Microelectrode Fabrication for Quantitative and Qualitative Analysis of Neurotransmitters

Year 2021, Volume: 14 Issue: 2, 677 - 685, 31.08.2021

Merve Acar

https://doi.org/10.18185/erzifbed.908792

Abstract

Bu çalışmada, düşük maliyetli, biyouyumlu beyin içi sensörler üretildi. Üretilen beyin sensörlerinin imalatı üç aşamadan oluşmaktadır. Bunlar sırasıyla fotolitografik yöntemlerle mikroelektrotların üretimi, paketleme ve uygun kimyasal bariyerlerle kaplanmasıdır. Maske tasarımından sonra mikroelektrotu üretmek için belirlenen fotolitografik adımlar uygulanarak üretim gerçekleştirilir. Üretilen mikroelektrotların çevresel gürültüden etkilenmemesi için sadece kayıt bölgeleri ve bağlama bölgeleri bir yalıtım tabakası ile kaplanmıştır. Üretim süreci toplu olarak üretilen mikroelektrotların alttaş üzerinde dilimlenmesiyle tamamlandı. Her mikroelektrot, test cihazına (Voltametri) bağlanabilmesi için paketlenmelidir. Paketleme işleminde öncelikle mikroelektrot PCB üzerine yapıştırılır ve PCB üzerine yapıştırılan mikroelektrotun bağlantı alanları ile PCB üzerindeki yollar altın teller yardımı ile bir tel bağlama cihazı kullanılarak birbirine bağlanır. Ölçüm için hazırlanan sensörler kullanılarak laboratuvarda in vitro testler gerçekleştirildi. Yapılan ölçümler sonucunda üretilen mikroelekrotların beyin içi nörotransmiter ölçümü için uygun olduğu görüldü.

Keywords

microelectrode, biosensor, neurotransmitter measurement

Supporting Institution

Tubitak

Project Number

113S083

Thanks

With great delight, I wish to express my deep sense of gratitude towards Prof. Dr. Mehmet Ertugrul, Prof. Dr. Bulent Cavusoglu, Prof Dr. Tevhit Karacalı, Prof. Dr. Hasan Efeoglu, Asso. Prof. Dr. İ. Yucel Ozbek, Ass. Prof. Dr. E Argun Oral from Department of Electrical Engineering, Engineering Faculty Ataturk University. I also wish to thank Prof. Dr. Ahmet Hacımustuoglu, Head of Pharmacology Department, Medical Scholl, Ataturk University for making the facilities available in the department for this work. I would like to thank This study is partly supported with TUBITAK Project No 113S083.

Dopamin Seviyesinin Kantitatif ve Kalitatif Analizi için Mikroelektrot Üretimi

Abstract

Bu çalışmada, düşük maliyetli, biyouyumlu beyin içi sensörler üretildi. Üretilen beyin sensörlerinin imalatı üç aşamadan oluşmaktadır. Bunlar sırasıyla fotolitografik yöntemlerle mikroelektrotların üretimi, paketleme ve uygun kimyasal bariyerlerle kaplanmasıdır. Maske tasarımından sonra mikroelektrotu üretmek için belirlenen fotolitografik adımlar uygulanarak üretim gerçekleştirildi. Üretilen mikroelektrotların çevresel gürültüden etkilenmemesi için sadece kayıt bölgeleri ve bağlama bölgeleri bir yalıtım tabakası ile kaplandı. Üretim süreci toplu olarak üretilen mikroelektrotların alttaş üzerinde dilimlenmesiyle tamamlandı. Her mikroelektrot, test cihazına (Voltametri) bağlanabilmesi için paketlendi. Paketleme işleminde öncelikle mikroelektrot PCB üzerine yapıştırılır ve PCB üzerine yapıştırılan mikroelektrotun bağlantı alanları ile PCB üzerindeki yollar altın teller yardımı ile bir tel bağlama cihazı kullanılarak birbirine bağlandı. Üretilen sensörlerin ilk kalibrasyon testleri gerçekleştirildi, ardından kalibrasyon testinde başarılı olan elektrotlar in vitro testlere tabi tutuldu. Kalibrasyon testinde R2 değeri istenilen seviye 1'e yakın ve LOD (Algılama Limiti) değerleri 0.3-0.5 arasında olan mikroelektrotlar başarılı olarak kabul edildi. Kalibrasyon testini geçen mikroelektrotların in vitro testte AA'ya (Askorbik Asit) yanıt vermediği, ancak dopamine adım adım yanıt verdiği görüldü. Yapılan ölçümler sonucunda üretilen mikroelektrotların beyin içi nörotransmiter ölçümü için uygun olduğu görüldü.

