集成化金膜陣列電極的制作研究

彭亞鴿

(寧夏大學 化學化工學院，寧夏 銀川 750021)

陣列電極是組裝陣列電化學生物傳感器的基礎(chǔ)電極，其設(shè)計和制作是成功構(gòu)建陣列電化學生物傳感器的基礎(chǔ)。近幾年，以陣列電極作為基礎(chǔ)電極設(shè)計和制作用于單組分或多組分同時檢測的生物傳感器已在環(huán)境分析［1－2］、食品分析［3－4］、臨床檢測［5－6］、小分子檢測［7－8］、免疫分析［9－11］、DNA 分析［12－13］、RNA 分析［14］和適體傳感器［15－16］等領(lǐng)域得到了廣泛應用。陣列電極制作技術(shù)是陣列電極研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。陣列電極的制作方法主要有機械法、模板法、刻蝕法和自組裝法。不同形狀、不同數(shù)目、不同尺寸、不同排列方式和不同材料的陣列電極均可采用這4種方法。其中刻蝕法是大規(guī)模批量生產(chǎn)規(guī)則有序陣列電極的最好方法。目前，平面陣列電極主要是采用X射線或電子束法刻蝕硅片或鉻板獲得陣列電極掩膜版，然后在襯底(玻璃、石英或高聚物等)上涂一層光刻膠，通過光刻將掩膜版上的電極圖案轉(zhuǎn)移到襯底上，最后通過濺射、蒸鍍等方法將所需要的電極材料沉積在襯底上，刻蝕除去光刻膠制作陣列電極。該方法可控性好、精密度高、可制作微米甚至納米尺度陣列電極，但其制作程序復雜、造價昂貴、需要特殊儀器，而且通過刻蝕除去光刻膠的條件難以掌握，控制不當將直接影響陣列電極的重現(xiàn)性和成功率，從而影響陣列電極在一般實驗室的制作和應用。因此，建立制作方法簡單、成本相對較低的陣列電極具有重要意義。

本研究利用簡便、低廉的聚乙烯不干膠掩膜版法結(jié)合金屬濺射沉積技術(shù)，在FR－4玻璃纖維版上制作了由6個金膜工作電極、1個大面積金膜對電極和1個厚膜Ag/AgCl參比電極構(gòu)成的集成化金膜陣列電極系統(tǒng)。并利用電化學方法對制作的陣列電極系統(tǒng)進行了表征。

1 實驗部分

1.1 儀器與材料

電化學系統(tǒng)為CHI 1030多通道電化學工作站(上海辰華儀器公司)。實驗采用自制的集成化六陣列電極系統(tǒng)，6個面積2.0 mm2的金膜電極(工作電極之間相距1.0 mm)作為工作電極，面積為25 mm2金膜電極作為對電極，厚膜Ag/AgCl電極作為參比電極。所有電化學實驗均使用CHI 1030多通道電化學工作站。所有電位均以該參比電極電位為標準。CHI 900電化學工作站(CH Instruments.Austin.TX.，美國)，SCD 005濺射噴涂儀(荷蘭FEI)，MIMAKI CG－60st刻字機(日本Mimaki公司)。

金靶(中國科學院金屬研究所，純度99.9%);埃其森ED427SS銀漿、寶龍POLU－PN絕緣油墨和聚乙烯薄膜不干膠(沈陽市凱樂福印刷物資有限公司);FR－4玻璃纖維版(西安西電電工材料有限責任公司)。

20 mmol/L Tris－HCl緩沖溶液含有1.0 mol/L NaCl和5.0 mmol/L MgCl2(pH 7.4)，用該緩沖溶液配成 5.0 mmol/L K3［Fe(CN)6］檢測溶液。

1.2 集成化金膜陣列電極制作

采用聚乙烯薄膜不干膠粘貼掩蓋和金屬濺射沉積技術(shù)制作集成化帶狀陣列電極系統(tǒng)，詳細結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個制作程序包括4個步驟:

圖1 陣列金電極示意圖Fig.1 Schematic diagram of the gold electrode array

①聚乙烯薄膜不干膠掩膜版的設(shè)計和制作。利用Coreldraw 12畫出如圖1所示的六陣列電極系統(tǒng)圖案，然后將其通過Mimaki CG－60st刻字機轉(zhuǎn)移到0.1 mm厚的聚乙烯薄膜不干膠上，即獲得制作陣列電極的掩膜版;

