“新材料之王”石墨烯：神經(jīng)電生理研究的新選擇

“新材料之王”是什么？

石墨是的一種同素異形體，質(zhì)軟，黑灰色，有油膩感。高定向熱解石墨(highly oriented pyrolytic graphite)是指熱解石墨，經(jīng)高溫處理使性能接近單晶石墨的一種新型石墨，簡稱HOPG。在2004年來自英國曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，把石墨片一分為二，不斷重復(fù)操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。
 

（▲三層碳原子構(gòu)成的石墨結(jié)構(gòu)分子示意圖）
 

在分離出單層石墨烯之前，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，石墨烯的發(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚體物理學(xué)界。但是實(shí)際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是一層甚至幾層石墨烯。
 

（▲由石墨烯構(gòu)成的鉛筆芯，圖片取自央廣網(wǎng)科普|習(xí)主席訪英為何青睞“奇跡材料”石墨烯？2015-10-23）
 

石墨烯結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
碳原子有4個(gè)價(jià)電子，石墨烯內(nèi)部碳原子的3個(gè)電子生成sp²鍵，即每個(gè)碳原子都貢獻(xiàn)一個(gè)位于pz軌道上的未成鍵電子，近鄰原子的pz軌道與平面成垂直方向可形成π鍵，新形成的π鍵呈半填滿狀態(tài)。

形成的石墨烯為復(fù)式六角形晶格，每個(gè)元胞中有兩個(gè)碳原子，每個(gè)原子與最近鄰的 3個(gè)原子間形成3個(gè)σ鍵，剩余的一個(gè)p電子垂直于石墨烯平面，與周圍原子形成π鍵。
 

（▲石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖，石墨烯的蜂窩狀晶格包括兩層互相透入的三角形晶格，每個(gè)子晶格A的格點(diǎn)都位于其他子晶格B確定的三角形中央，共同形成石墨烯的蜂窩狀晶格）
 

（▲石墨烯結(jié)構(gòu)的波失空間，石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)與倒格子，所謂倒格子是與晶格空間相對應(yīng)傅里葉變換出來的波矢空間，或稱動(dòng)量空間）
 

（▲石墨烯能帶結(jié)構(gòu)圖）

我們可以看出在 K 和 K’點(diǎn)附近，費(fèi)米面附近的電子能量E與波矢 k成線性的關(guān)系，E= F|hk|v , 其中k為準(zhǔn)粒子動(dòng)量，Vf =106 m/s，為費(fèi)米速度。

色散關(guān)系是近似線性的，這等效于動(dòng)量與能量的關(guān)系為線性，這也就表明電子的速度為常量，并不受動(dòng)量與動(dòng)能的影響。在這種情況下，薛定諤方程來描述粒子的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)無效了，我們需要運(yùn)用引入了相對論效應(yīng)的狄拉克方程來描述。關(guān)于石墨烯非常高的電子遷移率的原因也是由于狄拉克點(diǎn)的存在，由于量子隧穿效應(yīng)的影響，電子有概率穿過高于自身能量的勢場。

石墨烯的優(yōu)勢有什么？
由于存在這樣的特殊結(jié)構(gòu)，石墨烯具備了超高的載流子遷移性，也就具備了良好的導(dǎo)電性和極高的信噪比以及時(shí)間分辨率。

所有性能都基于結(jié)構(gòu)，所以，石墨烯同樣還具備輕盈，高導(dǎo)熱性，做同樣的功所消耗電力少，化學(xué)反應(yīng)性強(qiáng)，強(qiáng)度高，比表面積大，高彈性高硬度等特點(diǎn)，發(fā)熱少等優(yōu)點(diǎn)。

這么多優(yōu)點(diǎn)又如此應(yīng)用廣泛，難怪石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”！2004年被發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)者2010年就獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，連我們的習(xí)大大都去參觀了曼徹斯特大學(xué)的石墨烯研究所呢！在筆者看來最重要的一個(gè)特點(diǎn)是，單層的石墨烯近乎透明，對于應(yīng)用場景的限制大大減少了。

石墨烯如何制備？
石墨烯之父采用的是機(jī)械剝離法，這個(gè)方法較為簡便，將天然石墨塊放在干凈的二氧化硅SiO₂上，上方用透明膠帶反復(fù)剝離，從而得到石墨薄片。根據(jù)菲涅爾定律，在外部光源照射下，石墨烯與SiO₂基底之間會(huì)因反射光強(qiáng)不同呈現(xiàn)光學(xué)反差，并且這種光學(xué)反差隨著石墨樣品厚度增加有著明顯改變，借此辦法來確定石墨烯是否為單層或多層。這個(gè)方法雖然簡便，但不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

除此之外還有氧化還原法, 取向附生法, 碳化硅外延法, 赫默法以及化學(xué)氣相沉積法(CVD)。CVD法簡單說來就是用含碳有機(jī)氣體為原料進(jìn)行氣相沉積制得石墨烯薄膜的方法，這也是目前科研機(jī)構(gòu)制備石墨烯常用的方法。
 

