Scalable two-tier protruding micro-/nano-optoelectrode arrays with hybrid optical-electrical modalities by hierarchical modular design

纳米技术 材料科学 纳米- 模块化设计 纳米尺度 介电谱 等离子体子 制作 电极 计算机科学 光电子学 化学 电化学 医学 替代医学 物理化学 病理 复合材料 操作系统
作者
Elieser Mejia,Junyeob Song,Yu-Ming Zhao,Yizhou Qian,Chuan Xiao,Henri J. Lezec,Amit Agrawal,Wei Zhou
出处
期刊:Nanoscale [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:14 (41): 15373-15383 被引量:5
标识
DOI:10.1039/d2nr03820j
摘要

In situ spatiotemporal characterization of correlated bioelectrical and biochemical processes in living multicellular systems remains a formidable challenge but can offer crucial opportunities in biology and medicine. A promising approach is to develop bio-interfaced multifunctional micro-/nano-sensor arrays with complementary biophotonic-bioelectronic modalities and biomimetic topology to achieve combined bioelectrical and biochemical detection and tight device-cell coupling. However, a system-level engineering strategy is still missing to create multifunctional micro-/nano-sensor arrays that meet the multifaceted design requirements for in situ spatiotemporal characterizations of living systems. Here, we demonstrate a hierarchical modular design and fabrication approach to develop scalable two-tier protruding micro-/nano-optoelectrode arrays that extend the design space of biomimetic micro-/nano-pillar topology, plasmonic nanoantenna-based biophotonic function in surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), and micro-/nano-electrode-based bioelectronics function in electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Notably, two-tier protruding micro-/nano-optoelectrode arrays composed of nanolaminate nanoantenna arrays on top of micropillar electrode arrays can support plasmonic nanocavity modes with high SERS enhancement factors (≈106) and large surface-to-volume ratio with significantly reduced interfacial impedance in EIS measurements. We envision that scalable two-tier protruding micro-/nano-optoelectrode arrays can potentially serve as bio-interfaced multifunctional micro-/nano-sensor arrays for in situ correlated spatiotemporal bioelectrical-biochemical measurements of living multicellular systems such as neuronal network cultures, cancerous organoids, and microbial biofilms.

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