密歇根探針是一種經(jīng)典的植入式平面探針，可以測量大腦區(qū)域中的神經(jīng)元信號(hào)，并廣泛用于腦科學(xué)研究領(lǐng)域。隨著腦科學(xué)的不斷發(fā)展，研究人員不滿足于僅僅采集大腦區(qū)域的神經(jīng)元信號(hào)，還希望同時(shí)觀察某些物質(zhì)的濃度和環(huán)境參數(shù)(例如pH值，溫度，壓力)。這主要是因?yàn)樵S多神經(jīng)系統(tǒng)疾病或大腦區(qū)域的特定功能是和多種因素相關(guān)的。為了研究這些疾病或功能，研究人員需要觀察盡可能多的大腦區(qū)域參數(shù)。因此，開發(fā)可以測量環(huán)境參數(shù)或者物質(zhì)濃度并同時(shí)記錄神經(jīng)元信號(hào)的多功能探針是必然的發(fā)展趨勢。例如，硅基可植入微電極陣列(MEA)可以在測量腦電(electroencephalogram，EEG)信號(hào)的同時(shí)，測量大腦區(qū)域中谷氨酸的濃度。

密歇根探針是平面型結(jié)構(gòu)，易于進(jìn)行電極修飾，因此適用于多功能探針的制備。眾所周知，大腦區(qū)域是一個(gè)非常復(fù)雜的液體環(huán)境，其中pH值是重要的參數(shù)。在大腦區(qū)域中，pH值不僅可以反映酸堿水平，而且可以表征大腦區(qū)域液體環(huán)境的狀態(tài)。同時(shí)，pH值變化可以作為檢測神經(jīng)探針植入后腦組織恢復(fù)的指標(biāo)。此外，pH值與某些疾病有很強(qiáng)的相關(guān)性。例如，阿爾茨海默氏病與腦區(qū)pH值密切相關(guān)。與健康的人進(jìn)行對(duì)照，精神分裂癥和雙相情感障礙患者的腦區(qū)pH值較低。因此，檢測大腦區(qū)域的pH值是非常有意義的。

金屬/金屬氧化物由于具有高穩(wěn)定性和強(qiáng)度，因此其是多功能密歇根探針非常合適的改性材料。在之前的研究中，用于制造pH電極的金屬氧化物包括IrOx，PbO2和RuO2等。由于IrOx具有pH值響應(yīng)范圍寬，響應(yīng)速度快，耐高溫和耐高壓的特性，因此，其被認(rèn)為是最適合作為pH電極改性的金屬氧化物材料。

在本文中，制備了一種多功能密歇根探針。

1探針結(jié)構(gòu)

探針由電化學(xué)電極點(diǎn)(矩形50μm×150μm)和電生理電極點(diǎn)(圓直徑=20μm)組成，可以測量腦區(qū)pH值并記錄大腦區(qū)域中的神經(jīng)元信號(hào)。

2加工工藝

選擇絕緣體上硅(silicon on insulator，SOI)硅晶片作為基底，并通過微機(jī)電系統(tǒng)((micro-electro-mechanical system，MEMS)工藝制備了16個(gè)電極點(diǎn)的密歇根探針，具體流程如圖2所示。主要工藝是進(jìn)行了4次光刻和2次刻蝕，完成對(duì)導(dǎo)線焊盤的圖形化，電極點(diǎn)的開窗，探針輪廓的定義以及探針的釋放。

圖2多功能密歇根探針的工藝流程

這樣，制備出了經(jīng)典的密歇根探針，之后對(duì)探針上的電化學(xué)電極點(diǎn)進(jìn)行修飾以獲得響應(yīng)pH值的能力。

通過電鍍對(duì)電極點(diǎn)進(jìn)行材料修飾：為了電鍍不同的電極點(diǎn)，設(shè)計(jì)了與之相匹配的印刷電路板(PCB)。通過引線鍵合的方式將PCB的焊盤和電極的焊盤相對(duì)應(yīng)地連接起來，之后使用環(huán)氧樹脂覆蓋導(dǎo)線接合部分，使導(dǎo)線彼此之間絕緣。

使用Yamanaka方法進(jìn)行IrOx的電鍍。將0.15 g IrCl4·H2O溶解在100 mL蒸餾水中。然后在室溫下磁力攪拌30 min。接下來，加入1 mL的H2O2(35重量%)，并磁力攪拌10 min。之后，加入0.15 g的草酸，并磁力攪拌10 min。最后，添加K2CO3將pH值調(diào)節(jié)至10.5，以獲得金黃色沉淀物。應(yīng)當(dāng)注意，新配置的沉積溶液需要在干燥和黑暗的地方放置至少2天，等待沉積溶液變成藍(lán)黑色才可使用。

