“新材料之王”石墨烯：神經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的科學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成的薄片，這就是石墨烯。
（▲三層碳原子構成的石墨結構分子示意圖）
在分離出單層石墨烯之前，大多數物理學家認為，熱力學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)現立即震撼了凝聚體物理學界。但是實際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結構。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。
石墨烯結構特點
碳原子有4個價電子，石墨烯內部碳原子的3個電子生成sp2鍵，即每個碳原子都貢獻一個位于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)。
形成的石墨烯為復式六角形晶格，每個元胞中有兩個碳原子，每個原子與最近鄰的 3個原子間形成3個σ鍵，剩余的一個p電子垂直于石墨烯平面，與周圍原子形成π鍵。
（▲石墨烯結構示意圖，石墨烯的蜂窩狀晶格包括兩層互相透入的三角形晶格，每個子晶格A的格點都位于其他子晶格B確定的三角形中央，共同形成石墨烯的蜂窩狀晶格）
（▲石墨烯結構的波失空間，石墨烯的晶體結構與倒格子，所謂倒格子是與晶格空間相對應傅里葉變換出來的波矢空間，或稱動量空間）
（▲石墨烯能帶結構圖）
我們可以看出在 K 和 K’點附近，費米面附近的電子能量E與波矢 k成線性的關系，E= F|hk|v , 其中k為準粒子動量，Vf =106 m/s，為費米速度。
色散關系是近似線性的，這等效于動量與能量的關系為線性，這也就表明電子的速度為常量，并不受動量與動能的影響。在這種情況下，薛定諤方程來描述粒子的運動已經無效了，我們需要運用引入了相對論效應的狄拉克方程來描述。關于石墨烯非常高的電子遷移率的原因也是由于狄拉克點的存在，由于量子隧穿效應的影響，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構，石墨烯具備了超高的載流子遷移性，也就具備了良好的導電性和極高的信噪比以及時間分辨率。
所有性能都基于結構，所以，石墨烯同樣還具備輕盈，高導熱性，做同樣的功所消耗電力少，化學反應性強，強度高，比表面積大，高彈性高硬度等特點，發(fā)熱少等優(yōu)點。
這么多優(yōu)點又如此應用廣泛，難怪石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”！2004年被發(fā)現，發(fā)現者2010年就獲得了諾貝爾物理學獎，連我們的習大大都去參觀了曼徹斯特大學的石墨烯研究所呢！在筆者看來最重要的一個特點是，單層的石墨烯近乎透明，對于應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械剝離法，這個方法較為簡便，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剝離，從而得到石墨薄片。根據菲涅爾定律，在外部光源照射下，石墨烯與SiO2基底之間會因反射光強不同呈現光學反差，并且這種光學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。這個方法雖然簡便，但不適合大規(guī)模生產。
除此之外還有氧化還原法, 取向附生法, 碳化硅外延法, 赫默法以及化學氣相沉積法(CVD)。CVD法簡單說來就是用含碳有機氣體為原料進行氣相沉積制得石墨烯薄膜的方法，這也是目前科研機構制備石墨烯常用的方法。
（▲化學氣相沉積法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。不同材質的基底對于碳原子溶解性不同，所以會產生“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。
石墨烯的應用
極高的信噪比和時間分辨率讓石墨烯在生物電信號采集時具有極大的優(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間記錄生物體膜外信號，但是信噪比和空間分辨率相對較低。
場效應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)的神經電生理信號，也可以將其刺穿細胞膜來記錄膜內電勢差。這種技術信噪比較高，集成度也不錯。
石墨烯場效應晶體管和傳統的場效應晶體管類似，但需要在石墨烯的表面做相應的修飾，使其能特異性識別某種分子或物質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細胞電生理活動。
上圖為石墨烯晶體管進行細胞電信號記錄示意圖，在柔性聚酰亞胺基底和透明基底(藍寶石，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海馬神經元的神經信號2，因石墨烯材料透明的特點，同時結合倒置光學顯微鏡，觀察細胞的光學特征。
上圖是石墨烯晶體管上培養(yǎng)的神經元細胞圖，培養(yǎng)21天后的神經元進行免疫熒光染色2，DAPI(紅色)和anti-Synapsin(綠色)染色，分別胞體和突觸囊泡）
機械剝離的石墨烯對心肌細胞電生理信號的記錄3，A：在不同water gate potentias下記錄的數據。藍色、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展峰值。藍色類似于在石墨烯 FET 的 p 型器件極性處記錄的結果，紅色峰代表在n型器件極性處記錄的結果，綠色峰代表在Gra-FET的狄拉克點附近記錄的結果。
上圖為16通道石墨烯晶體管陣列記錄HL-1細胞電生理信號4， 比例尺為100 μm。一個石墨烯場效應晶體管陣列中8個晶體管在數十秒（h）和數百秒(i)內同時記錄電流的情況。
圖：細胞相容性測試，37攝氏度下，不同濃度純石墨烯（上）和氧化石墨烯（下）處理Vero細胞后的存活率情況5。
石墨烯最新應用研究
近日，來自曼徹斯特大學的納米醫(yī)學實驗室的研究者們利用利用石墨烯近乎透明的特點，監(jiān)測腦缺血小鼠大腦皮層的電信號，并同時監(jiān)測皮層血流灌注量變化情況，因為石墨烯近乎透明的性質，在激光成像下不會產生激光偽影（如下圖所示）。
（▲利用石墨烯透明的特點，監(jiān)測腦缺血小鼠大腦皮層的電信號，并同時監(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采集）
總結
石墨烯具備了許多神經電極活性材料的特性，如良好的相容性、化學穩(wěn)定性、柔韌性、光學透明性和高導電性等，為更精準的神經電生理研究提供了新的選擇。
* 敬請期待下期內容，腦卒模型下的神經電生理相關特點。
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