微電極及其傳感應(yīng)用

1、微電極及其傳感應(yīng)用,,微電極是電分析化學(xué)的一門新技術(shù)。微電極也稱超微電極，通常是指其一維尺寸小于100μm ，或者小于擴(kuò)散層厚度的電極。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)電極的尺寸從毫米級降至微米或納米級時(shí)，它呈現(xiàn)出許多不同于常規(guī)電極的特點(diǎn)，如：,（1）電極表面的液相傳質(zhì)速率加快，以致建立穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間大為縮短，提高了測量響應(yīng)速度；（2）微電極上通過的電流很小，為納安（nA）或皮安（pA）級，體系的iR降很小，在高阻抗體系（包括低支持電解質(zhì)濃度甚至無支持

2、電解質(zhì)溶液）的伏安測量中，可以不考慮歐姆電位降的補(bǔ)償；,（3）微電極上的穩(wěn)態(tài)電流密度與電極尺寸成反比，而充電電流密度與其無關(guān)，這有助于降低充電 電流的干擾，提高測定靈敏度；（4）微電極幾乎是無損傷 測試，可以應(yīng)用于生物活體及單細(xì)胞分析。,微電極的基本電化學(xué)性質(zhì)歸納起來主要有以下幾個(gè)方面：1.容易達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流2.微電極的時(shí)間常數(shù)很小3.適用高阻抗溶液體系,微電極是60年代發(fā)展起來的并在電化學(xué)及電分析化學(xué)中顯示了廣闊的應(yīng)用前景。隨

3、著電化學(xué)及微系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，微電極在生物電化學(xué)，能源電化學(xué)，光譜電化學(xué)，毛細(xì)管電泳-電化學(xué)檢測系統(tǒng)，生命科學(xué)及所涉及的相關(guān)學(xué)科如生物學(xué)，細(xì)胞生物學(xué)，免疫學(xué)，環(huán)境分析與監(jiān)測等各個(gè)領(lǐng)域被廣泛使用。尤其是在新興的納米技術(shù)和基因工程中占有很重要的地位。,微電極的類型,隨著納米技術(shù)、微系統(tǒng)及機(jī)械加工技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，使制造微小電極成為可能。目前研制的微電極已由微米級向納米級發(fā)展，微系統(tǒng)中所用的微電極已可達(dá)到納米級。在近年來發(fā)展起來的

4、基因工程和納米技術(shù)中，微電極所起的作用至關(guān)重要?？梢詫NA等有機(jī)大分子進(jìn)行測定、還可以對痕量金屬離子進(jìn)行測定，測定數(shù)量可達(dá)20余種。,根據(jù)微電極的制作材料可將微電極分為碳纖維微電極，鉑微電極，銅微電極，鎢微電極，金微電極，銥微電極，銀微電極，粉末微電極。根據(jù)微電極的形狀還可將微電極分為微柱電極，微盤電極，微帶電極，微刷電極，微束盤電極微圓盤電極和微流動電極，組和式電極，納米級圓盤-圓柱電極。根據(jù)電極的尺寸又可將電極分為常規(guī)電極

5、、微電極、和超微電極。超微電極是指電極尺寸為10-4cm或10-7cm的一類電極。超微電極具有常規(guī)電極無法比擬的優(yōu)良電化學(xué)特性，已成為電化學(xué)研究中最有發(fā)展前景的一個(gè)重要分支。,微電極的制作,微電極的制備直接影響著電化學(xué)分析測試的分辨率、靈敏性、準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，從而制約和限制著超微電極電化學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展。關(guān)于超微電極的具體制備方法在專著和文獻(xiàn)中已有報(bào)道。為此著重介紹目前實(shí)驗(yàn)室中常用的超微圓盤電極、超微陣列電極兩類的制備及其化學(xué)修飾。,

