專利名稱：用于神經(jīng)元刺激及電信號(hào)記錄的光電極陣列及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于生物神經(jīng)刺激與電信號(hào)檢測(cè)的電極傳感器設(shè)計(jì)及加工領(lǐng)域，更具體涉及在生物醫(yī)學(xué)工程中基于光遺傳學(xué)的用于神經(jīng)元刺激及電信號(hào)記錄的光電極陣列及制備方法。
背景技術(shù)：
闡明神經(jīng)活動(dòng)的基本過(guò)程是現(xiàn)代腦科學(xué)的目標(biāo)之一。在分析神經(jīng)細(xì)胞如何完成各種功能時(shí)，往往需要激活或者抑制特定細(xì)胞以確定其在復(fù)雜的神經(jīng)回路中發(fā)揮的作用。近年來(lái)快速發(fā)展的光遺傳學(xué)可以讓某一類型的神經(jīng)細(xì)胞對(duì)特定波長(zhǎng)的光產(chǎn)生興奮或抑制。利用光電極對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行光刺激與電信號(hào)記錄逐漸成為主要的研究手段。目前常用的光電極結(jié)構(gòu)包括將金屬絲與光纖粘附在一起；在金屬絲表面涂覆一 定厚度的六甲基硅氧烷(PDMS)等透明材料形成中間導(dǎo)電，外部導(dǎo)光的結(jié)構(gòu)立體電極中間穿入一根光纖構(gòu)成光電極；在Michigan平面電極表面固定一根光纖或者SU-8光刻膠等材料制備的光波導(dǎo)作為光刺激源。以往的光電極均是先制備出電記錄點(diǎn)之后再組裝或者制備導(dǎo)光層，為了不妨礙電記錄點(diǎn)的信號(hào)采集功能，導(dǎo)光層會(huì)與電極點(diǎn)保持一定距離，因此出光口與電記錄點(diǎn)之間很難滿足光刺激部位與電記錄部位的一致性，也意味著刺激的細(xì)胞與記錄的細(xì)胞存在一定差異。這種不明確的刺激與響應(yīng)的因果關(guān)系影響了神經(jīng)信號(hào)的分析結(jié)果。另外，現(xiàn)有的光電極大多只有一個(gè)光波導(dǎo)，在面臨多種波段的光源對(duì)神經(jīng)造成的不同影響時(shí)，不具備同時(shí)刺激的條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種用于神經(jīng)元刺激及電信號(hào)記錄的光電極陣列及制備方法，以保證光刺激點(diǎn)與電記錄點(diǎn)在同一位置，同時(shí)可以連接多個(gè)光源進(jìn)行不同波段的光學(xué)刺激，以及具有制備簡(jiǎn)單和兼容性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提供一種用于神經(jīng)元刺激及電信號(hào)記錄的光電極陣列，包括多個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為圓柱形；—連接器，為矩形，該連接器的一面開(kāi)有多個(gè)連接孔，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)插接在連接器的連接孔內(nèi)；一 PCB板，該P(yáng)CB板為L(zhǎng)型，該P(yáng)CB板的長(zhǎng)邊固定在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的根部。本發(fā)明還提供一種用于神經(jīng)元刺激及電信號(hào)記錄的光電極陣列的制備方法，包括如下步驟步驟I :取多個(gè)圓柱形波導(dǎo)層和一矩形的連接器，該連接器的一面開(kāi)有多個(gè)連接孔，將波導(dǎo)層的一端加入在連接器的連接孔內(nèi)；步驟2 :腐蝕波導(dǎo)層前端，使波導(dǎo)層前端為錐形；步驟3 :在波導(dǎo)層上表面沉積導(dǎo)電層；步驟4 :在沉積有導(dǎo)電層的波導(dǎo)層上沉積絕緣層，形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；
步驟5 :采用光刻或激光刻蝕的方法，刻蝕波導(dǎo)結(jié)構(gòu)前端及根部的絕緣層，暴露部分出導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層的前端為電極；步驟6 :將一 L型PCB板的長(zhǎng)邊固定在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的根部，使PCB板與暴露出的導(dǎo)電層電性連接。從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果I、本發(fā)明提供的這種用于神經(jīng)元刺激及電信號(hào)記錄的光電極陣列，由于金屬記錄點(diǎn)是附著在波導(dǎo)光纖表面的金屬薄膜，所以光刺激位點(diǎn)與電信號(hào)記錄點(diǎn)在空間位置上是重疊的，實(shí)現(xiàn)了刺激對(duì)象與記錄對(duì)象的一致性，保證了在神經(jīng)工程科學(xué)研究中數(shù)據(jù)可靠對(duì)應(yīng)的因果關(guān)系。