密歇根探針是一種經(jīng)典的植入式平面探針，可以測量大腦區域中的神經(jīng)元信號，并廣泛用于腦科學(xué)研究領(lǐng)域。隨著(zhù)腦科學(xué)的不斷發(fā)展，研究人員不滿(mǎn)足于僅僅采集大腦區域的神經(jīng)元信號，還希望同時(shí)觀(guān)察某些物質(zhì)的濃度和環(huán)境參數(例如pH值，溫度，壓力)。這主要是因為許多神經(jīng)系統疾病或大腦區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(guān)察盡可能多的大腦區域參數。因此，開(kāi)發(fā)可以測量環(huán)境參數或者物質(zhì)濃度并同時(shí)記錄神經(jīng)元信號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)信號的同時(shí)，測量大腦區域中谷氨酸的濃度。

密歇根探針是平面型結構，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，大腦區域是一個(gè)非常復雜的液體環(huán)境，其中pH值是重要的參數。在大腦區域中，pH值不僅可以反映酸堿水平，而且可以表征大腦區域液體環(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的指標。此外，pH值與某些疾病有很強的相關(guān)性。例如，阿爾茨海默氏病與腦區pH值密切相關(guān)。與健康的人進(jìn)行對照，精神分裂癥和雙相情感障礙患者的腦區pH值較低。因此，檢測大腦區域的pH值是非常有意義的。

金屬/金屬氧化物由于具有高穩定性和強度，因此其是多功能密歇根探針?lè )浅：线m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值響應范圍寬，響應速度快，耐高溫和耐高壓的特性，因此，其被認為是最適合作為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探針結構

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pH值并記錄大腦區域中的神經(jīng)元信號。

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(guò)微機電系統((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，完成對導線(xiàn)焊盤(pán)的圖形化，電極點(diǎn)的開(kāi)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，之后對探針上的電化學(xué)電極點(diǎn)進(jìn)行修飾以獲得響應pH值的能力。

通過(guò)電鍍對電極點(diǎn)進(jìn)行材料修飾：為了電鍍不同的電極點(diǎn)，設計了與之相匹配的印刷電路板(PCB)。通過(guò)引線(xiàn)鍵合的方式將PCB的焊盤(pán)和電極的焊盤(pán)相對應地連接起來(lái)，之后使用環(huán)氧樹(shù)脂覆蓋導線(xiàn)接合部分，使導線(xiàn)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(lái)，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值調節至10.5，以獲得金黃色沉淀物。應當注意，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黑色才可使用。

電鍍時(shí)，將使用標準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)驗結果與討論

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)感應電極點(diǎn)上的IrOx具有疏松的孔狀結構，這有利于對pH值的響應。通過(guò)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，結果如下。

電鍍IrOx后，與裸金相比，電極點(diǎn)的存儲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)信號的傳遞。從中右上角區域的凹入位置可以看出，其發(fā)生了氧化還原反應，這與IrOx對pH值的響應機理一致。

對于金屬氧化物電極，通常認為其對pH值響應機制是電極點(diǎn)表面上的金屬氧化物發(fā)生氧化還原反應，并帶有電子的得失，而H+參與其中。根據能斯特方程，電極點(diǎn)的平衡電位與pH值成正比，即E-pH校準曲線(xiàn)理論上是一條直線(xiàn)。IrOx修飾后的電化學(xué)電極點(diǎn)對pH值的能斯特響應曲線(xiàn)為47 mV/pH?？梢钥闯?，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(xiàn)性相關(guān)性，相關(guān)系數R2超過(guò)0.99。其中能斯特響應曲線(xiàn)的斜率通常也稱(chēng)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(zhù)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信號采集能力。從實(shí)驗結果可以看出，經(jīng)過(guò)1 000次CV循環(huán)測試后，CV特性和阻抗特性沒(méi)有明顯降低，表明電鍍鉑黑后電生理電極點(diǎn)的性能穩定性非常好。

4結論

介紹了一種基于傳統密歇根探針改進(jìn)的多功能密歇根探針，該多功能探針可以記錄神經(jīng)元信號并同時(shí)檢測大腦區域的pH值。多功能密歇根探針是通過(guò)MEMS工藝結合電化學(xué)方法制備實(shí)現的，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)醫學(xué)研究中具巨大的應用前景。此外，該多功能密歇根探針的多功能特性是通過(guò)電化學(xué)方法添加到電極點(diǎn)上的，這意味著(zhù)可以使用檢測其他物質(zhì)濃度或環(huán)境參數的多種材料來(lái)修改不同的電極點(diǎn)，以實(shí)現測量多個(gè)環(huán)境參數和物質(zhì)濃度的能力，同時(shí)還能夠記錄神經(jīng)元信號。這代表了神經(jīng)探針在多功能方向上的發(fā)展潛力，并對密歇根探針的進(jìn)一步發(fā)展具有重要影響。