石墨烯三维微电极生物传感器研究*

唐 琳, 吴 蕾, 周 麟, 杜晓薇, 吴春艳, 赵建龙

石墨烯三维微电极生物传感器研究*

唐 琳1,2, 吴 蕾1, 周 麟1, 杜晓薇1, 吴春艳1, 赵建龙1,2

(1.传感技术联合国家重点实验室 中国科学院 上海微系统与信息技术研究所，上海 200050；
2.上海科技大学，上海200120)

基于石墨烯优良的导电性和透明性，为改善生物传感器存在透明性不足的缺陷，提出了石墨烯三维微电极传感器的研究。利用SEM，Raman对其形貌进行表征，以及采用电化学测试电极电化学性能，结果表明:研究的石墨烯三维电极生物传感器在透明性和电化学性能方面优于传统微电极生物传感器，为透明生物传感器的制作提供了新思路。

微电极阵列； 石墨烯； 三维电极； 平面电极； 电化学

0 引 言

微电极可以用来实时定量检测单个细胞内外电活性物质及变化的生物传感器[1]。传统微电极是基于微加工工艺，在硅片或玻璃基底上沉积Au,Pt等金属制成的,广泛应用于生物传感器领域。金属材料最大不足是透明性差，不兼容生物学中使用的倒置显微镜，在研究一些光基础的电生理学方面也存在很大的局限性，因此,透明微电极生物传感器需求越来越大。目前，已发现的半导体材料掺锡氧化铟(indium tin oxides,ITO)在透明性方面具有明显优势，是制作透明微电极的主要材料。但是ITO存在易被腐蚀，阻抗高，价格昂贵等不足，因此,亟需开发一种透明性和导电性良好的生物传感器。

2004年，单层石墨烯首次被制备出来，由单层碳原子以sp2杂化形成的σ键和π键共价键结合而成[2]，每个碳原子与其他3个碳原子以作用力极强的σ键相连接，剩余一个未成键的π电子形成π轨道,使其具有优异的力学性质、结构刚性和导电性[3,4]。结合其高透光性[5]、高机械强度[6,7]、较好的生物相容性[8]以及与传统工艺良好兼容等优点，石墨烯成为制备透明、高性能传感器的理想材料。研究者对其进行了广泛研究，如Park D W等人研究了植入锯齿类动物大脑皮层进行神经生理学记录的石墨烯微电极阵列。石墨烯平面微电极阵列的研究结果表明石墨烯电极透明性远远优于金微电极，然而较之金电极的阻抗还有待提高。有报道称增加电极位点面积能有效降低电极交流阻抗，在平面电极基础上已提出了金字塔形[8]、丘形[9]、凸点[10]、柱形[11]等三维结构的微电极来降低电极阻抗。

基于石墨烯平面微电极阵列的研究基础，通过增大电极位点的表面积来降低电极阻抗提高电极性能，提出了石墨烯三维微电极生物传感器的制作思路。

1 方法和材料

1.1 材料和试剂

基底为4 in双抛玻璃片(Pyrex7740(φ100×0.5t)；石墨烯材料为铜基底上的预制薄膜(南京吉仓纳米科技有限公司，产品型号JCVPG—90—5/5—Cu)；微电极基质材料为光敏性聚酰亚胺Durimide 7510(Arch chemicals,Norwalk,CT，USA)；绝缘层材料为Su—8 3005(香港电子器材有限公司)；光刻胶为AZ4620P(安智电子材料有限公司)；所用化学试剂均为分析纯。

1.2 生物传感器的制造

1.2.1 微电极阵列的设计

对微电极阵列的设计要兼顾工艺条件、空间分辨率和电极间干扰。电极表面积越小其阻抗值越大[12]，根据已有的研究成果：Breckenridge L J等人利用仿真实验测到单一电极刺激后，间距128 μm电极间信号衰减90 %[13]； Reserbat-Plantey A等人发现合适的阵列间距比能保证石墨烯完整紧密贴合在基底上[14]。电极间距设为300 μm以保证电极间的干扰较低，电极开窗面积为50 μm×50 μm，三维微柱直径为20 μm、柱高为7～8 μm。为更好地控制变量，在同一基底上设计了相同面积和间距的金微电极(Au)、石墨烯平面微电极(G—2d)和石墨烯三维微电极(G—3d)。如图1(a)所示，1区域为Au，2区域为G—3d，3区域为G—2d。

1.2.2 传感器制作的工艺流程

在干净基底上(图1(b1))旋涂AZ4620P，曝光显影后形成金属层图形(图1(b2))，溅射金属层(图1 (b3))后，完成lift-off工艺留下金属线(图1(b4))。旋涂聚酰亚胺PI7510(图1(b5))，控制转速3 000 r/min，光刻显影后，固化形成微柱阵列(图1(b6))。用过硫酸铵浸泡、去离子水漂洗石墨烯薄膜后转移到微电极阵列区域上(图1(b7))。将基底静置，薄膜与基底贴合后经过烘箱85 ℃/30 min烘干水分。石墨烯清洗干燥后，旋涂AZ4620P光刻胶(图1(b8))，完成光刻工艺和 plasma刻蚀后得到石墨烯连线和电极位点(图1(b9))。微电极的绝缘层制作，旋涂Su—8，进行曝光、显影，暴露出石墨烯电极和外接电极 (图1(b10),(b11))。

