专利名称：用于神经元刺激及电信号记录的光电极阵列及制备方法
技术领域：
本发明涉及用于生物神经刺激与电信号检测的电极传感器设计及加工领域，更具体涉及在生物医学工程中基于光遗传学的用于神经元刺激及电信号记录的光电极阵列及制备方法。
背景技术：
阐明神经活动的基本过程是现代脑科学的目标之一。在分析神经细胞如何完成各种功能时，往往需要激活或者抑制特定细胞以确定其在复杂的神经回路中发挥的作用。近年来快速发展的光遗传学可以让某一类型的神经细胞对特定波长的光产生兴奋或抑制。利用光电极对神经元进行光刺激与电信号记录逐渐成为主要的研究手段。目前常用的光电极结构包括将金属丝与光纤粘附在一起；在金属丝表面涂覆一 定厚度的六甲基硅氧烷(PDMS)等透明材料形成中间导电，外部导光的结构立体电极中间穿入一根光纤构成光电极；在Michigan平面电极表面固定一根光纤或者SU-8光刻胶等材料制备的光波导作为光刺激源。以往的光电极均是先制备出电记录点之后再组装或者制备导光层，为了不妨碍电记录点的信号采集功能，导光层会与电极点保持一定距离，因此出光口与电记录点之间很难满足光刺激部位与电记录部位的一致性，也意味着刺激的细胞与记录的细胞存在一定差异。这种不明确的刺激与响应的因果关系影响了神经信号的分析结果。另外，现有的光电极大多只有一个光波导，在面临多种波段的光源对神经造成的不同影响时，不具备同时刺激的条件。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于神经元刺激及电信号记录的光电极阵列及制备方法，以保证光刺激点与电记录点在同一位置，同时可以连接多个光源进行不同波段的光学刺激，以及具有制备简单和兼容性强的优点。本发明提供一种用于神经元刺激及电信号记录的光电极阵列，包括多个波导结构，该波导结构为圆柱形；—连接器，为矩形，该连接器的一面开有多个连接孔，所述波导结构插接在连接器的连接孔内；一 PCB板，该PCB板为L型，该PCB板的长边固定在波导结构的根部。本发明还提供一种用于神经元刺激及电信号记录的光电极阵列的制备方法，包括如下步骤步骤I :取多个圆柱形波导层和一矩形的连接器，该连接器的一面开有多个连接孔，将波导层的一端加入在连接器的连接孔内；步骤2 :腐蚀波导层前端，使波导层前端为锥形；步骤3 :在波导层上表面沉积导电层；步骤4 :在沉积有导电层的波导层上沉积绝缘层，形成波导结构；
步骤5 :采用光刻或激光刻蚀的方法，刻蚀波导结构前端及根部的绝缘层，暴露部分出导电层，该导电层的前端为电极；步骤6 :将一 L型PCB板的长边固定在波导结构的根部，使PCB板与暴露出的导电层电性连接。从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果I、本发明提供的这种用于神经元刺激及电信号记录的光电极阵列，由于金属记录点是附着在波导光纤表面的金属薄膜，所以光刺激位点与电信号记录点在空间位置上是重叠的，实现了刺激对象与记录对象的一致性，保证了在神经工程科学研究中数据可靠对应的因果关系。2、本发明提供的这种用于神经元刺激及电信号记录的光电极阵列，是由多个光纤排列而成的阵列器件，可以根据需要研究的脑部区域灵活地选择某一个或者多个电极进行 刺激与记录，而且这种阵列器件可以同时与多种光源想连接，可以实现多种光源刺激下的神经元活动，分析这些条件的制约消长关系，可以更全面地分析脑部活动；3、本发明提供的这种用于神经元刺激及电信号记录的光电极阵列，工艺简单，实现成本低，具有工艺合理性。
为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图和实施例进行详细说明，其中图I是本发明提供的用于神经元刺激及电信号记录的光电极阵列结构示意图；图2是本发明提供的用于神经元刺激及电信号记录的光电极阵列的制备方法流程图。
