[发明专利]一种生物细胞特性测量纳米电极阵列结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物细胞特性测量纳米电极阵列结构及其制造方法，该电极阵列主要用于细胞电特性测量。 

背景技术

生物医学，特别是神经生物学最令人振奋的新进展是单通道记录或膜片钳记录。这一技术利用玻璃微吸引电极将面积仅为几个mm²的细胞膜片封接起来，到10^－12A水平，记录单个或几个通道的活动电流，从而划时代的将电生理学技术提高到记录和研究单个蛋白质的分子水平。这一技术的发明者Neher和Sakman为此荣获1991年诺贝尔生理学或医学奖。膜片钳技术的发现，人们可以在分子水平上为单个通道活动提供许多的信息，从而将人们对通道活动的认识，直接提高到了分子水平。新近只在膜片记录玻管中放入ATP类物质造成穿孔性膜片技术，亦可记录细胞的电压、电流和电容，而无需刺通细胞膜。 

近年来,采用先进的微电子集成电路制造技术,以半导体硅为材料的多记录点微电极阵列技术迅速发展,产品的成功率和重复性问题得到了较好的解决。这种电极具有体积小、记录点多、结构形式多样化、性能稳定可靠等特点。如今,已经商品化、并被广泛应用的半导体集成硅微电极阵列(Silicon micro electrode array,SMEA)主要有两大类,一类是美国犹他大学开发的针形微电极阵列(Needle micro electrode array),被称为Utah电极或平面电极；另一类是美国密歇根大学开发的线性微电极阵列(Linear silicon micro electrode array,LMSEA),被称为Michigan电极或线性电极。Utah电极整块硅片制作,用N型硅作基底,在其中用热迁移法形成多个P型硅通道,从基底的一面穿透到另一面,这些P型硅通道彼此绝缘；去除多余的N型硅,只留一薄层包裹在P型硅周围后,形成多个细针,产生正方形电极针阵列。电极针尖端的信号采集部位为铂金镀层,其长度约为35－75μm,尖端暴露面积约0.005mm²。Michigan电极电极属于薄膜微电极(thin-film micro electrode),与集成电路制造相似,采用传统的微电子制造技术,在硅或陶瓷材料为基底的薄片上,按照设计好的电极线路,喷镀上导电金属；或者在整个覆盖有导电金属层的印制板上,蚀刻去除不需要的部分,留下需要的电极线路,导电金属可以是镍、不锈钢、钨、金或铂。然后,除了记录点以外,在其余连接记录点和输出端的导电线路上覆盖绝缘层,常用的绝缘材料是氮化硅。为了增强导电 性能和生物相容性,记录点表面镀上铱或金。Michigan电极阵列的规格很多,记录点接触面积有上百至上千平方微米的规格,同一根记录杆上记录点数目有4－16个(单列)、甚至64个(多列),记录点之间的间距有25-200μm；同一个电极上记录杆数目有1－8根,记录杆之间的间距有125-500μm.（封洲燕，2009） 

随着纳米技术的发展，近年来发展出了新的纳米电极阵列。电极尺度可以做到更小，更加密集。纳米电极阵列作为一种人工组装的纳米结构体系,具有高传输速率、低双电层充电电流、小时间常数、小IR降及高信噪比、可操作性强和测量灵敏度高等优势,因而在电化学理论研究、生物传感器、电催化材料和高能化学电源电极材料等方面具有广阔的应用前景。目前，人们采用多种材料设计制备出包括圆盘状、圆柱形、球形、圆锥形、插指状和井状等各种形状的纳米电极阵列，其制作方法主要包括模板法、刻蚀法和自组装法等,电极的表征主要采用电子显微技术和电化学方法。传统的机械加工和印刷电路的方法加工的电极很难做到几百纳米甚至是几十纳米，常见的商用微电极阵列大多在微米尺度，本发明纳米电极阵列利用激光干涉光刻技术，通过激光双光束曝光产生的条纹图形烧蚀被加工材料表面，从而产生光刻图形，形成光栅状纳米电极阵列。 

激光干涉制造技术是利用光的干涉和衍射特性,通过特定的光束组合方式,来调控干涉场内的光强度分布,可以直接对材料表面进行加工形成光刻图形，或者利用感光材料进行记录,再进行显影曝光，化学或物理方法刻蚀，在材料表面产生光刻图形。由于激光干涉光刻技术不需要昂贵的投影光学系统,曝光场的面积仅受限于系统的通光孔径,因此它特别适合于某些需要在大面积范围内产生图形,并且由于其大而薄的尺寸导致基片表面的平整度无法得到精确控制的器件制造,是新兴的一种光刻手段,并且具有达到约λ/10高分辨率的潜力。在获得微纳尺度周期性表面结构方面有着很强的对比优势，有着广阔的应用前景。 

发明内容