2 电极的表征

石墨烯转移到基底上后，并不能用肉眼清晰辨别，光学显微镜下能观察到刻蚀后的石墨烯条带痕迹 (图1(a)2,3区域)。在倒置显微镜下(图2(a)，(b))，与金属连线的对比，石墨烯在透明性方面具有明显的优势，电极上方视野完全不受遮挡。扫描电子显微镜下三维结构的形貌如图2(c)所示，三维结构是一个直径约为20 μm、高度约为8 μm圆柱凸起形状(图2(d))。平面电极面积约为2 500 μm2，三维电极面积为约为3 000 μm2。

图2 形貌表征图

图3是石墨烯转移到基底上后的玻璃基底拉曼图、石墨烯拉曼光谱图。石墨烯的特征峰几乎没有D峰，G峰在1 580 cm-1附近，2D峰在2 700 cm-1附近，说明石墨烯转移到基底上后完整性较好，微工艺没有对石墨烯的性能产生太大的影响。

图3 拉曼图

2.1 传感器的测试

电化学测试是全面了解电极的界面电化学特性有效方法，电极的电化学表征使用电化学工作站Gamry reference 600，采用三电极体系(图4(a))，分别是：工作电极石墨烯微电极或金微电极、参比电极Ag/AgCl、对电极Pt。以PBS溶液注入用聚二甲基硅氧烷(PDMS)固定的环形腔体内作为电极溶液(图4(b))。

图4 结构图

2.2 测试方法

2.2.1 交流阻抗谱测试

电化学阻抗测试是以小振幅的正弦波电势(或电流)为扰动信号，使电极系统产生近似线性关系的响应，测量电极系统在很宽频率范围内的阻抗变化，在不同频率段相位角的变化代表着电极不同的电阻、电容特性。本实验电化学工作站输出峰值为50 mV的正弦交流信号，频率从0.01 Hz至100 000 Hz。

2.2.2 循环伏安法测试

循环伏安法是利用控制电极电势测量通过电极的响应电流，分析响应曲线来判断其电子转移能力。本实验电化学工作站提供的扫描电势范围是-0.5～0.5 V，扫描速度是0.1 V/s。

3 结果分析与讨论

电化学测试可获得每个电极的EIS曲线和CV曲线，1 kHz频率下的电极阻抗值是判断该电极位点是否能作为电生理实验检测的标准[15,16]。阻抗—频率关系如图5(a)所示，在1 kHz的频率下，金微电极阻抗约为40 kΩ ，G—2d阻抗约为42 kΩ，G—3d阻抗约为25 kΩ。相位—频率关系(图5(b))得出电极在低频区相位角接近-90°，电极表现为电容特性，在高频区相位角靠近0°，电极由电容性向电阻性转变。为更好理解电极界面情况，利用等效电路模型模拟电化学过程来进行分析(图5(d))。当微电极与溶液接触时，外加电压的变化，两相之间会发生电荷传递并达到电化学平衡，这个过程包括电子转移和扩散，是电极界面反应最重要的两个过程，相位的变化引入常相位元件，用CPE表示其值用Q代替，参数中，n为一个随相位变化的指数值，Rct表示转移阻抗，Zw表示扩散阻抗，Rs为溶液阻抗。等效电路模型拟合结果(表1)表明石墨烯三维微电极具有较小的电子转移阻抗，其大的常相位元件值即界面具有较大的电容性特征，在应用于电生理测试上具有很大的优势。图5(c)经过曲线面积积分得到各电极的带电情况，金电极是8.57×10-8C，石墨烯平面电极是2.97×10-8C，石墨烯三维电极是1.07×10-7C，石墨烯三维微电极具有最优异的电荷转移能力。

图5 电化学测试图

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

在同样的条件下使用过透明石墨烯生物传感器的电极位点进行电化学测试，对比使用前后阻抗—频率图可发现其变化并不大(图6)，并且未曾有漏液和光刻胶脱落情况，证明了石墨烯微电极的稳定性以及可重复使用性。

图6 电极使用前后阻抗—频率图

4 结 论

针对传统生物传感器微电极材料透明性不足之处，提出了用石墨烯取代金属电极的思路，来提高生物传感器的透明性；同时结合三维结构增大电极表面积来降低电极界面阻抗的方法，研究了石墨烯三维微电极生物传感器。利用石墨烯良好的透明性、导电性、高机械强度等特性，以光敏性聚酰亚胺(PI)为三维结构材料，通过光刻工艺形成三维结构，将石墨烯转移至三维结构上结合微加工工艺制备三维透明的生物传感器。研究发现三维结构增加了电极位点的比表面积，在同样的电化学条件下，具有较低的电极界面电阻，测试结果表明：石墨烯三维传感器的电极优于传统生物传感器电极的电化学性能，对电生理信号检测具有重要的意义，在透明性方面为生物传感器的应用提供了更广阔的前景。

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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

中国科学院科研装备研究项目(YZ201337)

TP 212.3

A

1000—9787(2017)02—0004—04

唐 琳(1990-)，女，硕士，主要研究方向为生物传感器。