（▲化學(xué)氣相沉積法CVD示意圖）
 

例如以銅Cu或鎳Ni為基底，高溫加熱，并輔以甲烷作為碳源補(bǔ)充，使甲烷中的碳原子脫去氫，在基底上形成石墨烯。不同材質(zhì)的基底對于碳原子溶解性不同，所以會(huì)產(chǎn)生“石墨烯島”或“石墨烯膜”，通過控制氣壓高低可以獲得單層石墨烯或多層石墨烯。

石墨烯的應(yīng)用
極高的信噪比和時(shí)間分辨率讓石墨烯在生物電信號(hào)采集時(shí)具有極大的優(yōu)勢。目前的生物電傳感器主要集中在膜片鉗和微電極陣列，前者具備較高的空間分辨率，信噪比較好，但對生物體有損傷；后者沒有損傷且可長時(shí)間記錄生物體膜外信號(hào)，但是信噪比和空間分辨率相對較低。

場效應(yīng)晶體管是一種很好的代替微電極陣列的記錄工具，利用場效應(yīng)晶體管可以很好的記錄小鼠大腦皮層或者海馬區(qū)的神經(jīng)電生理信號(hào)，也可以將其刺穿細(xì)胞膜來記錄膜內(nèi)電勢差。這種技術(shù)信噪比較高，集成度也不錯(cuò)。

石墨烯場效應(yīng)晶體管和傳統(tǒng)的場效應(yīng)晶體管類似，但需要在石墨烯的表面做相應(yīng)的修飾，使其能特異性識(shí)別某種分子或物質(zhì)這樣就既可以提高生物相容性和靈敏度，又能把石墨烯載流子遷移率高和載流子濃度高的特點(diǎn)發(fā)揮得淋漓盡致。
 

上圖為60通道石墨烯微電極陣列示意圖，PI：1-μm-thick light-sensitive polyimide，即1微米厚光敏聚酰亞胺¹，以此裝置記錄大鼠胚胎分離的神經(jīng)細(xì)胞電生理活動(dòng)。
 

上圖為石墨烯晶體管進(jìn)行細(xì)胞電信號(hào)記錄示意圖，在柔性聚酰亞胺基底和透明基底(藍(lán)寶石，玻璃，SiO2 /Si) 上制備了石墨烯液柵晶體管器件如上圖所示，并用其記錄小鼠初級(jí)海馬神經(jīng)元的神經(jīng)信號(hào)²，因石墨烯材料透明的特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合倒置光學(xué)顯微鏡，觀察細(xì)胞的光學(xué)特征。
 

上圖是石墨烯晶體管上培養(yǎng)的神經(jīng)元細(xì)胞圖，培養(yǎng)21天后的神經(jīng)元進(jìn)行免疫熒光染色2，DAPI(紅色)和anti-Synapsin(綠色)染色，分別胞體和突觸囊泡）
 

機(jī)械剝離的石墨烯對心肌細(xì)胞電生理信號(hào)的記錄³，A：在不同water gate potentias下記錄的數(shù)據(jù)。藍(lán)色、綠色和紅色分別代表在 +0.05、+0.10 和 +0.15 V 下所記錄。相應(yīng)的靈敏度分別為 2020、398 和 2290 μS/V。B：所選柵極電位的代表性擴(kuò)展峰值。藍(lán)色類似于在石墨烯 FET 的 p 型器件極性處記錄的結(jié)果，紅色峰代表在n型器件極性處記錄的結(jié)果，綠色峰代表在Gra-FET的狄拉克點(diǎn)附近記錄的結(jié)果。
 

 

上圖為16通道石墨烯晶體管陣列記錄HL-1細(xì)胞電生理信號(hào)⁴， 比例尺為100 μm。一個(gè)石墨烯場效應(yīng)晶體管陣列中8個(gè)晶體管在數(shù)十秒（h）和數(shù)百秒(i)內(nèi)同時(shí)記錄電流的情況。
 

圖：細(xì)胞相容性測試，37攝氏度下，不同濃度純石墨烯（上）和氧化石墨烯（下）處理Vero細(xì)胞后的存活率情況⁵。

石墨烯最新應(yīng)用研究
近日，來自曼徹斯特大學(xué)的納米醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究者們利用利用石墨烯近乎透明的特點(diǎn)，監(jiān)測腦缺血小鼠大腦皮層的電信號(hào)，并同時(shí)監(jiān)測皮層血流灌注量變化情況，因?yàn)槭�墨烯近乎透明的性質(zhì)，在激光成像下不會(huì)產(chǎn)生激光偽影（如下圖所示）。
 

（▲利用石墨烯透明的特點(diǎn)，監(jiān)測腦缺血小鼠大腦皮層的電信號(hào)，并同時(shí)監(jiān)測皮層血流灌注量變化情況，由RWD RFLSI Ⅲ激光散斑血流成像系統(tǒng)采集）
 

 

總結(jié)
石墨烯具備了許多神經(jīng)電極活性材料的特性，如良好的相容性、化學(xué)穩(wěn)定性、柔韌性、光學(xué)透明性和高導(dǎo)電性等，為更精準(zhǔn)的神經(jīng)電生理研究提供了新的選擇。
 

 

* 敬請期待下期內(nèi)容，腦卒模型下的神經(jīng)電生理相關(guān)特點(diǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

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