平面微电极阵列技术实验教学实践与探索

平面微电极阵列技术实验教学课程注重培养学生动手技能的同时,开拓思维,将理论知识转化为科研能力。学生通过对大型仪器基本操作的学习与实践,从而掌握实验技术,为从事相关科研工作打下坚实的基础。文章介绍了课程内容,分享教学经验并针对实验中的问题提出解决方案,探讨性地提出改进设想,为进一步开展电生理实验提供了有益的借鉴。

用于微电极阵列和光同时记录的神经传感器平台设计

微电极阵列(MEA,Microelectrode Arrays)和光成像记录已成为从神经网络收集可靠数据的重要工具。然而,没有商业平台被设计用于微电极阵列和光成像的同时记录,由于商业平台的物理限制和高成本,无法对其进行定制。为了解决这个问题,开发了一个小体积的定制神经记录平台,它很容易集成到现有的显微镜环境中。该系统的特点是低输入参考噪声(<2μV)、紧凑的尺寸以及有同时执行微电极阵列和光成像记录的能力。使用该平台对微电极阵列上的神经元进行测量验证表明,该平台为研究钙动力学及其与神经元中动作电位的关系提供了有价值的工具。

基于微电极阵列和无线传感器网络的水环境重金属检测系统研究

为对区域水环境中重金属进行有效检测,提出了一种基于微电极阵列和无线传感器网络的重金属现场检测技术。为此,提出了一种带状微电极阵列芯片,用于锌、铅、铜等三种重金属离子的测量;基于带状微电极阵列芯片,开发了自动化的水环境重金属现场检测仪器;多台仪器通过802.11 b/g无线协议组成无线传感器网络,对区域水环境中的重金属含量进行检测。在实验室通过重金属标准溶液对仪器性能进行验证,表明仪器具有较好的精确度;在自然水域进行了传输距离、无线组网测试;完成了自然水域样品重金属浓度检测,并同原子吸收法进行了对比验证。

三维柔性神经微电极阵列的制作

提出了一种三维凸起柔性神经微电极阵列的制作方法。该方法以光敏性聚酰亚胺(Durimide 7510)为基质材料,以各向异性刻蚀的硅为模具,结合微注模、金属微图形化和牺牲层电化学释放技术制作三维凸起柔性微电极,并通过数值模拟、形貌观测和电学性能测试对制备的微电极进行了评价。利用上述方法制备了具有4×4电极位点阵列的三维柔性神经微电极,每个电极位点大小为60μm×60μm,高度约37μm。阻抗测试显示,1 kHz时三维凸起电极位点的阻抗比传统的相同大小的平面微电极阵列约降低63%。结果表明,该电极的凸起特点可以保证电极刺激位点与神经细胞的良好接触,同时凸起结构也增加了电极刺激位点的表面积,改善了电极刺激位点的电荷注入能力,可有效提高刺激效果。

基于Parylene的柔性微电极阵列微加工工艺研究

基底集成的柔性微电极阵列(MEAs)从一个全新的角度演绎了植入式神经系统,对神经进行电刺激并记录神经电信号。以一种新型聚合物材料聚对二甲苯(parylene)为基底,制备出了用于神经接口的柔性神经微电极阵列。采用MEMS加工技术,设计了一种基于parylene柔性神经微电极阵列的加工工艺方法,并讨论了在流片过程中的关键问题,如掩膜层的选择、电极的剥离及焊接与封装等。该柔性微电极阵列在用于视觉假体的神经接口方面具有独特的应用优势。

神经电生理微电极阵列检测系统研制

该文设计了基于微电极阵列的16通道神经电生理信号检测系统。检测系统由硬件和软件两部分组成,其中硬件部分可分为以下3个模块:微电极阵列接口模块,用于实现微电极阵列和检测系统的可靠连接;多通道信号放大模块,用于对微弱电生理信号进行提取并放大至合适的幅度;数据采集模块,对放大后的电生理信号进行高速数据采集并通过USB2.0接口和计算机相连。软件部分采用多线程、多缓存等技术保证对信号的实时观测和分析。对检测系统的主要参数进行了测试,并结合实验室自制神经微电极阵列对SD大鼠海马区脑切片进行神经电生理信号的检测。系统的输入噪声Vrms<2μV,放大倍数为1000倍,频率带宽范围为10～3000 Hz,并且能够检测到放电幅度为20μV左右的神经电生理信号。该文针对微电极阵列神经电生理信号检测中的技术难点,从硬件和软件设计上保证微弱信号的提取,检测系统的分辨率可达0.6μV,各项参数能够满足神经电生理信号的检测需要。

