石墨烯是一种由单层碳原子以六边形晶格排列组成的二维材料，已成为一种具有卓越性能的革命性材料。机械强度、导电性和热稳定性的独特组合使其成为各个科学技术领域的热门研究课题。石墨烯显示出巨大潜力的一个领域是器官芯片（OOC）系统的开发，旨在在实验室环境中模拟人体器官的结构和功能。将传感器集成到这些器官芯片系统中对于提高数据收集能力至关重要，有助于更好地了解器官行为和反应。

据麦姆斯咨询报道，近期，美国爱荷华州立大学（Iowa State University）的研究团队成功开发并表征了一种集成在微流控芯片中的基于石墨烯微电极的传感器，用于实时监测器官芯片平台上的细胞生长和活性。该传感器的制造涉及使用一种简单且经济高效的方法从石墨中代谢石墨烯。使用SolidWorks软件创建的传感器设计具有能够通过阻抗传感检测环境变化的电极。所开发的基于石墨烯微电极的传感器通过测量细胞附着引起的阻抗变化来实时监测细胞生长和活性，在其它器官芯片研究以及细胞研究和生物传感方面提供了有前景的应用。相关研究成果以“Graphene microelectrodes for real-time impedance spectroscopy of neural cells in organ-on-a-chip”为题发表在APL Materials期刊上。

在这项工作中，研究人员通过一种简单而经济的方法合成了石墨烯，将其从石墨中代谢出来。制备了含有石墨和牛血清白蛋白（BSA）的溶液，然后进行球磨和沉淀以去除杂质。利用拉曼光谱和扫描电子显微镜对所得石墨烯的质量进行了表征。

石墨烯的表征及宏电极的设计和制造

为了制造基于石墨烯电极的传感器，使用SolidWorks软件创建了一个设计，其中包含一个简单而有效的布局，能够通过阻抗传感检测环境变化。使用喷墨打印机将石墨烯电极打印到基板上，通过使用有助于生产所需传感器配置的模具克服了最初的挑战。采用退火等后处理技术来提高电极的导电性，同时确保与器官芯片系统中使用的膜材料的兼容性。通过评估电极在不同温度和持续时间下的电阻来确定最佳退火条件，并通过细胞生长来确认。

未退火石墨烯和在150℃下退火60分钟的石墨烯表面粗糙度的轮廓测量成像

进一步地，研究人员使用SolidWorks软件重新设计了传感器，使其与器官芯片（即微流控芯片）的尺寸一致。石墨烯的设计被修改为与芯片的通道重叠，从而能够在通道内进行阻抗测量。为了制造新的电极，使用切割绘图仪创建了模具。通过克服一些挑战并成功制造出新电极，研究人员在将缩小的微电极集成到微流控芯片方面取得了重大进展。这一进步将实现芯片通道内的精确阻抗测量，有助于器官芯片系统的进一步发展并提升其功能。

宏电极和微电极的特性比较

基于石墨烯微电极的传感器被集成到一个构建的器官芯片系统中，该系统是通过制造微流控芯片来实现的。微流控芯片充当培养和研究器官行为的器官芯片平台，而基于石墨烯微电极的传感器则实现了整个系统的实时监测。微流控芯片使用SU-8模具和PDMS（聚二甲基硅氧烷）层构建，其间夹有多孔膜。石墨烯电极被放置在薄膜上，这些层粘合在一起，形成一个无泄漏的芯片。

原始的石墨烯传感器在器官芯片平台中的成功集成，实现了对器官行为和反应的实时监测。使用循环伏安法和电化学阻抗谱等技术对传感器的电化学性能进行了分析，从而深入了解了传感器的稳定性、灵敏度和功能性。

总而言之，研究人员成功开发并表征了一种基于石墨烯微电极的传感器，并将其集成到微流控芯片中，用于实时监测细胞生长。制造过程涉及从石墨中代谢石墨烯。结合使用SolidWorks软件创建的传感器设计，石墨烯能够通过阻抗传感检测器官芯片系统（即微流控芯片）内的环境变化。考虑到膜的温度限制，通过退火处理优化了电极的导电性。将缩小的微电极成功集成到微流控芯片中，并使用循环伏安法和电化学阻抗谱对其性能进行了评估。结果表明，芯片内的电极功能可靠，通过测量细胞附着和膜完整性引起的阻抗变化，为实时监测细胞生长和活性提供了基础。

所开发的基于石墨烯 微电极的传感器在各种应用中都有很大的前景，特别是在细胞研究和生物传感方面。它实时监测细胞生长和活性的能力为生物研究、药物发现和组织工程提供了宝贵的见解。将该传感器集成到微流控芯片中增强了其实用性，并为更复杂和高通量的实验打开了大门。总体而言，所开发的基于石墨烯 微电极的传感器集成到微流控芯片中，展示了其作为实时监测细胞生长和活性的强大工具的潜力，特别是在器官芯片平台中，有助于生物医学研究和应用的进步。