2、本發(fā)明提供的這種用于神經(jīng)元刺激及電信號(hào)記錄的光電極陣列，是由多個(gè)光纖排列而成的陣列器件，可以根據(jù)需要研究的腦部區(qū)域靈活地選擇某一個(gè)或者多個(gè)電極進(jìn)行 刺激與記錄，而且這種陣列器件可以同時(shí)與多種光源想連接，可以實(shí)現(xiàn)多種光源刺激下的神經(jīng)元活動(dòng)，分析這些條件的制約消長(zhǎng)關(guān)系，可以更全面地分析腦部活動(dòng)；3、本發(fā)明提供的這種用于神經(jīng)元刺激及電信號(hào)記錄的光電極陣列，工藝簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本低，具有工藝合理性。


為了進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，其中圖I是本發(fā)明提供的用于神經(jīng)元刺激及電信號(hào)記錄的光電極陣列結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明提供的用于神經(jīng)元刺激及電信號(hào)記錄的光電極陣列的制備方法流程圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖I所示，本發(fā)明提供一種用于神經(jīng)元刺激及電信號(hào)記錄的光電極陣列，包括多個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10整體呈圓柱形，前端為錐形，便于在體植入時(shí)插入組織內(nèi)，減少組織損傷，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10的數(shù)量大于1，所述每一波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10為三層結(jié)構(gòu)，從內(nèi)到外包括一波導(dǎo)層11，一沉積在波導(dǎo)層11上表面的導(dǎo)電層12,以及一沉積在波導(dǎo)層11及導(dǎo)電層12上的厚度均勻的絕緣層13，該波導(dǎo)層11的材料為二氧化硅或塑料制成的光纖，利用光的全反射原理將光約束在波導(dǎo)內(nèi)負(fù)責(zé)光的傳輸，該導(dǎo)電層12的材料為金屬、導(dǎo)電聚合物或石墨烯，該導(dǎo)電層12只附著在波導(dǎo)層11的上半個(gè)表面，這種部分覆蓋的導(dǎo)電層12 —方面可以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的提取，另一方面由于波導(dǎo)層11的前端呈現(xiàn)錐形形貌，導(dǎo)致光在無(wú)導(dǎo)電層12覆蓋的波導(dǎo)層11 一側(cè)形成光學(xué)反射，使得光能順利從有導(dǎo)電層12的一側(cè)輸出，實(shí)現(xiàn)光的刺激功能，該絕緣層13的材料為高分子聚合物，通過(guò)分子沉積的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)波導(dǎo)層11以及導(dǎo)電層12的全方面包裹，且厚度均勻，起到絕緣的作用，經(jīng)過(guò)去除波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10的尖端部分絕緣層13，得到暴露的部分導(dǎo)電層12作為電極行使電信號(hào)記錄功能。一連接器20，為矩形，該連接器20的一面開(kāi)有多個(gè)間距可控的連接孔，孔的直徑與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10的直徑相匹配，所述多個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10插接在連接器20的連接孔內(nèi)，連接器20的作用是一端負(fù)責(zé)固定多個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10，形成間距與數(shù)量可控的陣列結(jié)構(gòu)，另一端負(fù)責(zé)連接多個(gè)光源，使得光能穩(wěn)定地傳進(jìn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10中；一 PCB板30，該P(yáng)CB板30為L(zhǎng)型，該P(yáng)CB板30的長(zhǎng)邊平行地固定在多個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10的根部，根部為與連接器20緊靠的一端，該P(yáng)CB板30上與每個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10有對(duì)應(yīng)的連接端點(diǎn)，該P(yáng)CB板30與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10根部的導(dǎo)電層12電性連接，該P(yáng)CB板30作為一個(gè)轉(zhuǎn)接口將波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10采集到的電信號(hào)連接到外部分析設(shè)備的接口上。