纳米铂黑修饰微电极阵列在神经电生理检测中的应用研究

目的:研究纳米铂黑修饰微电极阵列在神经电生理信号检测中的应用及其检测性能。方法:采用微电子机械系统(MEMS)工艺制备出用于神经电生理检测的微电极阵列,采用电化学沉积法在微电极阵列表面修饰纳米铂黑颗粒,通过扫描电镜观察修饰层的表面形貌。在同一测试环境下对比裸电极与修饰电极的噪声水平。利用修饰电极进行神经电生理信号的检测。结果:电化学沉积法制备的纳米铂黑颗粒在微电极表面分布致密而均匀。修饰铂黑后微电极信噪比可提高到原来的2.5倍,实验中能分辨出幅度在10μV左右的微弱电生理信号。结论:通过在微电极表面修饰纳米铂黑,可有效改善电极性能,提高神经电生理信号检测的信噪比。

基于Parylene的柔性生物微电极阵列的制作

在神经工程中,微电极阵列是神经系统与外界电子电路的接口,其性能决定了整个神经系统的信号采集和刺激的效果.提出了一种基于Parylene的半球形柔性生物微电极阵列.在微电极的制备过程中,使用了光刻胶热熔技术和MEMS技术.半球形形貌的微电极有利于形成和神经组织的良好接触,并且相比同底面积的平板电极,表面积增加为2倍,这有利于降低界面阻抗,降低系统功耗.使用化学气相沉积法沉积Parylene C薄膜作为微电极的封装材料,它具有良好的生物相容性和柔性,可以降低对神经组织的损害.实验结果表明,与此半球形微电极底面积大1.3倍的平板电极相比,半球形微电极的界面阻抗下降了55%,并且界面阻抗随着微电极顶部开口直径的变化而变化.使用Comsol有限元软件进行了电极/组织液液面流出电流密度仿真,仿真结果也表明,微电极的流出电流密度也随着微电极顶部开口直径的变化而变化,因此可以通过调整微电极顶部开口直径来调节电流密度,从而满足不同部位需要不同电流密度刺激的要求.

基于微电极阵列的自动环境监测电子舌的设计

基于电化学微电极阵列,研发了一种用于环境中有毒痕量重金属检测的新型电子舌。系统采用差分脉冲阳极溶出伏安法,分三路实现了溶液中锌、镉、铅、铜、锰和砷6种重金属离子浓度的同时自动检测。每路传感器正面为30×30的硅基底金微电极阵列,背面集成了Ag/AgCl参比电极和Pt对电极。通过PC多线程控制三路恒电位仪电路、蠕动泵和电磁阀,实现自动进样、检测和清洗。一次测量可以在5 min内完成,每路只需要2 mL样品。采用标准加入法进行定量分析,检出限达到10^(-6)g/L级。此电子舌系统具有小体积、低成本等特点,适用于环境水样中重金属浓度分布的现场连续在线测量。

微电极阵列芯片技术研究不同发育阶段C57小鼠心肌细胞的电生理特性

目的：微电极阵列芯片技术研究不同发育阶段C57小鼠心肌细胞的电生理特性。方法：分离13.5-19.5 d胎鼠和2 d乳鼠的心室肌细胞并培养于微电极阵列（Microelectrode arrays,MEA）电极盘中48 h,通过倒置相差显微镜,透射电镜、扫描电镜观察其形态,免疫组化鉴定并用MEA技术研究其电生理特性。并对生后1、7、14、21、28、35、〉60 d的意识清醒未麻醉的小鼠行心电图（Electrocardiogram,ECG）和心率变异性（Heart rate variability,HRV）记录。结果：胎鼠心室肌细胞场电位时程（Field poten-tial duration,FPd）随发育而增加（P〈0.01）,乳鼠的突然明显缩短（P〈0.01）。胎鼠心室肌细胞的搏动频率随发育而减慢。出生后小鼠的心律是窦性心律,平均PR、RR、QRS、QT、JT间期随发育逐渐缩短,7 d组比1 d组减少的差异有统计学意义（P〈0.01）,而14、21、28、35和〉60 d之间差异无统计学意义。J-S-T段在1 d小鼠明显抬高,7 d组和14 d组逐渐降低,到35 d则基本回到基线。HRV随发育逐渐增加。结论：C57小鼠胎鼠心肌细胞FP电生理特性的变化和生后小鼠ECG间期和形态随发育的变化可能为小鼠心脏随发育的电生理特性提供有用的信息。

Pd微电极阵列表面纳米薄膜的方波电位制备及其特殊的红外性能

制备了单根可寻址Pd微电极阵列,运用方波电位法对阵列上每根Pd微电极处理不同时间,诱导生成一系列不同纳米结构的Pd薄膜.以CO为探针分子,结合原位显微傅里叶变换红外反射光谱进行表面组合电化学研究,一次性地获得CO吸附在不同纳米结构Pd薄膜上的红外光谱.观察到随方波电位法处理时间的逐步增加,桥式吸附态CO的红外光谱峰从正常吸收光谱到类Fano光谱,再到异常红外光谱的转变过程.结合扫描电子显微镜观察纳米薄膜的形貌,发现不同红外光谱特征都对应着特定的纳米结构.

