三维立体结构微纳电极研究论文

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1、三维立体结构微纳电极研究论文孙楫舟夏善红边超佟建华张虹董汉鹏陈庆永【摘要】基于体硅加工工艺和纳米材料技术，研制微电机系统(MEMS)尺度敏感微结构与纳米铂颗粒的复合结构，提高微电极电化学性能，制备具有三维立体微结构的安培型微电极传感器。利用硅的各向异性湿法腐蚀技术在毫米级的工作电极表面实现微米级的锥体形微池阵列，以H2O2为检测对象考察立体电极结构对传感器性能的改进效果，实验证明，立体结构的设计使传感器具有更低的检出限(8μmol/L)及更高的灵敏度(在0～200μmol/L浓度范围内检测灵敏度提高约85%)，且具有较好的线性和重复性。利用电化学方

2、法在电极表面沉积铂黑.freelblack)是纳米级的金属铂颗粒，是用于表面修饰的重要纳米材料之一8,9。选取铂黑对微电极表面进行修饰，通过扫描电子显微镜(SEM)观察修饰铂黑后的工作电极表面，并结合电化学分析仪考察微电极表面的电化学特性，比较了平面与立体两种结构的微电极修饰纳米材料的效果。立体结构设计所带来的电极表面有效面积的扩大和结构上的“丰富”，也为在电极表面修饰纳米材料提供了更为理想的环境。这种微米级的立体结构与纳米级的修饰材料的结合使得传感器性能得到进一步提高，且改善效果更为理想。2实验部分2.1电极结构的设计图1为立体结构微电极芯片结构

3、示意图。工作电极表面是主要的修饰和反应界面，直接影响传感器检测性能。立体结构的设计和制备主要是在工作电极表面完成，通过增大工作电极表面积提高传感器的响应特性。在圆形工作电极(面积1mm2)区域，通过硅湿法腐蚀工艺在硅基片((100)晶向)表面向下加工出具有正方形开口的锥体形微池结构。为最大限度增大电极的表面积，设计阵列式微池结构，使微池阵列尽可能布满工作电极(图1b)。工作电极表面是由平面部分和立体斜面阵列组成的三维立体结构，从而实现表面有效面积增大。利用扫描电子显微镜(SEM)对工作电极表面微池阵列进行微观结构表面形貌分析(图1c)。每个微池尺寸

4、约50μm，微池阵列结构清晰、完好。2.2立体结构电极的制备图2为基于各向异性湿法腐蚀工艺实现的三维立体结构电极的工艺流程图。其中湿法腐蚀过程是在85℃下的KOH溶液中完成。2.3微电极性能检测H2O2是血糖检测和酶联免疫检测中的重要检测指标物10。为了研究三维立体结构微电极在提高电极的电流响应特性方面的作用，本实验中选择0.3V为工作电位，通过计时电流法检测H2O2浓度，考察并比较平面电极和立体锥体形微池阵列结构电极的电流响应信号。2.4铂黑修饰原理与方法利用电化学沉积方法将铂黑积聚在微电极表面上，提高微电极表面有效面积，使阻抗至少降低两个数量级

5、，既降低了约翰逊噪声，又在空间上保持了信号记录点的位置11。本实验采用恒压法，通过电解氯铂酸(H2PtCl6)，使铂黑沉积在工作电极表面，反应方程式如下：PtⅣCl2-6+2e-PtⅡCl2-4+2Cl-(1)PtⅡCl2-4+2e-Pt+4Cl-(2)PtⅣCl2-6+4e-Pt+6Cl-(3)具体修饰过程如下：清洁工作电极表面;在工作电极上设置恒电位-0.1V(vs.SCE)，采用恒压法在0.3%氯铂酸溶液(含0.02%醋酸铅，用于防止铂黑中毒，延长铂黑使用寿命12)中沉积10min。实验发现，工作电极表面迅速被铂黑覆盖;清洗电极表面，将铂黑电

6、极保存在去离子水中备用。3结果与讨论3.1立体结构电极电化学检测性能研究3.1.1电流响应特性图3所示为平面微电极与立体结构微电极的电流响应与H2O2浓度(0～10mmol/L)的关系曲线。相比于平面电极(曲线2)，利用锥体形微池阵列结构电极(曲线1)检测H2O2时，传感器具有更高的电流响应值和灵敏度。图3电流响应与H2O2浓度的关系曲线Fig.3CurrentresponseforH2O2concentration1.立体结构电极(3Delectrode);2.平面电极(Planarelectrode)。在0～200μmol/L范围内检测H2O2

7、浓度时：立体结构电极的检测灵敏度为0.211nA/(μmol/L)，检出限为8μmol/L(S/N≥3);平面电极的检测灵敏度为0.114nA/(μmol/L)，检出限为1.6μmol/L(S/N≥3)。与平面电极相比，立体结构电极在低浓度范围内检测H2O2的检测灵敏度提高约85%，而且具有更低的检出限。其原因是：立体电极的有效面积大;立体结构深入待测样品溶液内部，这种空间上的深入使得样品中待测物更容易扩散到电极表面区域参加反应完成检测。微池结构对于电极表面可以起到一定的保护作用，减少来自工作电极区域以外的干扰。3.1.2立体结构电极检测的重复性考

8、察立体结构电极的稳态响应电流的重复性。用同一锥体形微池阵列结构电极对0.1mmol/LH2O2溶液连续测定5次，测量结果为