Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
датчики чаще всего должны быть исключительно малы, поэтому входящие в них
сенсоры должны располагаться близко друг к другу. Развитые в физике
тонких пленок и электронике твердого тела методы позволяют создавать
миниатюрные многоцелевые сенсорные ансамбли, которые успешно применяли
при исследовании мозга. Помимо специфических конструкторских проблем,
обуславливаемых технологическими ограничениями, миниатюрным
тонкопленочным металлическим электродам присущи все недостатки
металлических проволочных электродов. В данной главе обсуждается новый
электрод камерного типа, который, по-видимому, позволяет преодолеть
многие из этих проблем и, кроме того, пригоден для конструирования
миниатюрных электрохимических ячеек.
21.2. Введение
Исследования миниатюрных химических сенсоров мотивируются как
экономическими, так и методологическими причинами. Совершенствование
техники мониторинга может завершиться размещением сенсоров на кристалле
кремния вблизи электронной схемы с приданием им чрезвычайно малых
размеров, чтобы исключить повреждение или разрушение анализируемого
образца. При исследовании мозга, например, чтобы разобраться в
пространственной взаимосвязи нейронов, требуются многоцелевые электродные
ансамбли [12, 18], а для объяснения как нормальной, так и патологической
активности нейронов приходится регистрировать множество параметров [2,
6]. Обычные способы склеивания позволяют объединять в ансамбль лишь
небольшое число стеклянных или металлических микроэлектродов. Методы,
развитые в современной физике тонких пленок и электронике твердого тела,
позволяют создавать строго определенные структуры размером порядка
нескольких микрон и могут быть весьма полезны также при конструировании
новых приборов для медицинских исследований, хирургии и наблюдения
пациентов при интенсивной терапии.
В этой главе будут рассмотрены проблемы, возникающие при изготовлении и
конструировании миниатюрных электрических и электрохимических
тонкопленочных сенсоров для исследований in vivo, а также ограничения и
некоторые новые аспекты разработки этих приборов. Описываются механически
и электрически устойчивые миниатюрные Ag/AgCl электроды сравнения и
конструкция новых миниатюрных сенсоров камерного типа.
В данной работе, выполненной в Институте общей электротехники и
электроники Венского Университета (Австрия), принимали участие X.
Драгаун, П. Гойзер, А. Яхимович, Ф. Коль, В. Морэс, Ф. Олкайтаг, К.
Пиркер, ГГ. Пфундер, Р. Шалауэр и Г. Урбан.
20- 1145
306
Г. шва 21
21.3. Миниатюрные тонкопленочные многоэлектродные датчики
Тонкопленочные и твердотельные методы [15], развитые главным образом для
улучшения качества, плотности упаковки элементов и массового производства
интегральных схем, пригодны для изготовления ансамблей электродов,
расположенных в строго заданном порядке [20]. Их помещают на подложках,
имеющих форму тонкой иглы, которую можно вводить в ткань. Такой
многоэлектродный датчик показан на рис. 21.1. Датчик разрабатывали для
измерения электрической активности мозговой ткани, в частности в кортексе
кроликов. Восемь электродов с площадью рабочей поверхности 2500 мкм2
располагаются по прямой на расстоянии 300 мкм друг от друга; девятый
электрод, находящийся на 1 мм ниже восьмого, предназначен для
одновременной регистрации активности гиппокампа под кортикальной
структурой [18].
21.3.1. Изготовление датчика
На рис. 21.2 схематически показаны поперечное сечение датчика (а) и
тонкопленочный электрод (б). Технология фотолитографии обеспечивает
высокую степень гибкости при размещении электродов в ансамбле и позволяет
подгонять конструкцию соответствующего электродного ансамбля к
анатомическому строению ткани. Эта методика включает следующие стадии.
1. Рисуют схему расположения металлических элементов и изоляторов и
уменьшают ее фотографически в несколько сот раз, определяя тем самым
размер и расположение электродов на так называемой маске. На рис. 21.3
для примера показаны маски металлического (а) и изоляционного слоя (б)
16-электродного датчика. Электро-
Рис. 21.1. Тонкопленочный многоэлектродный датчик для регистрации
электрической активности мозга животных. Датчик состоит из девяти
регистрирующих электродов с размером регистрирующих участков 2500 мкм2.
расположенных на одной прямой на игольчатом стеклянном носителе толщиной
0,1 мм.
Тоикоплепочиыр микроэлектроды
307
5
Рис. 21.2. Поперечное сечение тонкопленочного многоэлектродного датчика
(а) и увеличенное изображение тонкопленочного электрода (б). I -
связующая проволока; 2-контакт; 3 -электро-осажденный металлический
электрод; 4-тонкий изолирующий слой; 5 - регистрирующий участок до
электроосаждения; 6-токоподвод или интегральная схема; 7-искусственная
смола; 8-стеклянная подложка; 9-топкая металлическая связующая дорожка.
ды расположены по прямой на расстоянии 100 мкм друг от друга; площадь
регистрирующего участка каждого электрода 225 мкм2.
2. На поверхность тщательно очищенной стеклянной подложки толщиной 100