具体实施例方式请参阅图I所示，本发明提供一种用于神经元刺激及电信号记录的光电极阵列，包括多个波导结构10，该波导结构10整体呈圆柱形，前端为锥形，便于在体植入时插入组织内，减少组织损伤，所述波导结构10的数量大于1，所述每一波导结构10为三层结构，从内到外包括一波导层11，一沉积在波导层11上表面的导电层12,以及一沉积在波导层11及导电层12上的厚度均匀的绝缘层13，该波导层11的材料为二氧化硅或塑料制成的光纤，利用光的全反射原理将光约束在波导内负责光的传输，该导电层12的材料为金属、导电聚合物或石墨烯，该导电层12只附着在波导层11的上半个表面，这种部分覆盖的导电层12 —方面可以实现电信号的提�。硪环矫嬗捎诓ǖ疾�11的前端呈现锥形形貌，导致光在无导电层12覆盖的波导层11 一侧形成光学反射，使得光能顺利从有导电层12的一侧输出，实现光的刺激功能，该绝缘层13的材料为高分子聚合物，通过分子沉积的方式实现对波导层11以及导电层12的全方面包裹，且厚度均匀，起到绝缘的作用，经过去除波导结构10的尖端部分绝缘层13，得到暴露的部分导电层12作为电极行使电信号记录功能。一连接器20，为矩形，该连接器20的一面开有多个间距可控的连接孔，孔的直径与波导结构10的直径相匹配，所述多个波导结构10插接在连接器20的连接孔内，连接器20的作用是一端负责固定多个波导结构10，形成间距与数量可控的阵列结构，另一端负责连接多个光源，使得光能稳定地传进波导结构10中；一 PCB板30，该PCB板30为L型，该PCB板30的长边平行地固定在多个波导结构10的根部，根部为与连接器20紧靠的一端，该PCB板30上与每个波导结构10有对应的连接端点，该PCB板30与波导结构10根部的导电层12电性连接，该PCB板30作为一个转接口将波导结构10采集到的电信号连接到外部分析设备的接口上。请参阅图2所示，同时结合参阅图1，本发明还提供一种用于神经元刺激及电信号记录的光电极阵列的制备方法，包括如下步骤步骤I :取多个圆柱形波导层11和一矩形的连接器20，该连接器20的一面开有多个连接孔，将多个波导层11的一端插入在连接器20的连接孔内，形成间距可控的阵列排列，该波导层11的材料为二氧化硅的光纤；步骤2 :腐蚀波导层11前端，使波导层11前端为锥形，锥形的形貌利于整个器件 穿刺到生物组织内进行刺激和记录；步骤3 :在波导层11的上表面沉积导电层12，该导电层12通过热蒸发的方法只覆盖在波导层11朝向蒸发源的一面，这种部分覆盖的导电层12 —方面可以实现电信号的提�。硪环矫娌挥跋旃獯硬ǖ疾�10的输出；步骤4 :在导电层12和波导层11上沉积绝缘层13，该绝缘层13的材料为高分子聚合物，该绝缘层13对波导层11和导电层12形成全方位的紧密包裹。波导层11，导电层12以及绝缘层13共同形成波导结构10，所述波导结构10的数量大于I ;步骤5 :采用光刻或激光刻蚀的方法，刻蚀波导结构10前端及根部的绝缘层13，暴露部分出导电层12，暴露的面积能过通过光刻或者激光进行控制。在波导结构10前端的部分导电层12形成可以进行电信号记录的电极；步骤6 :将一 L型PCB板30的长边固定在波导结构10的根部，使PCB板30与暴露出的导电层12电性连接，该PCB板30的作用是将导电层12与外部电学分析设备相连接。为了更加清楚明白的介绍本发明提供的这种用于神经元刺激及电信号记录的光电极阵列及制备方法，一下结合具体的实施例进行说明。步骤I、选择内径62. 5um的石英光纤，作为波导层11，选则商业通用的12通道光纤转接口 MPO头作为连接器20，将光纤去除保护层，用光纤刀切成断面平整的5cm长的光纤段共6段，直接插入连接器20的V型槽中，并用灌封胶固定。步骤2、选用浓度为40%的氢氟酸作为腐蚀液，将波导层11垂直插入液面静态腐蚀90min形成锥形形貌。