Keywords

mikroelektrot, biyosensör, nörotransmiter ölçümü

Project Number

113S083

References

• Abgrall, P., et al., 2007. SU-8 as a structural material for labs-on-chipsand microelectromechanical systems. Electrophoresis. 28(24):4539-51. doi: 10.1002/elps.200700333
• Acar, M. 2014. “Beyin Hastaliklarinin Tani Ve Tedavisi İçin Mikroelektrot Fabrikasyonu” Y. Lisans Tezi, Atatürk Üniveristesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum.
• Acar, M., Shamsi, H., Oyar, O., ve Özbek, İ. Y., 2015. “Beyin Hastalıklarının Tanı Ve Tedavisi İçin Mikroelektrot Fabrikasyonu”, IEEE 23. Sinyal İşleme ve İletişim Uygulamaları Kurultayı, Malatya, Türkiye, 1955-1957.
• Burmeister, J. J., and Gerhardt, G. A. 2001. “Self-referencing ceramic-based multisite microelectrodes for the detection and elimination of interferences from the measurement of L-glutamate and other analytes”, Analytical Chemistry. (73), 1037– 1042.
• Burmeister, J. J., Moxon, K., and Gerhardt, G. A. 2000. “Ceramic-based multisite microelectrodes for electrochemical recordings”, Analytical Chemistry, 187– 192.
• Burmeister, J. J., Pomerleau, F., Palmer, M., Day, B. K., Huettl, P., and Gerhardt, G. A. 2002. “Improved ceramic-based multisite microelectrode for rapid measurements of l-glutamate in the CNS”, Journal of Neuroscience Methods, 119 (2),163–171.
• Burmeister, J.J., Palmer, M., Gerhardt, G. A. 2003. “Ceramic-based multisite microelectrode array for rapid choline measures in brain tissue”, Anal. Chim. Acta 481,65–74.
• Chaudhri, B.P., et al., 2010. A high aspect ratio SU-8 fabrication technique for hollow microneedles for transdermal drug delivery and blood extraction. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20(6).
• Fast16 System. 2021. Available from: http://www.quanteon.cc/
• Frey, O., Holtzman, T., Mcnamara, R. M., Theobald, D. E. H., van der Wal, P. D., de Rooij, N. F., Koudelka-Hep, M., 2010. Enzyme-based choline and l-glutamate biosensor electrodes on silicon microprobe arrays. Biosensors and Bioelectronics, 26, 477–484. doi:10.1016/j.bios.2010.07.073
• Herwik, S., Kisban, S., Aarts, A. A. A., Seidl, K., Girardeau, G., Benchenane, K., Ruther, P. 2009. Fabrication technology for silicon-based microprobe arrays used in acute and sub-chronic neural recording. Journal of Micromechanics and Microengineering, 19(7), 074008. doi:10.1088/0960-1317/19/7/074008
• Marton, G., Fekete, Z., Fiath, R., Baracskay, P., Ulbert, I., Juhasz, G., and Pongracz, A. 2013. “In Vivo Measurements with Robust Silicon-Based Multielectrode Arrays With Extreme Shaft Lengths”, IEEE Sensors Journal, 13(9), 3263–3269.
• Musallam, S., Hajj-Hassan, M., Chodavarapu, V. P., 2009. Microfabrication of ultra-long reinforced silicon neural electrodes. Micro & Nano Letters, 4(1), 53–58. doi:10.1049/mnl:20090007
• Nemani, K. V., et al., 2013. In vitro and in vivo evaluation of SU-8 biocompatibility. Materials Science and Engineering: C. 33(7), 4453–4459.
• Shamsi, H., Acar, M., Oyar, O., Özbek, İ. Y., Hacımüftüoğlu, A., Oral, E. A., Çavuşoğlu, B., Sönmez, E., Karacalı, T., Ertuğrul, M. and Efeoğlu, H. 2014. “New Silicon Based Multisite Microelectrod Fabrication for Neurotransmitter Concentration Detection”. 10th Nanoscience and Nanotechnology Conference, İstanbul, Türkiye. p.189.
• Shi, Y., Liu, R., He, L., Feng, H., Li, Y., & Li, Z. (2020). Recent development of implantable and flexible nerve electrodes. Smart Materials in Medicine
• Voskerician, G., et al., 2003. Biocompatibility and biofouling of MEMS drug delivery devices. Biomaterials. 24,1959–1967 Yoon, T.H., Hwang, E.J., Shin, D.Y., Park, S.I., Oh,S.J., Jung, S.C., and Kim, S.J. 2000. “A micromachined silicon depth probe for multichannel neural recording”, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 47, 1082–1087.
• Z. Xiang, J. Liu, C. Lee. A flexible three-dimensional electrode mesh: an enabling technology for wireless brain-computer interface prostheses, Microsyst. Nanoeng. 2 (2016) 16012.