微电极阵列芯片技术研究48h房颤犬左、右心耳电生理特性

目的应用微电极阵列芯片(microelectrode arrays chip,MEA)技术评价48 h房颤(atrial fibrillation,AF)犬左、右心耳(LAA、RAA)的电生理特性。方法随意来源犬12只,以600次/分起搏右心房建立AF模型,分为48 h AF组(n=6)和对照组(n=6)。造模成功后迅速开胸剪取LAA、RAA,置于盛有台式液的MEA中,分别记录AF组及对照组LAA、RAA场电位(field action potential,FAP)形态、振幅、放电频率及激动传导情况。结果 AF组LAA、RAA组织FAP节律绝对不齐,LAA(185.22±25.62)次/分,较对照组(156.44±8.88)次/分增加15.67%(P<0.01),RAA(102.39±16)次/分,较对照组(156.44±8.88)次/分减慢34.62%(P<0.01)。48 h AF组LAA组织电压(458.33±26.73)μV较对照组(740.55±18.93)μV降低38.11%(P<0.01),RAA(504.83±39.93)μV较对照组(840.56±18.93)μV明显降低(P<0.01),48 h房颤组LAA组织FAP时程(45.28±8.59)ms较对照组(70.77±6.98)ms缩短15 ms(P<0.01)。RAA(61.78±7.1)ms较对照组(75.83±7.63)ms缩短14 ms(P<0.01)。48 h AF组LAA、RAA FAP传导异质性增加。结论应用MEA技术可反映心肌组织片场电位电生理特性,48 h AF后LAA放电频率增加,频率绝对不齐,LAA、RAA电压降低,场电位时程延长。

辣根过氧化酶在纳米金/氧化锌球腔微电极阵列上的直接电化学研究

利用Langmuir-Blodgett技术和溶胶-凝胶（sol-gel）法在氧化铟锡（ITO）电极表面制备了有序的纳米金/氧化锌（nano-Au/ZnO）球腔阵列,并采用扫描电镜表征了nano-Au/ZnO球腔阵列的形貌。该阵列的循环伏安曲线具有微电极特性。将辣根过氧化酶（HRP）直接固定于nano-Au/ZnO球腔微电极阵列表面的ZnO球腔内,制备了过氧化氢生物传感器。采用循环伏安法研究了HRP在该阵列上的直接电化学。在pH7.0的缓冲溶液中,其循环伏安曲线于-0.145 V和-0.230 V处出现了1对稳定的准可逆氧化-还原峰,式量电位（E0′）为-0.188 V,表明固定于传感器表面ZnO球腔内的HRP保持了良好的电化学活性,其直接电子转移速率常数为2.95 s-1。ZnO的亲水性和特有的球腔阵列结构不仅为保持HRP的生物电化学活性提供了适宜的微环境,也为固定HRP提供了大的比表面积,从而增大了HRP的负载量。制备的生物传感器对H2O2有较好的电催化作用,并在6.67×10-6~1.31×10-3mol/L范围内与响应电流呈良好的线性关系,检出限为7.3×10-7mol/L,米氏常数为0.411 mmol/L。

用于视觉假体的柔性生物微电极阵列的设计和制作

提出了一种用于视网膜假体的基于Parylene的柔性微电极阵列的设计和制作。微电极阵列为5×5,通过光刻胶热熔回流技术形成的电极点为半球形凸起,底部直径为60μm,高度大约为24μm。整个电极具有很好的柔韧性,能够更好的适应视网膜表面轮廓,提高刺激效果。同时,电极具有很好的透明性,便于手术时电极的植入和手术后对生物组织的观察。

基于MEMS技术的微电极阵列细胞传感器

经典的细胞电生理记录方法的缺点是难以实现长时程测量,同时也难以实现对细胞网络的多位点同时测量.近年来,随着胞外电生理研究的不断深入和半导体微机械加工技术的发展,传感器件的微型化和集成化为细胞的微环境测试和电生理研究提供了强有力的手段.基于多年来在细胞芯片上的研究,介绍了用于细胞外电生理测试的微电极阵列(microelectrode array,MEA),分析其原理、设计及加工过程;并对心肌细胞在其表面生长情况和电信号传递过程进行八通道并行动作电位检测;最后对所测得的结果加以讨论.实验证明,该细胞芯片可对多个细胞同时进行长期、无损的胞外电信号测量,制备简单、使用方便、可进一步应用于细胞电生理研究、药物检测等领域.

