唐 琳, 吳 蕾, 周 麟, 杜曉薇, 吳春艷, 趙建龍

石墨烯三維微電極生物傳感器研究*

唐 琳1,2, 吳 蕾1, 周 麟1, 杜曉薇1, 吳春艷1, 趙建龍1,2

(1.傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點實驗室 中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050；
2.上?？萍即髮W(xué)，上海200120)

基于石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)電性和透明性，為改善生物傳感器存在透明性不足的缺陷，提出了石墨烯三維微電極傳感器的研究。利用SEM，Raman對其形貌進(jìn)行表征，以及采用電化學(xué)測試電極電化學(xué)性能，結(jié)果表明:研究的石墨烯三維電極生物傳感器在透明性和電化學(xué)性能方面優(yōu)于傳統(tǒng)微電極生物傳感器，為透明生物傳感器的制作提供了新思路。

微電極陣列； 石墨烯； 三維電極； 平面電極； 電化學(xué)

0 引 言

微電極可以用來實時定量檢測單個細(xì)胞內(nèi)外電活性物質(zhì)及變化的生物傳感器[1]。傳統(tǒng)微電極是基于微加工工藝，在硅片或玻璃基底上沉積Au,Pt等金屬制成的,廣泛應(yīng)用于生物傳感器領(lǐng)域。金屬材料最大不足是透明性差，不兼容生物學(xué)中使用的倒置顯微鏡，在研究一些光基礎(chǔ)的電生理學(xué)方面也存在很大的局限性，因此,透明微電極生物傳感器需求越來越大。目前，已發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體材料摻錫氧化銦(indium tin oxides,ITO)在透明性方面具有明顯優(yōu)勢，是制作透明微電極的主要材料。但是ITO存在易被腐蝕，阻抗高，價格昂貴等不足，因此,亟需開發(fā)一種透明性和導(dǎo)電性良好的生物傳感器。

2004年，單層石墨烯首次被制備出來，由單層碳原子以sp2雜化形成的σ鍵和π鍵共價鍵結(jié)合而成[2]，每個碳原子與其他3個碳原子以作用力極強的σ鍵相連接，剩余一個未成鍵的π電子形成π軌道,使其具有優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)剛性和導(dǎo)電性[3,4]。結(jié)合其高透光性[5]、高機械強度[6,7]、較好的生物相容性[8]以及與傳統(tǒng)工藝良好兼容等優(yōu)點，石墨烯成為制備透明、高性能傳感器的理想材料。研究者對其進(jìn)行了廣泛研究，如Park D W等人研究了植入鋸齒類動物大腦皮層進(jìn)行神經(jīng)生理學(xué)記錄的石墨烯微電極陣列。石墨烯平面微電極陣列的研究結(jié)果表明石墨烯電極透明性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于金微電極，然而較之金電極的阻抗還有待提高。有報道稱增加電極位點面積能有效降低電極交流阻抗，在平面電極基礎(chǔ)上已提出了金字塔形[8]、丘形[9]、凸點[10]、柱形[11]等三維結(jié)構(gòu)的微電極來降低電極阻抗。

基于石墨烯平面微電極陣列的研究基礎(chǔ)，通過增大電極位點的表面積來降低電極阻抗提高電極性能，提出了石墨烯三維微電極生物傳感器的制作思路。

1 方法和材料

1.1 材料和試劑

基底為4 in雙拋玻璃片(Pyrex7740(φ100×0.5t)；石墨烯材料為銅基底上的預(yù)制薄膜(南京吉倉納米科技有限公司，產(chǎn)品型號JCVPG—90—5/5—Cu)；微電極基質(zhì)材料為光敏性聚酰亞胺Durimide 7510(Arch chemicals,Norwalk,CT，USA)；絕緣層材料為Su—8 3005(香港電子器材有限公司)；光刻膠為AZ4620P(安智電子材料有限公司)；所用化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 生物傳感器的制造

1.2.1 微電極陣列的設(shè)計

對微電極陣列的設(shè)計要兼顧工藝條件、空間分辨率和電極間干擾。電極表面積越小其阻抗值越大[12]，根據(jù)已有的研究成果：Breckenridge L J等人利用仿真實驗測到單一電極刺激后，間距128 μm電極間信號衰減90 %[13]； Reserbat-Plantey A等人發(fā)現(xiàn)合適的陣列間距比能保證石墨烯完整緊密貼合在基底上[14]。電極間距設(shè)為300 μm以保證電極間的干擾較低，電極開窗面積為50 μm×50 μm，三維微柱直徑為20 μm、柱高為7～8 μm。為更好地控制變量，在同一基底上設(shè)計了相同面積和間距的金微電極(Au)、石墨烯平面微電極(G—2d)和石墨烯三維微電極(G—3d)。如圖1(a)所示，1區(qū)域為Au，2區(qū)域為G—3d，3區(qū)域為G—2d。