請(qǐng)參閱圖2所示，同時(shí)結(jié)合參閱圖1，本發(fā)明還提供一種用于神經(jīng)元刺激及電信號(hào)記錄的光電極陣列的制備方法，包括如下步驟步驟I :取多個(gè)圓柱形波導(dǎo)層11和一矩形的連接器20，該連接器20的一面開(kāi)有多個(gè)連接孔，將多個(gè)波導(dǎo)層11的一端插入在連接器20的連接孔內(nèi)，形成間距可控的陣列排列，該波導(dǎo)層11的材料為二氧化硅的光纖；步驟2 :腐蝕波導(dǎo)層11前端，使波導(dǎo)層11前端為錐形，錐形的形貌利于整個(gè)器件 穿刺到生物組織內(nèi)進(jìn)行刺激和記錄；步驟3 :在波導(dǎo)層11的上表面沉積導(dǎo)電層12，該導(dǎo)電層12通過(guò)熱蒸發(fā)的方法只覆蓋在波導(dǎo)層11朝向蒸發(fā)源的一面，這種部分覆蓋的導(dǎo)電層12 —方面可以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的提取，另一方面不影響光從波導(dǎo)層10的輸出；步驟4 :在導(dǎo)電層12和波導(dǎo)層11上沉積絕緣層13，該絕緣層13的材料為高分子聚合物，該絕緣層13對(duì)波導(dǎo)層11和導(dǎo)電層12形成全方位的緊密包裹。波導(dǎo)層11，導(dǎo)電層12以及絕緣層13共同形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10的數(shù)量大于I ;步驟5 :采用光刻或激光刻蝕的方法，刻蝕波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10前端及根部的絕緣層13，暴露部分出導(dǎo)電層12，暴露的面積能過(guò)通過(guò)光刻或者激光進(jìn)行控制。在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10前端的部分導(dǎo)電層12形成可以進(jìn)行電信號(hào)記錄的電極；步驟6 :將一 L型PCB板30的長(zhǎng)邊固定在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10的根部，使PCB板30與暴露出的導(dǎo)電層12電性連接，該P(yáng)CB板30的作用是將導(dǎo)電層12與外部電學(xué)分析設(shè)備相連接。為了更加清楚明白的介紹本發(fā)明提供的這種用于神經(jīng)元刺激及電信號(hào)記錄的光電極陣列及制備方法，一下結(jié)合具體的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。步驟I、選擇內(nèi)徑62. 5um的石英光纖，作為波導(dǎo)層11，選則商業(yè)通用的12通道光纖轉(zhuǎn)接口 MPO頭作為連接器20，將光纖去除保護(hù)層，用光纖刀切成斷面平整的5cm長(zhǎng)的光纖段共6段，直接插入連接器20的V型槽中，并用灌封膠固定。步驟2、選用濃度為40%的氫氟酸作為腐蝕液，將波導(dǎo)層11垂直插入液面靜態(tài)腐蝕90min形成錐形形貌。步驟3、用熱蒸發(fā)的方法在波導(dǎo)層11朝向蒸發(fā)源的一側(cè)沉積厚度為50nm的鉻以及厚度為200nm的金作為導(dǎo)電層12。步驟4、采用薄膜生長(zhǎng)設(shè)備在波導(dǎo)層11和導(dǎo)電層12表面生長(zhǎng)一層透明有機(jī)物parylene作為絕緣層13, parylene的厚度為2um。步驟5、用光刻膠做掩膜，刻蝕絕緣層13尖端和根部的parylene，刻蝕方法為反應(yīng)離子刻蝕，刻蝕氣體為氧氣與氬氣的混合氣體，暴露出尖端的部分導(dǎo)電層12，形成能夠記錄電信號(hào)的電極。步驟6、將根部暴露出的導(dǎo)電層12與PCB板13焊接在一起，形成電性連接，利用灌封膠將PCB板30與連接器20固定在一起增加牢固性。PCB板的另一端負(fù)責(zé)與外部電學(xué)分析設(shè)備連接。以上所述的具體實(shí)施例，是對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在 本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于神經(jīng)元刺激及電信號(hào)記錄的光電極陣列，包括 多個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為圓柱形； 一連接器，為矩形，該連接器的一面開(kāi)有多個(gè)連接孔，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)插接在連接器的連接孔內(nèi)； 一 PCB板，該P(yáng)CB板為L(zhǎng)型，該P(yáng)CB板的長(zhǎng)邊固定在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的根部。