一种生物细胞特性测量纳米电极阵列结构及其制造方法

摘要

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。克服现有技术电极尺度较大的不足，提出一种纳米电极阵列方案，并利用激光干涉光刻技术方法通过直接或间接制造，提供了该纳米电极阵列的制造方法。以及利用该纳米电极阵列测量细胞电信号特性的方法，该纳米电极阵列可获得在亚细胞水平上揭示细胞细节信号的变化，有利于对细胞生物特性进行更好的研究，获得比以往更精细的结果，提高细胞电信号测量分辨率。同时本发明纳米电极阵列制造方法性能可靠，具有制造成本较低的优势。

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

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，减小电极尺度，提高细胞电特性测量分辨率，获得在亚细胞水平上揭示细胞细节信号的变化，提供一种纳米电极阵列及其制造方法，获得的电极尺度更小，更密集，分辨率提高；且简单可靠，有成本优势，尺度方便控制。 

本发明技术解决方案：一种生物细胞特性测量纳米电极阵列结构，包括：基板和在基板上刻蚀的周期性纳米电极阵列；所述周期性纳米电极阵列为一组或者两组独立线栅，每组线栅宽度为20nm－500nm，高度为5nm－200nm，周期为200nm－1000nm，所述两组线栅相距200nm－500nm。 

所述每组线栅宽度为20nm－500nm，高度为20nm－200nm，周期为200nm－1000nm。所述两组线栅相距200nm－500nm，该尺度电极阵列可以有效的对单细胞电信号进行检测， 可对药物等引起细胞局部改变进行分析。以及对特定细胞区域进行操作和激励，同时监测细胞的应激反应。 

所述基板为硅、玻璃、石英或者PMMA材质。 

一种生物细胞特性测量纳米电极阵列结构的制造方法，其特点在于：在基板上均匀涂附一层导电薄膜，再利用干涉光刻工艺，对导电薄膜进行刻蚀，制备纳米电极阵列，具体步骤如下： 

步骤1：通过物理方法将导电材料涂附于基板材料上，形成均匀单层分布导电薄膜，所述薄膜厚度为20nm－200nm； 

步骤2：利用干涉光刻工艺对导电薄膜进行刻蚀，在基板材料上形成纳米电极阵列。 

所述步骤1中所述物理方法，包括旋涂、电镀或溅射，形成均匀单层分布导电薄膜。 

所述步骤1中所述导电材料，包括ITO或Ag、Au、Pt在内的导电性好的金属。 

所述步骤2中所述干涉光刻工艺，包括利用干涉光刻系统产生纳米结构光场分布，对导电薄膜进行直接加工或间接加工。 

所述直接加工是利用干涉光刻系统产生纳米结构光场分布，对导电薄膜进行直接进行刻蚀形成对应周期性纳米电极阵列。 

所述间接加工是利用干涉光刻系统产生纳米结构光场分布，先对感光胶进行曝光，形成周期性纳米结构图形掩膜，再利用化学刻蚀或反应离子刻蚀的方法，对导电薄膜刻蚀形成周期性纳米电极阵列。 

本发明与现有技术相比的有益效果在于： 

（1）利用激光干涉光刻技术实现纳米尺度光栅电极阵列，相比传统方法和其他制造技术方法有着加工精度高，制造方法便捷，易于实现大面积制造，制造系统简单可靠的优点。采用微探针检测的方法，避免了传统电极阵列无法在纳米尺度进行信号引出的困难，本发明可以获得细胞各局部电信号分布特征，有利于对细胞生物特性进行更好的研究，获得比以往更精细的结果，电极尺度更小，更密集，提高了细胞电信号测量分辨率； 

