《Advanced Science》：Transparent Transfer-Free Ultrasmall Multilayer Graphene Microelectrodes Enable High Quality Recordings in Brain Slices
编辑推荐：
本文报道了一种无转移工艺制备的透明多层石墨烯微电极阵列（MEA），电极尺寸小至10-50微米，首次实现10微米直径电极对脑片细胞外峰电位的高信噪比记录（达25分贝）。该技术克服了传统石墨烯转移工艺的可靠性难题，为多模态神经接口技术发展开辟了新途径。
透明无转移多层石墨烯微电极阵列的技术突破
引言
人脑作为最复杂的生物系统之一，其神经网络是认知、记忆等高级功能以及癫痫、帕金森病等神经疾病的基础。传统电生理技术如膜片钳和金属微电极阵列（MEA）在解析大规模神经网络动态方面存在局限。多模态神经平台通过整合光学与电学技术，为突破分辨率极限提供了新方案。
石墨烯凭借其独特的电学、光学和机械性能，成为理想的多模态神经接口材料。但其应用长期受限于石墨烯转移工艺导致的缺陷和污染问题。本研究通过无转移工艺在透明衬底上制备了电极直径小至10-50微米的多层石墨烯MEA，首次实现了10微米尺度电极的高质量神经信号记录。
材料表征与电化学性能
研究团队在熔融石英衬底上设计制备了多种电极构型的石墨烯MEA。关键创新在于采用钼（Mo）催化层直接生长多层石墨烯，避免转移工艺。拉曼光谱证实所得石墨烯为涡轮层状多层结构，I2D/IG比值小于1，缺陷密度较低（ID/IG=0.35）。光学透射率在550纳米波长处达47.5%，相当于20-25层石墨烯的吸光度。
电化学测试显示，10微米电极在1千赫兹频率下的阻抗为5.68±1.37兆欧，明显低于传统单层石墨烯电极。循环伏安曲线在-0.8至0.4伏电位窗内保持稳定，表明良好的电化学可逆性。阻抗谱相位响应在高频区接近-90度，呈现电容特性，截止频率约250赫兹。
神经信号记录性能
在小脑脑片实验中，10微米电极成功记录到振幅达140微伏的浦肯野细胞自发峰电位，信噪比（SNR）达18.6±2.7分贝。30微米和50微米电极的信噪比分别提升至24.4±6.2分贝和24.2±4.3分贝。研究发现信号质量主要受神经元-电极界面耦合强度影响，而非单纯由阻抗决定。当脑片与电极紧密接触时（密封电阻Rseal增大），信号质量显著提高；而脑脊液灌注导致的界面分离会使信号衰减。
与聚乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）等材料相比，多层石墨烯电极在保持透明度的同时实现了与氧化铟锡（ITO）相当的阻抗性能，且具有更优的长期稳定性。特别值得注意的是，这是首次在10微米尺度实现石墨烯电极的神经峰电位记录，为高密度透明阵列的发展奠定了基础。
结论与展望
本研究通过无转移工艺成功制备了微型化多层石墨烯MEA，解决了石墨烯神经接口的可扩展性和可靠性难题。10微米电极的高质量神经记录能力，为具有单细胞空间分辨率的多模态神经接口奠定了基础。未来研究将聚焦于优化神经元-电极耦合界面，开发柔性衬底集成技术，并推动该技术向在体应用转化。这种透明神经接口平台有望为解析神经环路机制和脑疾病研究提供强大工具。
实验方法
器件制备采用4英寸熔融石英晶圆，通过钼催化化学气相沉积（CVD）生长多层石墨烯。电极图形化采用光刻和等离子刻蚀工艺，封装使用1-2微米厚聚对二甲苯（Parylene-C）层。电化学测试采用三电极体系，磷酸盐缓冲液（PBS）为电解液。脑片实验使用C56/BL6小鼠小脑切片，信号通过Intan系统采集，带通滤波（200-2000赫兹）后采用中位数绝对偏差（MAD）算法进行峰电位检测。