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于生物神經(jīng)元刺激以及神經(jīng)電信號(hào)記錄的光電極陣列，其中所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的數(shù)量為大于I。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于生物神經(jīng)元刺激以及神經(jīng)電信號(hào)記錄的光電極陣列，其中所述每一波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為三層結(jié)構(gòu)，包括一波導(dǎo)層，一沉積在波導(dǎo)層上的導(dǎo)電層，以及一沉積在導(dǎo)電層上的絕緣層，該導(dǎo)電層的前端為電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于生物神經(jīng)元刺激以及神經(jīng)電信號(hào)記錄的光電極陣列，其中該波導(dǎo)層的材料為二氧化硅或塑料，該導(dǎo)電層的材料為金屬、導(dǎo)電聚合物或石墨烯，該絕緣層的材料為高分子聚合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于生物神經(jīng)元刺激以及神經(jīng)電信號(hào)記錄的光電極陣列，其中該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的前端為錐形。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于生物神經(jīng)元刺激以及神經(jīng)電信號(hào)記錄的光電極陣列，其中該P(yáng)CB板與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)電層電性連接。
7.一種用于神經(jīng)元刺激及電信號(hào)記錄的光電極陣列的制備方法，包括如下步驟 步驟I :取多個(gè)圓柱形波導(dǎo)層和一矩形的連接器，該連接器的一面開(kāi)有多個(gè)連接孔，將波導(dǎo)層的一端加入在連接器的連接孔內(nèi)； 步驟2 :腐蝕波導(dǎo)層前端，使波導(dǎo)層前端為錐形； 步驟3 :在波導(dǎo)層上表面沉積導(dǎo)電層； 步驟4 :在沉積有導(dǎo)電層的波導(dǎo)層上沉積絕緣層，形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)； 步驟5 :采用光刻或激光刻蝕的方法，刻蝕波導(dǎo)結(jié)構(gòu)前端及根部的絕緣層，暴露部分出導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層的前端為電極； 步驟6 :將一 L型PCB板的長(zhǎng)邊固定在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的根部，使PCB板與暴露出的導(dǎo)電層電性連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于神經(jīng)元刺激及電信號(hào)記錄的光電極陣列的制備方法，其中所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的數(shù)量為大于I。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于神經(jīng)元刺激及電信號(hào)記錄的光電極陣列的制備方法，其中該波導(dǎo)層的材料為二氧化硅或塑料，該導(dǎo)電層的材料為金屬、導(dǎo)電聚合物或石墨烯，該絕緣層的材料為高分子聚合物。
全文摘要
一種用于神經(jīng)元刺激及電信號(hào)記錄的光電極陣列，包括多個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為圓柱形；一連接器，為矩形，該連接器的一面開(kāi)有多個(gè)連接孔，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)插接在連接器的連接孔內(nèi)；一PCB板，該P(yáng)CB板為L(zhǎng)型，該P(yáng)CB板的長(zhǎng)邊固定在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的根部。本發(fā)明同時(shí)可以連接多個(gè)光源進(jìn)行不同波段的光學(xué)刺激，以及具有制備簡(jiǎn)單和兼容性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N27/00GK102830138SQ20121035868
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月24日
發(fā)明者裴為華, 陳三元, 歸強(qiáng), 李雷, 陳弘達(dá) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所