步骤3、用热蒸发的方法在波导层11朝向蒸发源的一侧沉积厚度为50nm的铬以及厚度为200nm的金作为导电层12。步骤4、采用薄膜生长设备在波导层11和导电层12表面生长一层透明有机物parylene作为绝缘层13, parylene的厚度为2um。步骤5、用光刻胶做掩膜，刻蚀绝缘层13尖端和根部的parylene，刻蚀方法为反应离子刻蚀，刻蚀气体为氧气与氩气的混合气体，暴露出尖端的部分导电层12，形成能够记录电信号的电极。步骤6、将根部暴露出的导电层12与PCB板13焊接在一起，形成电性连接，利用灌封胶将PCB板30与连接器20固定在一起增加牢固性。PCB板的另一端负责与外部电学分析设备连接。以上所述的具体实施例，是对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种用于神经元刺激及电信号记录的光电极阵列，包括 多个波导结构，该波导结构为圆柱形； 一连接器，为矩形，该连接器的一面开有多个连接孔，所述波导结构插接在连接器的连接孔内； 一 PCB板，该PCB板为L型，该PCB板的长边固定在波导结构的根部。
2.根据权利要求I所述的用于生物神经元刺激以及神经电信号记录的光电极阵列，其中所述波导结构的数量为大于I。
3.根据权利要求2所述的用于生物神经元刺激以及神经电信号记录的光电极阵列，其中所述每一波导结构为三层结构，包括一波导层，一沉积在波导层上的导电层，以及一沉积在导电层上的绝缘层，该导电层的前端为电极。
4.根据权利要求3所述的用于生物神经元刺激以及神经电信号记录的光电极阵列，其中该波导层的材料为二氧化硅或塑料，该导电层的材料为金属、导电聚合物或石墨烯，该绝缘层的材料为高分子聚合物。
5.根据权利要求I所述的用于生物神经元刺激以及神经电信号记录的光电极阵列，其中该波导结构的前端为锥形。
6.根据权利要求I所述的用于生物神经元刺激以及神经电信号记录的光电极阵列，其中该PCB板与波导结构中的导电层电性连接。
7.一种用于神经元刺激及电信号记录的光电极阵列的制备方法，包括如下步骤 步骤I :取多个圆柱形波导层和一矩形的连接器，该连接器的一面开有多个连接孔，将波导层的一端加入在连接器的连接孔内； 步骤2 :腐蚀波导层前端，使波导层前端为锥形； 步骤3 :在波导层上表面沉积导电层； 步骤4 :在沉积有导电层的波导层上沉积绝缘层，形成波导结构； 步骤5 :采用光刻或激光刻蚀的方法，刻蚀波导结构前端及根部的绝缘层，暴露部分出导电层，该导电层的前端为电极； 步骤6 :将一 L型PCB板的长边固定在波导结构的根部，使PCB板与暴露出的导电层电性连接。
8.根据权利要求7所述的用于神经元刺激及电信号记录的光电极阵列的制备方法，其中所述波导结构的数量为大于I。
9.根据权利要求7所述的用于神经元刺激及电信号记录的光电极阵列的制备方法，其中该波导层的材料为二氧化硅或塑料，该导电层的材料为金属、导电聚合物或石墨烯，该绝缘层的材料为高分子聚合物。
全文摘要
一种用于神经元刺激及电信号记录的光电极阵列，包括多个波导结构，该波导结构为圆柱形；一连接器，为矩形，该连接器的一面开有多个连接孔，所述波导结构插接在连接器的连接孔内；一PCB板，该PCB板为L型，该PCB板的长边固定在波导结构的根部。本发明同时可以连接多个光源进行不同波段的光学刺激，以及具有制备简单和兼容性强的优点。
文档编号G01N27/00GK102830138SQ20121035868
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月24日 优先权日2012年9月24日
发明者裴为华, 陈三元, 归强, 李雷, 陈弘达 申请人:中国科学院半导体研究所
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