②金膜的形成。將刻有圖1所示陣列電極圖案的聚乙烯薄膜不干膠掩膜版貼在處理干凈的 FR－4玻璃纖維版襯底上，通過鏤空覆蓋的方式在襯底上形成帶狀陣列電極圖案，然后利用安裝金靶的SCD 005濺射噴涂儀在其表面噴涂一層約100 nm厚的金，撕去聚乙烯薄膜不干膠掩膜版，即獲得帶狀陣列電極系統(tǒng)。為了提高金膜和FR－4玻璃纖維版襯底之間的粘附力，將整個陣列電極置于120℃下退火處理2 h;

③厚膜Ag/AgCl參比電極制作。在陣列電極的金膜參比電極位置處均勻涂抹一層銀膠，烘干后，在銀表面滴20 μL 0.10 mol/L FeCl3溶液，利用FeCl3和銀之間的氧化還原作用，在銀表面形成一層氯化銀，1 h后蒸餾水沖洗，除去FeCl3溶液，空氣中晾干，即得到厚膜Ag/AgCl參比電極;

④絕緣。利用絕緣油墨對除工作電極、對電極、參比電極以及導線連接點之外的所有區(qū)域進行絕緣。

通過以上4步獲得金膜陣列電極。

2 結(jié)果與討論

2.1 陣列電極的設(shè)計與制作

2.1.1 掩膜版的設(shè)計與制作 用刻字機將通過Coreldraw設(shè)計的陣列電極圖案轉(zhuǎn)移到聚乙烯薄膜不干膠上，批量獲取一次性陣列電極掩膜版。Mimaki CG－60st刻字機以Coreldraw矢量軟件輸出陣列電極圖案，可以在700 mm范圍，以400 mm/s速度在最大厚度為0.5 mm的薄膜不干膠、熒光片、橡膠等材料上雕刻陣列電極圖案，其機械分辨率為0.005 mm，命令分辨率為0.025 mm。因此使用 Mimaki CG－60st刻字機可快速、方便地在多種材質(zhì)上批量獲取構(gòu)造比較簡單的帶狀、方形和圓形一次性陣列電極掩膜版，價格非常便宜。將聚乙烯薄膜不干膠掩膜版粘貼在襯底上，通過鏤空/覆蓋的模式快速將陣列電極圖案轉(zhuǎn)移到襯底上，噴涂金以后，撕去不干膠，即得到陣列電極。本文采用的掩膜版制作方法快速、簡便、價格便宜，能夠批量獲取尺寸均一、重現(xiàn)性好的陣列電極掩膜版。

2.1.2 襯底選擇 陣列電極襯底有硅片、玻璃和環(huán)氧樹脂等。硅片表面平整度好，是制作陣列電極的首選襯底，但其易碎，不方便操作，而且價格昂貴;玻璃具有較好的表面平整度，但直接在玻璃表面濺射的金膜非常容易脫落。FR－4玻璃纖維版具有較高的機械性能、介電性能、較好的耐熱性和耐潮性，其表面平整，且與濺射的金膜之間具有較高的粘合力，即使在沒有粘合金屬層的情況下結(jié)合也非常牢固，所以本文選用FR－4玻璃纖維版作為陣列電極襯底。

2.1.3 陣列電極設(shè)計 陣列電極的詳細構(gòu)造如圖1所示。絕緣后，每個工作電極尺寸為2 mm×1 mm，考慮到對電極面積應大于工作電極面積，以面積為26 mm2的金膜電極作為對電極，厚膜Ag/AgCl電極作為參比電極，由于PCB連接器每個連接點中心距離為2.54 mm，所以設(shè)計每個連接點中心與中心距離2.54 mm，以便和PCB連接器連接。由于噴涂獲得的金膜厚度僅有100 nm，所以在每個連接點上涂一層銀膠以增加連接點的使用壽命。

