三維立體結(jié)構(gòu)微納電極研究

1、三維立體結(jié)構(gòu)微納電極研究         11-04-22 13:38:00     編輯：studa20               作者：孫楫舟 夏善紅 邊超 佟建華 張虹 董漢鵬 陳慶永【摘要】  基于體硅加工工藝和納米材料技術(shù)，研制微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)尺度敏感微結(jié)構(gòu)與納米鉑顆粒的復(fù)合結(jié)構(gòu)，提高微電極電化學(xué)性能，制備具有

2、三維立體微結(jié)構(gòu)的安培型微電極傳感器。利用硅的各向異性濕法腐蝕技術(shù)在毫米級的工作電極表面實(shí)現(xiàn)微米級的錐體形微池陣列，以H2O2為檢測對象考察立體電極結(jié)構(gòu)對傳感器性能的改進(jìn)效果，實(shí)驗(yàn)證明，立體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使傳感器具有更低的檢出限(8 mol/L)及更高的靈敏度(在 0200 mol/L濃度范圍內(nèi)檢測靈敏度提高約85%)，且具有較好的線性和重復(fù)性。利用電化學(xué)方法在電極表面沉積鉑黑，通過微觀形貌分析和電化學(xué)特性考察，比較了在平面微電極和立體微電極上修飾納米材料的效果。立體結(jié)構(gòu)為電沉積鉑納米顆粒提供了更為理想的微環(huán)境，改善了納米材料修飾的效果;立體結(jié)構(gòu)微電極與納米顆粒的尺寸效應(yīng)相結(jié)合，進(jìn)一步提高了電極的催

3、化效率和電化學(xué)特性。 【關(guān)鍵詞】  安培型微傳感器; 微電機(jī)系統(tǒng);三維立體結(jié)構(gòu);微納電極1 引 言微型化是未來新一代傳感器的重要發(fā)展趨勢之一，而作為安培型生物傳感器的信號換能器，電極系統(tǒng)的微型化及微電極的設(shè)計(jì)和制備是安培型生化傳感器研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)1,2。通過電極結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和納米材料的表面修飾研究，對提高微電極芯片及微傳感器的電化學(xué)檢測性能有重要意義。本研究以毫米尺度的微電極系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用硅作為基底材料，利用體硅微加工技術(shù)，在原有平面工作電極表面區(qū)域制備具有微米尺度的錐體形三維立體結(jié)構(gòu)微池陣列。用立體結(jié)構(gòu)表面(側(cè)面)面積代替原有區(qū)域的平面面積，在增加空間深度的同時增加了電極表面的有效

4、面積，從而提高傳感器的響應(yīng)特性。與其它三維立體結(jié)構(gòu)電極制備方法相比37，該方法利用標(biāo)準(zhǔn)微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)工藝制備，所實(shí)現(xiàn)的三維結(jié)構(gòu)便于利用鉑或金的濺射工藝形成更為有效的電極表面，應(yīng)用于電化學(xué)檢測。此外，此立體結(jié)構(gòu)微電極傳感器易于批量化加工，適于陣列化、集成化，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的一致性和重復(fù)性，有助于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)(SOC)，且成本低廉。對平面微電極傳感器與立體結(jié)構(gòu)微電極傳感器的性能進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了立體電極結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新對傳感器性能的改進(jìn)效果。鉑黑(Platinum black)是納米級的金屬鉑顆粒，是用于表面修飾的重要納米材料之一8,9。選取鉑黑對微電極表面進(jìn)行修飾，通過掃描電子顯微鏡(SE

5、M)觀察修飾鉑黑后的工作電極表面，并結(jié)合電化學(xué)分析儀考察微電極表面的電化學(xué)特性，比較了平面與立體兩種結(jié)構(gòu)的微電極修飾納米材料的效果。立體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所帶來的電極表面有效面積的擴(kuò)大和結(jié)構(gòu)上的“豐富”，也為在電極表面修飾納米材料提供了更為理想的環(huán)境。這種微米級的立體結(jié)構(gòu)與納米級的修飾材料的結(jié)合使得傳感器性能得到進(jìn)一步提高，且改善效果更為理想。2 實(shí)驗(yàn)部分2.1 電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖1為立體結(jié)構(gòu)微電極芯片結(jié)構(gòu)示意圖。工作電極表面是主要的修飾和反應(yīng)界面，直接影響傳感器檢測性能。立體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制備主要是在工作電極表面完成，通過增大工作電極表面積提高傳感器的響應(yīng)特性。在圓形工作電極(面積1 mm2)區(qū)域，通過硅

6、濕法腐蝕工藝在硅基片(100)晶向)表面向下加工出具有正方形開口的錐體形微池結(jié)構(gòu)。為最大限度增大電極的表面積，設(shè)計(jì)陣列式微池結(jié)構(gòu)，使微池陣列盡可能布滿工作電極(圖1b)。工作電極表面是由平面部分和立體斜面陣列組成的三維立體結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)表面有效面積增大。利用掃描電子顯微鏡(SEM)對工作電極表面微池陣列進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表面形貌分析(圖1c)。每個微池尺寸約50 m，微池陣列結(jié)構(gòu)清晰、完好。2.2 立體結(jié)構(gòu)電極的制備圖2為基于各向異性濕法腐蝕工藝實(shí)現(xiàn)的三維立體結(jié)構(gòu)電極的工藝流程圖。其中濕法腐蝕過程是在85 下的KOH溶液中完成。2.3 微電極性能檢測H2O2是血糖檢測和酶聯(lián)免疫檢測中的重要檢測指標(biāo)物

7、10。為了研究三維立體結(jié)構(gòu)微電極在提高電極的電流響應(yīng)特性方面的作用，本實(shí)驗(yàn)中選擇0.3 V為工作電位，通過計(jì)時電流法檢測H2O2濃度，考察并比較平面電極和立體錐體形微池陣列結(jié)構(gòu)電極的電流響應(yīng)信號。2.4 鉑黑修飾原理與方法利用電化學(xué)沉積方法將鉑黑積聚在微電極表面上，提高微電極表面有效面積，使阻抗至少降低兩個數(shù)量級，既降低了約翰遜噪聲，又在空間上保持了信號記錄點(diǎn)的位置11。本實(shí)驗(yàn)采用恒壓法，通過電解氯鉑酸(H2PtCl6)，使鉑黑沉積在工作電極表面，反應(yīng)方程式如下：PtCl2-6+2e-PtCl2-4 +2Cl-(1)PtCl2-4+2e-Pt+4Cl-(2)PtCl2-6+4e-Pt+6Cl-(3)具體修飾過程如下：清潔工作電極表面;在工作電極上設(shè)置恒電位-0.1 V(vs. SCE)，采用恒壓法在0.3%氯