微電極及其傳感應用ppt課件

1、微電極及其傳感應用: 微電極是電分析化學的一門新技術(shù)。微電極也稱超微電極，通常是指其一維尺寸小于100m ，或者小于擴散層厚度的電極。實驗表明，當電極的尺寸從毫米級降至微米或納米級時，它呈現(xiàn)出許多不同于常規(guī)電極的特點，如：: （1電極表面的液相傳質(zhì)速率加快，以致建立穩(wěn)態(tài)所需的時間大為縮短，提高了測量響應速度； （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)濃度甚至無支持電解質(zhì)溶液的伏安測量中，可以不考慮歐姆電位降的補償；: （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

2、微電極幾乎是無損傷 測試，可以應用于生物活體及單細胞分析。:微電極的基本電化學性質(zhì)歸納起來主要有以下幾個方面：1.容易達到穩(wěn)態(tài)電流2.微電極的時間常數(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及電分析化學中顯示了廣闊的應用前景。隨著電化學及微系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，微電極在生物電化學，能源電化學，光譜電化學，毛細管電泳-電化學檢測系統(tǒng)，生命科學及所涉及的相關(guān)學科如生物學，細胞生物學，免疫學，環(huán)境分析與監(jiān)測等各個領域被廣泛使用。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

3、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到納米級。在近年來發(fā)展起來的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等有機大分子進行測定、還可以對痕量金屬離子進行測定，測定數(shù)量可達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，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。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，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

4、微圓盤電極和微流動電微帶電極，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，納米級圓盤極，組和式電極，納米級圓盤-圓柱電極。圓柱電極。根據(jù)電極的尺寸又可將電極分為常規(guī)電極、微電極、和超根據(jù)電極的尺寸又可將電極分為常規(guī)電極、微電極、和超微電極。超微電極是指電極尺寸為微電極。超微電極是指電極尺寸為10-4cm或或10-7cm的一類的一類電極。超微電極具有常規(guī)電極無法比擬的優(yōu)良電化學特性，電極。超微電極具有常規(guī)電極無法比擬的優(yōu)良電化學特性，已成為電化學研究中最有發(fā)展前景的一個重要分支。已成為電化學研究中最有發(fā)展前景的一個重要分支。:微電極的制作 微電極的制備直接影響著電化學分析測試的分辨率

5、、靈敏性、準確性和可重復性，從而制約和限制著超微電極電化學學科領域的發(fā)展。關(guān)于超微電極的具體制備方法在專著和文獻中已有報道。為此著重介紹目前實驗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修飾。: 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、膠粘法兩種進行制備。組合式超微圓盤電極的制備直接運用了膠粘法，包括兩個步驟:1.將鉑、金、碳的超微金屬絲仔細地等距排列在絕緣體表面，并用環(huán)氧樹脂等粘合劑進行固定并膠合；2.待固化后，一端進行研磨、機械拋光處理以作電極表面，另一端用金屬導線利用銀導電膠聯(lián)接引出。超微盤電極超微盤電極: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

6、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、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管，露出電極尖端，在煤氣燈下將毛細管尖端燒融使碳纖維密封于毛細管內(nèi)，將碳纖維在煤氣燈上繼續(xù)進行火焰蝕刻，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上，不僅獲得了n倍單一超微電極的電流強度(n為電極數(shù)目)，而且保持著單一超微電極的優(yōu)良特性。當前陣列電極的制備技術(shù)主要有模板法、光刻法兩種。模板法又可分為電沉積法和化學鍍(非電鍍)法，即分別采用電沉積和化學鍍的方法在模板上獲得特定納米結(jié)構(gòu)材料

7、。超微陣列電極超微陣列電極: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。:光刻法作為一種現(xiàn)代的電極制備技術(shù)，表現(xiàn)出廣闊的應用前景，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

8、(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)，并進一步將表面積0.54mm2的Ir電極和由5個直徑5m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用傳感器英文名稱：傳感器英文名稱：transducer/sensor是一是一種檢測裝置，能讀取測量物的信息，并能將種檢測裝置，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，而能夠滿足這些要者其他形式的信息輸出，而能夠滿足

9、這些要求，如信息的傳輸、處置、存儲、顯示、記求，如信息的傳輸、處置、存儲、顯示、記錄和控制等。另外，它是實現(xiàn)自動檢測和自錄和控制等。另外，它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的主要環(huán)節(jié)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，它基于半導體工藝技術(shù)的器件，應用的是新的工作機制和物化效應，采用的材料與標準半導體工藝兼容的，采用微細加工技術(shù)制備。微傳感器特點是微型化、易集成、智能化、低功耗。:微電極在生物傳感微電極在生物傳感 技術(shù)中中應用技術(shù)中中應用Vivier等用等用Nafion薄膜修飾填滿薄膜修飾填滿MnO2粉末的粉末的空穴微電極空穴微電極(Nafion / MnO2/ME)制備成電位型制備

10、成電位型pH傳感器，研究了它在酸、堿性溶液中的電傳感器，研究了它在酸、堿性溶液中的電位位-pH響應，曲線斜率接近響應，曲線斜率接近60mVpH-1；在；在pH=212范圍內(nèi)對范圍內(nèi)對H+有能斯特響應，且響應有能斯特響應，且響應時間短、選擇性高。電化學生物傳感器是以時間短、選擇性高。電化學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。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)外表，再以辣根過氧化酶(HRP)為酶底，研制

11、了對安培檢測H2O2具有較好電催化還原響應的生物傳感器，對H2O2檢出限為0.35mol/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)生物傳感器,靈敏度達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)皮細胞(HUVEC)進行了測試，其阻抗分布在12.5kHz500kHz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用及其在葡萄糖

12、傳感器中的應用:聚苯胺的表征聚苯胺的表征:納米鉑摻雜聚苯胺薄膜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行能譜分析對摻雜修飾過的聚苯胺薄膜進行能譜分析:納米鉑摻雜聚苯胺薄膜的電化學納米鉑摻雜聚苯胺薄膜的電化學CV表征表征為方便起見,在此節(jié)將-0.62V電壓下電化學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電壓下電化學摻雜鉑顆粒聚苯胺薄膜SEM圖像稱為C型薄膜。在PBS標準溶液中對這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

13、內(nèi)迅速達到穩(wěn)定。與之相對應的,A、C兩種類型薄膜達到穩(wěn)定均需要大于30圈CV掃描的時間。該結(jié)果說明B類型薄膜具有較好的電化學穩(wěn)定性。:納米鉑摻雜聚苯胺薄膜形貌改變機理研究納米鉑摻雜聚苯胺薄膜形貌改變機理研究從圖3.4-圖3.6,可以看出在這3個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電位進行恒電位納米鉑顆粒摻雜實驗。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700-800nm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。:電化學循環(huán)伏安法電化學循環(huán)伏安法(cyclic voltammetry, C