采用的陣列電極制作方法具有制作程序簡單、快速、制作低廉等特點，制作一片集成化六陣列聚乙烯薄膜電極約需要3.0元。

2.2 集成化陣列電極系統(tǒng)的電化學表征

2.2.1 厚膜Ag/AgCl參比電極電位校正、穩(wěn)定性與測量電位的批間一致性 由于厚膜Ag/AgCl參比電極沒有飽和鹽溶液的保護，因此其測量電位受檢測液中Cl－濃度的影響。分別以商業(yè)Ag/AgCl/3.0 mol/L NaCl和厚膜Ag/AgCl電極作為參比電極，檢測20 mmol/L Tris－HCl+5.0 mmol/L K3Fe(CN)6+1.0 mol/L NaCl+5.0 mmol/L MgCl2(pH 7.4)溶液的循環(huán)伏安響應，對厚膜Ag/AgCl參比電極的電位進行校正［17］，實驗結(jié)果如圖2所示。由圖2看出，K3Fe(CN)6在厚膜Ag/AgCl參比電極上(實線)的氧化電位Epa為0.253 V，還原電位Epc為0.157 V，式電位E1/2為0.205 V;在商業(yè)Ag/AgCl/3.0 mol/L NaCl參比電極上，Epa為0.323 V，Epc為0.222 V，E1/2為0.272 V。以式電位作為衡量標準，與商業(yè)Ag/AgCl/3.0 mol/L NaCl參比電極相比，K3Fe(CN)6在厚膜Ag/AgCl參比電極上的氧化還原電位整體向負方向移動了0.067 V。電位負移是由于檢測液中的Cl－濃度比商業(yè)參比電極中的Cl－濃度低，有助于電活性物質(zhì)在較低的電位下發(fā)生電化學反應［18］。

圖2 以Ag/AgCl/3.0 mol/L NaCl(虛線)和Ag/AgCl(實線)作為參比電極的鐵氰化鉀循環(huán)伏安圖Fig.2 Cyclic voltammograms of K3Fe(CN)6 at Ag/AgCl/3.0 mol/L NaCl(dot line)and Ag/AgCl(solid line)reference electrode

厚膜Ag/AgCl參比電極在電化學測定過程中的穩(wěn)定性和測量電位的批間一致性是集成化陣列電極電化學系統(tǒng)的重要參數(shù)。在20 mmol/L Tris－HCl+5.0 mmol/L K3Fe(CN)6+1.0 mol/L NaCl+5.0 mmol/L MgCl2(pH 7.4)溶液中，以厚膜 Ag/AgCl作為參比電極，采用方波脈沖伏安法，對一組陣列中的某支電極連續(xù)測量10次，考察電極測量電位的穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明，K3Fe(CN)6的氧化電位未發(fā)生變化，其值為0.176 V，電極放置1個月后，K3Fe(CN)6的氧化電位仍為0.176 V，說明參比電極具有非常好的穩(wěn)定性。

在20 mmol/L Tris－HCl+5.0 mmol/L K3Fe(CN)6+1.0 mol/L NaCl+5.0 mmol/L MgCl2(pH 7.4)溶液中，以厚膜 Ag/AgCl作為參比電極，采用方波脈沖伏安法對六組陣列電極上的CH1道進行測量，考察測量電位的批間一致性。研究結(jié)果表明，K3Fe(CN)6在六組陣列中的CH1道上的氧化峰電位基本一致，為0.173 V。說明厚膜Ag/AgCl參比電極的測量電位具有良好的批間一致性。

2.2.2 工作電極的電化學表征 工作電極可以通過電極表面平整度、重現(xiàn)性和均一性等參數(shù)來評價［19］，其好壞直接影響測量結(jié)果和電化學生物傳感器的性能。

用掃描電化學顯微鏡(SECM)表征電極表面的平整度。圖3為20 mmol/L Tris－HCl+5.0 mmol/L K3Fe(CN)6+1.0 mol/L NaCl+5.0 mmol/L MgCl2(pH 7.4)溶液在以鉑微電極(直徑25 μm)作為探針電極，本文制作的金膜電極作為基底電極的條件下獲得的SECM圖。SECM工作原理:把一支能夠進行六維移動的超微電極作為探頭插入電解質(zhì)溶液中，在離基底電極表面非常近的位置進行掃描，測量在基底上方掃描的探針電極上產(chǎn)生的電流強度變化，由于電流強度和探針與基底之間的距離有函數(shù)關(guān)系，當探針沿基底表面按給定高度掃描時，因基底表面原子凹凸不平，使探針與基底表面間的距離不斷發(fā)生改變，從而引起電流強度發(fā)生改變，電流的變化可反映基底電極的形貌及性質(zhì)的不同，將電流的這種改變圖像化即可顯示出基底表面原子的凹凸形態(tài)。電流強度變化越小，說明電極表面平整度越高，彩色SECM圖可通過顏色變化反應電流的變化，顏色越均一，說明電極表面越平整。從圖3可以看到，利用SCD 005濺射噴涂儀在FR－4玻璃纖維版上沉積的金膜表面具有較好的平整度。

圖3 金膜電極上100 μm×100 μm范圍內(nèi)掃描獲得的彩色SECM圖Fig.3 SECM image of gold electrode(100 μm ×100 μm)