6、超微圓盤電極的構(gòu)造和制備較其它超微電極相對簡單，早期采用熔焊法、膠粘法兩種進(jìn)行制備。組合式超微圓盤電極的制備直接運(yùn)用了膠粘法，包括兩個(gè)步驟:1.將鉑、金、碳的超微金屬絲仔細(xì)地等距排列在絕緣體表面，并用環(huán)氧樹脂等粘合劑進(jìn)行固定并膠合；2.待固化后，一端進(jìn)行研磨、機(jī)械拋光處理以作電極表面，另一端用金屬導(dǎo)線利用銀導(dǎo)電膠聯(lián)接引出。,超微盤電極,隨著技術(shù)的發(fā)展，微盤電極的制備中出現(xiàn)了等離子轟擊法和刻蝕-涂層法。超微碳纖維圓盤電極的制備則結(jié)合了熔焊

7、、膠粘和刻蝕三種技術(shù)。常把超微碳纖維與銅絲焊接,用環(huán)氧樹脂粘合劑封入玻璃毛細(xì)管，露出電極尖端，在煤氣燈下將毛細(xì)管尖端燒融使碳纖維密封于毛細(xì)管內(nèi)，將碳纖維在煤氣燈上繼續(xù)進(jìn)行火焰蝕刻，制得圖1所示的超微碳纖維圓盤電極。,超微陣列電極是指由多個(gè)單超微電極組合形成集合電極，在降低信噪比、提高測量靈敏度的基礎(chǔ)上，不僅獲得了n倍單一超微電極的電流強(qiáng)度(n為電極數(shù)目)，而且保持著單一超微電極的優(yōu)良特性。當(dāng)前陣列電極的制備技術(shù)主要有模板法、光刻法兩種。

8、模板法又可分為電沉積法和化學(xué)鍍(非電鍍)法，即分別采用電沉積和化學(xué)鍍的方法在模板上獲得特定納米結(jié)構(gòu)材料。,超微陣列電極,納米微陣列電極作為陣列電極研究中的新發(fā)展，孫冬梅等通過電沉積納米Pt粒子于多孔氧化鋁基板上，制備出了納米陣列鉑電極。Orozco等通過在超微金電極陣列(UMEAs)上電沉積納米Au粒子(GNPs)，再以自組裝(SAM)形式將辣根過氧化物酶(HRP)固定于沉積后的電極表面，成功研制出納米超微陣列金電極傳感器。,光刻法

9、作為一種現(xiàn)代的電極制備技術(shù)，表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，可以利用它在一定基底上沉積出圖形化的金剛石薄膜，制備出摻硼金剛石超微陣列電極(D-UMEAs)，其具體的制備步驟(如圖2所示),此外， Berdondini等用幾乎同樣的方法成功制備出了高密度Pt微電極陣列(HD-MEAs)，如圖3所示。,Fierro等也以相同的思路研制出了二氧化銥(IrO2)微電極陣列(TOIROF-MEAs)，并進(jìn)一步將表面積0.54mm2的Ir電極和由5個(gè)直徑5μ

10、m的微盤電極組成的TOIROF-MEAs整合，制作成了橫截面積2.4x6.0mm2的銥微型芯片。,微電極在傳感器中的應(yīng)用,傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測裝置，能讀取測量物的信息，并能將讀出的信息，以一定規(guī)律的變換成電信號或者其他形式的信息輸出，而能夠滿足這些要求，如信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等。另外，它是實(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的主要環(huán)節(jié).,而微傳感器是發(fā)展起來的新一代傳感器，它基于半導(dǎo)體工

11、藝技術(shù)的器件，應(yīng)用的是新的工作機(jī)制和物化效應(yīng)，采用的材料與標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝兼容的，采用微細(xì)加工技術(shù)制備。微傳感器特點(diǎn)是微型化、易集成、智能化、低功耗。,微電極在生物傳感 技術(shù)中中應(yīng)用Vivier等用Nafion薄膜修飾填滿MnO2粉末的空穴微電極(Nafion / MnO2/ME)制備成電位型pH傳感器，研究了它在酸、堿性溶液中的電位-pH響應(yīng)，曲線斜率接近60mV?pH-1；在pH=2~12范圍內(nèi)對H+有能斯特響應(yīng)，且響應(yīng)時(shí)間短、選擇