1.2.2 傳感器制作的工藝流程

在干凈基底上(圖1(b1))旋涂AZ4620P，曝光顯影后形成金屬層圖形(圖1(b2))，濺射金屬層(圖1 (b3))后，完成lift-off工藝留下金屬線(圖1(b4))。旋涂聚酰亞胺PI7510(圖1(b5))，控制轉(zhuǎn)速3 000 r/min，光刻顯影后，固化形成微柱陣列(圖1(b6))。用過硫酸銨浸泡、去離子水漂洗石墨烯薄膜后轉(zhuǎn)移到微電極陣列區(qū)域上(圖1(b7))。將基底靜置，薄膜與基底貼合后經(jīng)過烘箱85 ℃/30 min烘干水分。石墨烯清洗干燥后，旋涂AZ4620P光刻膠(圖1(b8))，完成光刻工藝和 plasma刻蝕后得到石墨烯連線和電極位點(圖1(b9))。微電極的絕緣層制作，旋涂Su—8，進(jìn)行曝光、顯影，暴露出石墨烯電極和外接電極 (圖1(b10),(b11))。

2 電極的表征

石墨烯轉(zhuǎn)移到基底上后，并不能用肉眼清晰辨別，光學(xué)顯微鏡下能觀察到刻蝕后的石墨烯條帶痕跡 (圖1(a)2,3區(qū)域)。在倒置顯微鏡下(圖2(a)，(b))，與金屬連線的對比，石墨烯在透明性方面具有明顯的優(yōu)勢，電極上方視野完全不受遮擋。掃描電子顯微鏡下三維結(jié)構(gòu)的形貌如圖2(c)所示，三維結(jié)構(gòu)是一個直徑約為20 μm、高度約為8 μm圓柱凸起形狀(圖2(d))。平面電極面積約為2 500 μm2，三維電極面積為約為3 000 μm2。

圖2 形貌表征圖

圖3是石墨烯轉(zhuǎn)移到基底上后的玻璃基底拉曼圖、石墨烯拉曼光譜圖。石墨烯的特征峰幾乎沒有D峰，G峰在1 580 cm-1附近，2D峰在2 700 cm-1附近，說明石墨烯轉(zhuǎn)移到基底上后完整性較好，微工藝沒有對石墨烯的性能產(chǎn)生太大的影響。

圖3 拉曼圖

2.1 傳感器的測試

電化學(xué)測試是全面了解電極的界面電化學(xué)特性有效方法，電極的電化學(xué)表征使用電化學(xué)工作站Gamry reference 600，采用三電極體系(圖4(a))，分別是：工作電極石墨烯微電極或金微電極、參比電極Ag/AgCl、對電極Pt。以PBS溶液注入用聚二甲基硅氧烷(PDMS)固定的環(huán)形腔體內(nèi)作為電極溶液(圖4(b))。

圖4 結(jié)構(gòu)圖

2.2 測試方法

2.2.1 交流阻抗譜測試

電化學(xué)阻抗測試是以小振幅的正弦波電勢(或電流)為擾動信號，使電極系統(tǒng)產(chǎn)生近似線性關(guān)系的響應(yīng)，測量電極系統(tǒng)在很寬頻率范圍內(nèi)的阻抗變化，在不同頻率段相位角的變化代表著電極不同的電阻、電容特性。本實驗電化學(xué)工作站輸出峰值為50 mV的正弦交流信號，頻率從0.01 Hz至100 000 Hz。

2.2.2 循環(huán)伏安法測試

循環(huán)伏安法是利用控制電極電勢測量通過電極的響應(yīng)電流，分析響應(yīng)曲線來判斷其電子轉(zhuǎn)移能力。本實驗電化學(xué)工作站提供的掃描電勢范圍是-0.5～0.5 V，掃描速度是0.1 V/s。

