠近所述芯片一端的侧面，所述外部接口用于将所述芯片与外部电脑电性连接。

18、在以上技术方案的基础上，优选的，所述光纤通道的制备工艺包括：

19、a1、将硅基底清洗并烘干；

20、a2、通过湿式热氧化法在硅基底表面生长出一层介电层，并通过标准光刻技术进行图案化；

21、a3、在介电层表面蒸发沉积金属层，并通过光刻进行图案化；

22、a4、采用深离子刻蚀在金属层两侧形成侧壁沟，在金属层端部形成锚固孔；

23、a5、在金属层上沉积聚合物薄膜，作为绝缘层，通过化学刻蚀在绝缘层刻蚀出连续沟槽；

24、a6、通过所述连续沟槽对硅基底进行腐蚀，促使形成光纤通道；

25、a7、再次沉积聚合物薄膜密封通道靠近氧化硅的一侧，

26、a8、使用离子反应刻蚀进行图案化，并沿通道插入光纤维进行锚固。

27、在以上技术方案的基础上，优选的，所述光栅耦合器的制备工艺具体包括：

28、b1、以所述探针主体为衬底，从下至上外延生长厚度为氧化层，然后沉积厚度为氮化硅层；

29、b2、采用电子束光刻或基于氟化学的反应离子刻蚀对波导和光栅耦合器进行图案化；

30、b3、采用等离子体增强化学气相沉积法在光栅结构表面沉积氧化物用于顶部包层。

31、本发明的一种外导光纤硅神经探针相对于现有技术具有以下有益效果：

32、(1)通过设置外导光纤维与神经探针的结合，有利于在生物体内实现微创光刺激，多点位光栅耦合器可通过对外导光纤维的光进行折射，促使光能够高效的被传输到目标细胞群，实现对细胞群的多点位刺激，从而通过一根光纤维和多位点光栅耦合器的结合，即可实现对细胞群的多点位刺激，以降低多根光纤维的植入造成的生物损伤；

33、(2)设置芯片和传感电极对电位信息变化进行监测，不仅可准确的监测细胞群受到光遗传刺激而产生的电位变为，提供准确的电生理测量数据；还可通过监测电位信息的变化调控激光输入，以获得特定生物细胞在特定波长的光刺激下所产生的应激结果，进一步提高刺激精确度；

34、(3)将外导光纤以及多点位光栅耦合器均集成于硅基底神经探针上，使得整个探针结构紧凑且方便使用，减少了器件的复杂性；同时设备尺寸微小，可以极大地减小植入难度和植入式设备对生物体的生理影响，提高神经探针使用的安全性。

技术特征：

1.一种外导光纤硅神经探针，其特征在于：包括探针主体(1)、传感电极(2)和光栅耦合器(3)，所述传感电极(2)和光栅耦合器(3)均集成于探针主体(1)上，

2.如权利要求1所述的一种外导光纤硅神经探针，其特征在于：还包括芯片(4)，所述芯片(4)位于所述探针主体(1)上，所述芯片(4)与所述传感电极(2)连接，用于记录传感电极(2)上的电位变化，并将电位变化信息传导至外部电脑。

3.如权利要求2所述的一种外导光纤硅神经探针，其特征在于：所述光纤通道(5)一端向靠近所述芯片(4)的一端延伸设置有光纤接口(6)，所述光纤接口(6)用于将外部特定波长的光接入神经探针内。

4.如权利要求1所述的一种外导光纤硅神经探针，其特征在于：所述探针主体(1)上设置有第一波导(8)和第二波导(9)，

5.如权利要求4所述的一种外导光纤硅神经探针，其特征在于：所述第一波导(8)和第二波导(9)宽度为400nm～2μm。

6.如权利要求4所述的一种外导光纤硅神经探针，其特征在于：

7.如权利要求1所述的一种外导光纤硅神经探针，其特征在于：所述光栅耦合器(3)的尺寸为13～16μm×18～22μm，所述光栅耦合器(3)占空比为0.80～0.88。

8.如权利要求2所述的一种外导光纤硅神经探针，其特征在于：还包括外部接口，所述外部接口位于所述探针主体(1)靠近所述芯片(4)一端的侧面，所述外部接口用于将所述芯片(4)与外部电脑电性连接。

9.如权利要求1所述的一种外导光纤硅神经探针，其特征在于：所述光纤通道(5)的制备工艺包括：

10.如权利要求1所述的一种外导光纤硅神经探针，其特征在于：所述光栅耦合器(3)的制备工艺具体包括：

技术总结
本发明提出了一种外导光纤硅神经探针，包括探针主体、传感电极和光栅耦合器，所述传感电极和光栅耦合器均集成于探针主体上，所述探针主体内设有光纤通道，所述光栅耦合器与所述光纤通道连接，用于折射外导光纤的光，并对细胞进行光遗传刺激；所述传感电极位于所述光栅耦合器两侧，用于检测经过光遗传刺激后的细胞所产生的电位变化。通过设置外导光纤维与神经探针的结合，有利于在生物体内实现微创光刺激，多点位光栅耦合器可通过对外导光纤维的光进行折射实现对细胞群的多点位刺激，降低多根光纤维的植入造成的生物损伤。

技术研发人员：刘胜,唐飞翔,江吉泽,郭宇铮,东芳,王诗兆,何思宇,史少楠
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17