電鍍時(shí)，將使用標(biāo)準(zhǔn)甘汞電極作為參考電極，先將電極點(diǎn)在-1 V下極化5 min，之后進(jìn)行恒流電鍍。電流密度為1 mA/cm2，電鍍時(shí)間為1 800 s。

鉑黑(Pt-black)用于修飾電生理電極點(diǎn)以改善其電化學(xué)性能。電鍍鉑黑功能層是在氯鉑酸溶液(3%氯鉑酸和0.01%乙酸鉛)中進(jìn)行的，使用重復(fù)的電流脈沖(占空比5 ms：500 ms，峰值電流密度4.5 A/cm2，480個(gè)周期)進(jìn)行電鍍鉑黑功能層。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1電化學(xué)電極點(diǎn)的性能表征

在電化學(xué)電極點(diǎn)進(jìn)行掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)和EDS(energy dispersive spectrometer)測試?？梢钥吹皆陔娀瘜W(xué)感應(yīng)電極點(diǎn)上的IrOx具有疏松的孔狀結(jié)構(gòu)，這有利于對(duì)pH值的響應(yīng)。通過其元素分散能譜可以看出，其主要元素是Ir元素和O元素，證明了電鍍IrOx的成功。

在電化學(xué)電極點(diǎn)上進(jìn)行了循環(huán)伏安(cyclic voltammetry，CV)法測試和EIS(阻抗分析)測試，結(jié)果如下。

電鍍IrOx后，與裸金相比，電極點(diǎn)的存儲(chǔ)電荷的能力得到了很大的改善，阻抗性能也得到了提高，其阻值降低到9 kΩ這有利于電化學(xué)信號(hào)的傳遞。從中右上角區(qū)域的凹入位置可以看出，其發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，這與IrOx對(duì)pH值的響應(yīng)機(jī)理一致。

對(duì)于金屬氧化物電極，通常認(rèn)為其對(duì)pH值響應(yīng)機(jī)制是電極點(diǎn)表面上的金屬氧化物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，并帶有電子的得失，而H+參與其中。根據(jù)能斯特方程，電極點(diǎn)的平衡電位與pH值成正比，即E-pH校準(zhǔn)曲線理論上是一條直線。IrOx修飾后的電化學(xué)電極點(diǎn)對(duì)pH值的能斯特響應(yīng)曲線為47 mV/pH。可以看出，電化學(xué)電極點(diǎn)在pH值為1～13的測試溶液中的電勢與pH值具有良好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2超過0.99。其中能斯特響應(yīng)曲線的斜率通常也稱為電極的靈敏度。

3.2電生理電極點(diǎn)的性能表征

電鍍在電生理記錄電極上的鉑黑的測試特性。電子顯微鏡下相應(yīng)電極上的鉑黑形態(tài)。主要元素是Pt，并且分布均勻。因此，薄膜的質(zhì)量較好，分布均勻并且致密。

電鍍鉑黑后，電生理電極點(diǎn)的性能有了顯著改善，阻抗在1 000 Hz處已大大降低，降低至10 kΩ。這些改進(jìn)大大提高了電極點(diǎn)的EEG信號(hào)采集能力。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，經(jīng)過1 000次CV循環(huán)測試后，CV特性和阻抗特性沒有明顯降低，表明電鍍鉑黑后電生理電極點(diǎn)的性能穩(wěn)定性非常好。

4結(jié)論

介紹了一種基于傳統(tǒng)密歇根探針改進(jìn)的多功能密歇根探針，該多功能探針可以記錄神經(jīng)元信號(hào)并同時(shí)檢測大腦區(qū)域的pH值。多功能密歇根探針是通過MEMS工藝結(jié)合電化學(xué)方法制備實(shí)現(xiàn)的，電化學(xué)電極點(diǎn)由IrOx修飾，電生理電極點(diǎn)由鉑黑修飾。多功能密歇根探針在腦科學(xué)和神經(jīng)醫(yī)學(xué)研究中具巨大的應(yīng)用前景。此外，該多功能密歇根探針的多功能特性是通過電化學(xué)方法添加到電極點(diǎn)上的，這意味著可以使用檢測其他物質(zhì)濃度或環(huán)境參數(shù)的多種材料來修改不同的電極點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)測量多個(gè)環(huán)境參數(shù)和物質(zhì)濃度的能力，同時(shí)還能夠記錄神經(jīng)元信號(hào)。這代表了神經(jīng)探針在多功能方向上的發(fā)展?jié)摿?，并?duì)密歇根探針的進(jìn)一步發(fā)展具有重要影響。