3 結(jié)果分析與討論

電化學(xué)測試可獲得每個電極的EIS曲線和CV曲線，1 kHz頻率下的電極阻抗值是判斷該電極位點是否能作為電生理實驗檢測的標(biāo)準(zhǔn)[15,16]。阻抗—頻率關(guān)系如圖5(a)所示，在1 kHz的頻率下，金微電極阻抗約為40 kΩ ，G—2d阻抗約為42 kΩ，G—3d阻抗約為25 kΩ。相位—頻率關(guān)系(圖5(b))得出電極在低頻區(qū)相位角接近-90°，電極表現(xiàn)為電容特性，在高頻區(qū)相位角靠近0°，電極由電容性向電阻性轉(zhuǎn)變。為更好理解電極界面情況，利用等效電路模型模擬電化學(xué)過程來進(jìn)行分析(圖5(d))。當(dāng)微電極與溶液接觸時，外加電壓的變化，兩相之間會發(fā)生電荷傳遞并達(dá)到電化學(xué)平衡，這個過程包括電子轉(zhuǎn)移和擴散，是電極界面反應(yīng)最重要的兩個過程，相位的變化引入常相位元件，用CPE表示其值用Q代替，參數(shù)中，n為一個隨相位變化的指數(shù)值，Rct表示轉(zhuǎn)移阻抗，Zw表示擴散阻抗，Rs為溶液阻抗。等效電路模型擬合結(jié)果(表1)表明石墨烯三維微電極具有較小的電子轉(zhuǎn)移阻抗，其大的常相位元件值即界面具有較大的電容性特征，在應(yīng)用于電生理測試上具有很大的優(yōu)勢。圖5(c)經(jīng)過曲線面積積分得到各電極的帶電情況，金電極是8.57×10-8C，石墨烯平面電極是2.97×10-8C，石墨烯三維電極是1.07×10-7C，石墨烯三維微電極具有最優(yōu)異的電荷轉(zhuǎn)移能力。

圖5 電化學(xué)測試圖

參數(shù)CPE(S×sn)/10-9QnRct/ΩAu2．3790．98627．36×10-3G-2d17．800．78517．8×10-3G-3d217．10．621360．8

在同樣的條件下使用過透明石墨烯生物傳感器的電極位點進(jìn)行電化學(xué)測試，對比使用前后阻抗—頻率圖可發(fā)現(xiàn)其變化并不大(圖6)，并且未曾有漏液和光刻膠脫落情況，證明了石墨烯微電極的穩(wěn)定性以及可重復(fù)使用性。

圖6 電極使用前后阻抗—頻率圖

4 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)生物傳感器微電極材料透明性不足之處，提出了用石墨烯取代金屬電極的思路，來提高生物傳感器的透明性；同時結(jié)合三維結(jié)構(gòu)增大電極表面積來降低電極界面阻抗的方法，研究了石墨烯三維微電極生物傳感器。利用石墨烯良好的透明性、導(dǎo)電性、高機械強度等特性，以光敏性聚酰亞胺(PI)為三維結(jié)構(gòu)材料，通過光刻工藝形成三維結(jié)構(gòu)，將石墨烯轉(zhuǎn)移至三維結(jié)構(gòu)上結(jié)合微加工工藝制備三維透明的生物傳感器。研究發(fā)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)增加了電極位點的比表面積，在同樣的電化學(xué)條件下，具有較低的電極界面電阻，測試結(jié)果表明：石墨烯三維傳感器的電極優(yōu)于傳統(tǒng)生物傳感器電極的電化學(xué)性能，對電生理信號檢測具有重要的意義，在透明性方面為生物傳感器的應(yīng)用提供了更廣闊的前景。

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Study of graphene three-dimensional microelectrodes biosensor*)

TANG Lin1,2, WU Lei1, ZHOU Lin1, DU Xiao-wei1, WU Chun-yan1, ZHAO Jian-long1,2)

(1.State Key Laboratory of Transducer Technology,Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China;
2.Shanghai Technology University,Shanghai 200120,China)

Based on excellent electrical conductivity and transparency characteristics,three-dimensional micro electrodes sensor of graphene is designed to improve the transparency of biosensor.Scanning electron microscope(SEM)and Raman spectra are used to characterize the morphology of graphene three-dimensional electrodes.Electrochemical measurements are performed on electrodes.The results show that the performance of transparency and electrochemical of graphene three-dimensional microelectrodes are prior to that of the traditional micro electrodes biosensor.It provides a new idea for fabrication of biosensors.

micro-electrode arrays； graphene； three-dimensional electrodes； planar electrodes； electrochemical

2016—03—18

中國科學(xué)院科研裝備研究項目(YZ201337)

TP 212.3

A

1000—9787(2017)02—0004—04

唐 琳(1990-)，女，碩士，主要研究方向為生物傳感器。