12、性高。電化學(xué)生物傳感器是以生物活性物質(zhì)為傳感基元、以工作電極為信號轉(zhuǎn)換器，以電勢、電流或阻抗等為特征檢測信號的生物傳感器。,Wu等將Pt納米粒子修飾到超微碳纖維電極(Pt/CFUME)表面，再以辣根過氧化酶(HRP)為酶底，研制了對安培檢測H2O2具有較好電催化還原響應(yīng)的生物傳感器，對H2O2檢出限為0.35μmol/L(S/N=3)。,Zhu等通過電聚合制備了基于多層叉指型超微陣列電極的吡咯-葡萄糖氧化酶(PPy /GOx)生物傳感

13、器,靈敏度達(dá)13.4nA /(mmol /L)。,Rahman等研制了新型徑向微陣列電極生物傳感器，對直接培養(yǎng)在微陣列電極表面的人體臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVEC)進(jìn)行了測試，其阻抗分布在12.5kHz~500kHz高頻范圍內(nèi)，得到電動共振頻率和共振電容值分別為52.5 kHz和25F /cm2。,納米鉑修飾的聚苯胺薄膜基底研究及其在葡萄糖傳感器中的應(yīng)用,聚苯胺的表征,納米鉑摻雜聚苯胺薄膜的表征,對摻雜修飾過的聚苯胺薄膜進(jìn)行能譜分析,納米

14、鉑摻雜聚苯胺薄膜的電化學(xué)CV表征,為方便起見,在此節(jié)將-0.62V電壓下電化學(xué)摻雜鉑顆粒聚苯胺薄膜SEM圖像稱為A型薄膜;將-IV電壓下電化學(xué)摻雜鉑顆粒聚苯胺薄膜SEM圖像稱為B型薄膜;將-1.573V電壓下電化學(xué)摻雜鉑顆粒聚苯胺薄膜SEM圖像稱為C型薄膜。在PBS標(biāo)準(zhǔn)溶液中對這3種不同類型的薄膜以10mV/S的速率在0-1V范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)伏安掃描。所得結(jié)果如圖3.8所示,B類型薄膜在掃描7圈內(nèi)迅速達(dá)到穩(wěn)定。與之相對應(yīng)的,A、C兩種類型

15、薄膜達(dá)到穩(wěn)定均需要大于30圈CV掃描的時(shí)間。該結(jié)果說明B類型薄膜具有較好的電化學(xué)穩(wěn)定性。,納米鉑摻雜聚苯胺薄膜形貌改變機(jī)理研究,從圖3.4-圖3.6,可以看出在這3個(gè)特定電壓下能夠形成具有不同形貌的納米鉑修飾聚苯胺纖維薄膜。針對這一現(xiàn)象,分別在-0.8V電位以及-1.2V以及-1.7V電位進(jìn)行恒電位納米鉑顆粒摻雜實(shí)驗(yàn)。所得結(jié)杲如圖3.9、3.10、3.11所示。根據(jù)圖3.9,可以看出在聚苯胺表面已經(jīng)形成了明顯的球型Pt顆粒,并且直徑在7

16、00-800nm之間,尺寸較大,數(shù)量較少。根據(jù)圖3.10,可以看出大量的聚苯胺纖維被覆蓋在Pt沉積層之下,僅有少量的空隙可以看見之下的聚苯胺纖維。根據(jù)圖3.11,可以看出大量的Pt沉積在聚苯胺表面,并且Pt沉積層中間存在較明顯的裂縫。,電化學(xué)循環(huán)伏安法(cyclic voltammetry, CV )對不同基底材料制備的葡萄糖氧化酶傳感器特性進(jìn)行表征和比對,設(shè)定電壓0.6V,對A、B、C型納米鉑摻雜聚苯胺薄膜葡萄糖傳感器進(jìn)行葡萄糖濃度測