（2）本制造方法及系统简单可靠，有低成本优势，尺度方便控制； 

（3）本发明电极引线是限制传统微电极阵列加工制造的难点，限制了电极阵列的尺度减小，本发纳米电极阵列不需要引信号线，利用单探针或双探针系统进行信号读取。 

附图说明

图1是一纳米光栅电极结构原理图； 

图2是一种纳米光栅电极组结构原理图； 

图1和图2中，1.是纳米电极阵列，2.电极阵列基板。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

本发明技术方案，可以采用直接方法和间接方法实现。采用直接方法首先对玻璃、石英或者PMMA材质基板上均匀涂附一层导电薄膜，然后利用激光干涉光刻制造系统，控制激光干涉光刻的入射激光波长，激光干涉光刻系统中激光束的入射角，形成周期光栅周期性光场分布。控制干涉光场能量，对导电薄膜进行直接刻蚀，形成如图1所示的纳米电极阵列。周期性纳米电极阵列的线栅宽度为20nm－500nm，高度为20nm－200nm，周期为200nm－1000nm。也可以采用两次刻蚀获得图2所示的两组独立线栅电极阵列，先控制激光干涉光刻制造系统对电极一半区域进行刻蚀，形成如图一所示纳米光栅电极，然后利用精密位移台控制电极位移到另外一半区域，位移距离可以是200nm—500nm，刻蚀形成第二组纳米光栅电极阵列，如图2所示。采用间接方法，是对玻璃、石英或者PMMA材质基板上均匀涂附一层导电薄膜后，再旋涂一层光刻胶，利用激光干涉光刻制造系统，控制激光干涉光刻的入射激光波长，激光干涉光刻系统中激光束的入射角，形成周期为200nm－1000nm的光栅周期性光场分布。控制干涉光场能量，对光刻胶进行曝光，形成如图1所示的纳米电极阵列光刻胶图形。再利用化学腐蚀的方法或ICP等物理刻蚀的方法对导电薄膜进行刻蚀形成周期性纳米电极阵列，其线栅宽度为20nm－500nm，高度为20nm－200nm，周期为200nm－1000nm。 

激光干涉制造系统包括大功率激光器系统、激光束分束和合束控制光路、精密样品位移控制系统组成。大功率激光器系统主要用于产生特定波长、高单色性、高能量密度的激光脉冲；激光束分束和和束控制光路主要用于对激光束进行分束形成所需要的干涉光束，然后控制各路干涉光束以特定的偏振态、入射角和空间角在待加工样品表面进行合束，直接形成周期性干涉光场，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。 

该纳米光栅阵列可配合双探针微纳操纵系统对细胞电信号进行测量。方法如下，细胞置于电极上，通常细胞尺度都在数微至数十微米量级，细胞会同时与数十条光栅电极接触，控制双探针系统的一个探针与细胞接触的电极进行连接，另一个探针与细胞接触的另一电极进行连接，流经细胞膜产生跨膜电流形成回路，此时可以利用双探针微纳操纵系统的电信号测量系统对细胞电信号进行测量，然后依次分别对每条与细胞接触的电极进行电信号测量，通过快速的扫描技术可以获得细胞各局部电信号分布特征，有利于对细胞生物特性进行更好的研究，获得比以往更精细的结果。 

在图1所示，实施例中，首先对玻璃、石英或者PMMA材质基板上均匀涂附一层导电薄膜，然后利用激光干涉光刻制造系统，控制激光干涉光刻的入射激光波长266nm，激光干 涉光刻系统中激光束的入射角30°，形成周期为266nm的光栅周期性光场分布。控制干涉光场能量，对导电薄膜进行直接刻蚀，形成如图1所示的纳米电极阵列。周期性纳米电极阵列的线栅宽度为20nm－100nm，高度为20nm－200nm，周期为266nm。 

在图2所示实施例中，两组独立线栅电极阵列可采用两次刻蚀获得，控制激光干涉光刻制造系统对电极一半区域进行刻蚀，形成如图一所示纳米光栅电极，然后利用精密位移台控制电极位移到另外一半区域，位移距离可以是200nm—500nm，刻蚀形成第二组纳米光栅电极阵列。 

在图1所示，实施例中，首先对玻璃、石英或者PMMA材质基板上均匀涂附一层导电薄膜，再旋涂一层光刻胶，采用间接方式，利用激光干涉光刻制造系统，控制激光干涉光刻的入射激光波长355nm，激光干涉光刻系统中激光束的入射角15°，形成周期为686nm的光栅周期性光场分布。控制干涉光场能量，对光刻胶进行曝光，形成如图1所示的纳米电极阵列光刻胶图形。再利用化学腐蚀的方法或ICP等物理刻蚀的方法对导电薄膜进行刻蚀形成周期性纳米电极阵列，其线栅宽度为20nm－300nm，高度为20nm－200nm，周期为686nm。可以针对细胞尺度及表面形貌特征选择适合的纳米电极阵列尺度，有利于获得最佳的测试信号。 

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。 

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。