纳米TiN修饰平面微电极阵列在神经信息双模检测中的应用.pdf

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1、第42卷分析化学(FENXIHUAXUE)研究报告第8期2014年8月ChineseJournalofAnalyticalChemistry1071～l076一研一DOI：10．11895／j．issn．0253-3820．140242纳米TiN修饰平面微电极阵列在神经信息双模检测中的应用蒋庭君刘春秀宋轶琳徐声伟蔚文婧，蔡新霞(中国科学院电子学研究所传感技术联合国家重点实验室，北京100190)(中国科学院大学，北京100190)摘要采用氮化钛(TiN)修饰平面微电极阵列(pMEA)，对其性能进行改进，开展了离体神经电生理和神经递质电化学的检测研究。采用磁控溅射法在实验室自制微电极

2、阵列上修饰具有纳米结构的TiN材料，修饰后的微电极阻抗降低近一个数量级，背景噪声基线降至±6V，信噪比是修饰前的1．7倍。在sD大鼠离体脑片神经电生理信号检测中，信噪比可达10：1，能分离提取±12V的微弱信号。神经递质多巴胺电化学信号检测下限达50nmoL／L(信噪比2：1)，浓度在0．05～100~mol／L内与电流响应的线性相关系数为0．998。实验结果表明，在微电极表面修饰纳米TiN，降低了微电极阻抗，提高了信噪比，实现了对神经信息微弱信号的检测。关键词微电极阵列；氮化钛修饰；神经电生理；神经电化学；多巴胺1引言神经疾病已成为现代社会的一大隐患，其致病机理与脑部神经网络中神

3、经信息的异常发放和传递有关。神经网络起沟通外部世界及协调机体内部活动的作用，是由大量神经元个体连接组成的复杂系统。神经元之间通过电学和化学两种模式的信号实现信息传递，通过对神经元胞外电生理检测可获取其电学信号；对神经递质的释放进行电化学检测可获取其化学信号。因此，采用两种检测模式对神经电生理信号和递质化学信号的实时、准确和同步的探测，已成为研究和治疗神经疾病的基础_1J。微电极阵列(MEA)为神经信息检测和记录的研究提供了一种高通量、高时空、分辨率和高灵敏度的检测器件。目前，微电极阵列主要分为平面MEA(PlanarMEA，pMEA)、CMOS(Complementarymetal

4、oxidesemiconductor)集成MEA和3D立体MEA，研究的重点多为神经电生理信息的检测。pMEA制作工艺相对简单，批量制作成品率高，对其表面处理也更多样化和易于实现，可直接将细胞培养在其上，具有对神经细胞无损检测的优势，广泛应用于神经信息离体检测。对于神经细胞的胞外电生理检测，信号的幅度非常微弱(微伏量级)，神经递质的释放也很微量(纳摩尔到微摩尔级)，pMEA需克服因电极尺寸小造成的阻抗和热噪声增大等问题，而这些问题可通过对其表面进行纳米修饰得到改善¨”。相对于纳米铂黑、纳米铂铱和石墨烯等通过电化学沉积的电极修饰方法，用磁控溅射法修饰在电极表面的氮化钛(TiN)既能呈

5、现出纳米结构，又能与微电极结合牢固，可多次重复使用，且批量化成本较低。本研究组自制的pMEAl141集合了神经电生理和神经递质电化学检测的功能，为神经信息双模检测提供了一种有效工具，通过磁控溅射法修饰的纳米TiN材料与微电极结合牢固，重复使用率高，可批量制作。通过交流阻抗谱及背景噪声测试实验，考察TiN修饰pMEA的性能。采用修饰TiN的pMEA进行神经电生理检测和神经递质电化学检测实验，进一步考察其双模检测性能。2实验部分2．1仪器与材料USB-ME16-FAI-System型16通道滤波放大器(MultiChannelSystems公司)，AutolabAUT85039型电20

6、14-O3—14收稿；2014-04-11接受本文系国家重点基础研究发展计划(Nos．2011CB933202，2014CB744605)、国家自然科学基金项目(Nos．61125105，6127114761101048)、北京市科技计划项目(No．Z141100000214002，Z141102003414014)资助课题E—mail：xxcai@mail．ie．ac．cn分析化学第42卷化学工作站(Metrohm公司)，M205C型体式显微镜(LEICA公司)，S-3500型扫描电子显微镜(Hitachi公司)，LEAD15-48型蠕动泵(兰格公司)，实验室自制刺激器，MW—D

7、20型实验室超纯水器(美诚公司)，BSA124S型电子天平(赛多利斯公司)。多巴胺(Sigma公司)，0．9％生理盐水(石家庄四药公司)，AgIAgC1浆(Dupont公司)，人工脑脊液(ACSF)：125．0mmol／LNaC1，2．5mmol／LKC1，2．0mmol／LCaC12，1．3mmol／LMgC12，1．3mmolfLNaH2PO4，25．0mmol／LNaHCO3，25．0mmol／LGlucose，1．3mmol／LL—SodiumAscorbat