圖4為一片金膜陣列電極在0.10 mol/L H2SO4中，掃速為0.1 V·s－1，連續(xù)掃描20圈得到的循環(huán)伏安圖。從圖4可以看出，電極在掃描第二圈后基本保持穩(wěn)定，說明沉積在FR－4玻璃纖維版上的金膜電極在硫酸中有非常好的穩(wěn)定性。根據(jù)金表面吸附氧形成單分子層AuO所需的雙電層電荷系數(shù)0.386 mC/cm2，可以計算出工作電極的真實面積。以電極在0.10 mol/L H2SO4，掃速為0.05 V·s－1時得到的還原峰面積計算金電極的真實面積約為0.040 mm2。通過真實面積評價陣列電極的批內(nèi)和批間重現(xiàn)性，研究結(jié)果表明，同一組陣列中的6支電極真實面積的RSD(n=6)為1.4%～3.9%，6組陣列中同一道電極面積的RSD(n=6)為2.7%～4.2%，批內(nèi)和批間面積的RSD均在5.0%以內(nèi)，說明制作的金膜陣列電極面積具有令人滿意的批內(nèi)和批間重現(xiàn)性。

圖4 六陣列金膜電極在0.1 mol/L H2SO4溶液中掃描20圈的循環(huán)伏安圖Fig.4 Typical cyclic voltammograms for base electrode array fabricated in 0.1 mol/L H2SO4for 20 circle scan rate:0.1 V·s－1;CH represent different channels(working electrodes)

以掃描范圍為 －0.2～0.6 V，掃速為0.1 V·s－1，在20 mmol/L Tris－HCl+5.0 mmol/L K3Fe(CN)6+1.0 mol/L NaCl+5.0 mmol/L MgCl2(pH 7.4)溶液中考察了鐵氰化鉀在金膜電極表面的電化學過程(見圖5)。

圖5 六陣列金電極在5.0 mmol/L K3Fe(CN)6溶液中掃描的循環(huán)伏安圖Fig.5 Typical cyclic voltammograms for base electrode array fabricated in 100 μL 20 mmol/L Tris－HCl+5.0 mmol/L K3Fe(CN)6+1.0 mol/L NaCl+5.0 mmol/L MgCl2(pH 7.4)scan rate:0.1 V·s－1;CH represent different channels(working electrodes)

從圖5可以看出，六道工作電極的氧化峰與還原峰電位差分別為ΔECH1=0.072 V，ΔECH2=0.073 V，ΔECH3=0.075 V，ΔECH4=0.075 V，ΔECH5=0.076 V，ΔECH6=0.078 V;氧化峰電流與還原峰電流比(Ipa/Ipc)CH1=1.01，(Ipa/Ipc)CH2=1.02，(Ipa/Ipc)CH3=1.02，(Ipa/Ipc)CH4=1.02，(Ipa/Ipc)CH5=1.01，(Ipa/Ipc)CH6=1.00，表明鐵氰化鉀在金膜電極表面有一個可逆的電化學過程?？疾霮3Fe(CN)6在陣列電極上的Ipa/Ipc來評價電極的循環(huán)伏安特征。實驗結(jié)果表明，K3Fe(CN)6在一片陣列中的6支電極上Ipa/Ipc的相對標準偏差(n=6)為0.80%～1.0%，六組陣列中Ipa/Ipc的相對標準偏差(n=6)為0.25%～0.82%，說明K3Fe(CN)6在金膜陣列電極上的電化學特性具有令人滿意的批內(nèi)和批間重現(xiàn)性。

對金膜陣列電極表面平整度、電極面積以及K3Fe(CN)6在電極上電化學行為的研究結(jié)果表明，所設(shè)計和制作的陣列電極能夠滿足電化學電極的要求，可作為電化學生物傳感器的基礎(chǔ)電極。

3 結(jié)論

本工作通過簡單、低廉的聚乙烯不干膠掩膜版法結(jié)合金屬濺射沉積技術(shù)制作了薄膜金陣列電極系統(tǒng)。利用電化學技術(shù)對電極系統(tǒng)中的參比電極和工作電極的性能進行了考察。研究結(jié)果表明，本方法制作的金膜陣列電極能夠作為電化學測量電極系統(tǒng)，陣列電極可作為電化學生物傳感器的基礎(chǔ)電極。但由于電極的絕緣采用的是手工操作，使得電極面積的RSD較高，后續(xù)工作中，將尋求其他方法改善絕緣技術(shù)，降低電極面積的RSD，以集成化金膜陣列電極系統(tǒng)作為平臺發(fā)展能夠檢測多種目標物的陣列電化學傳感器。

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