微电极阵列细胞阻抗传感器研究

贴壁生长在微电极表面的细胞可引起贴壁电极界面阻抗的改变,从而可以获得细胞生理功能相关的生物信息。本研究采用微机械加工技术,在硅基底上设计了直径为20～50μm的20通道金微电极阵列(micro-electrode array,MEA),用以构建能实时、连续、定量跟踪哺乳动物细胞形态和增殖分化改变的细胞阻抗测试传感器(electric cell-substrate impedance sensing,ECIS),用于细胞与电极间的阻抗测试研究。通过对培养在微电极表面24h的成骨细胞Saos-2细胞系的阻抗谱测量发现,其阻抗值增加集中在中频102～104Hz之间,本结果符合细胞阻抗传感测量的理论模型分析。因此,该微电极阵列细胞阻抗传感器的研究,为进一步的细胞生理和药物分析等研究奠定了良好的基础。

神经元集群电信号探测用微电极阵列

介绍了一种用于神经元集群电信号探测的2×2微电极阵列芯片.该芯片集成了4个直径为20μm、中心间距为100μm的圆形微电极.4个电极点周围都布满地线作为参考电极,4个电极点与参考电极的间距分别为5,10,15和20μm.芯片版图设计及验证采用华大九天系统设计软件Zeni完成,并通过无锡CSMC公司的0.6μm DMDP CMOS标准工艺实现,芯片面积为0.28mm×0.40mm.对芯片进行了在晶圆电学测试,采用频率为10Hz～1MHz,幅度为50mV的正弦信号作为输入信号,分别测试4个电极点的阻抗特性.测试结果表明,在10kHz处4个电极点的等效阻抗模值在0.7～2.1MΩ之间,达到了细胞外电信号测量的要求.在芯片表面进行了L-929细胞和胎鼠海马神经元培养实验,结果表明芯片经过表面生物相容性修饰后可用于细胞外电信号测量.

微电极阵列若干电化学特性的研究

用微电子平面工艺制备了带宽相边长分别为10、20、30μm的带形和正方形微电极阵列(BMEA和SMEA)。在K_3Fe(CN)_6溶液中研究了它们的电化学特性。边长为10μm的SMEA(工作电极总面积仅为9×10^(-3)mm^2)有最大的电流密度(12.1μA/mm^2)和最短的响应时间(5s)。同一硅片中任选5个SMEA其H_2O_2工作曲线的线性范围为0.1～5mmol/L,平均斜率为220nA/mmol/L,斜率的相对标准偏差为16.1％。这些特性可能使它成为生物传感器的重要基础元件。

硅基MEMS三维微电极阵列的超电容特性

三维微电极是一种具有空间结构优势、电化学性能比二维微电极更加优越的微型储能结构.本文提出一种基于光刻、感应耦合等离子体刻蚀和溅射等MEMS工艺加工三维结构硅基微电极阵列的新方法.采用电化学阴极沉积工艺在微电极表面制备了纳米氧化钌功能薄膜.借助扫描电子显微镜、循环伏安测试和电化学交流阻抗谱测试等手段对三维微电极的表面形貌和电化学性能进行了表征,系统研究了阴极沉积电流密度、电沉积时间以及硅基微结构表面"微草效应"对三维微电极超电容特性的影响.所制备三维微电极的比电容达到1.57 F/cm2,与平面电极比电容0.42 F/cm2相比明显提高,而电化学阻抗比二维平面微电极显著降低.相关实验数据表明基于MEMS技术加工的三维结构微电极具有优于平面电极的电化学电容储能特性.

微电极阵列大脑电信号检测技术的进展

微电极阵列记录技术提供了一种理想的神经电生理检测手段,可以同时获得大量神经细胞的电活动信息,对于深入研究大脑神经细胞及其网络的工作机制,开发新的神经修复技术具有重要的意义.近年来迅速发展的用于在体神经信号检测的微电极阵列主要有两种类型:Utah电极和Michigan电极.本文将介绍它们的制造工艺、结构、特点、应用进展,及其用于检测和分析神经细胞场电位和胞外动作电位的方法和原理;并且,分析和探讨微电极阵列在电极制造、信号记录和信号分析等方面亟待解决的一些问题和今后的发展方向,以促进我国在微电极阵列开发和应用领域的快速发展.