微型電化學傳感器研究的最新進展

李冠華

摘? 要：隨著微型電化學傳感器應用范圍的不斷擴大，我們能夠在其中看到各種微加工技術的身影，微型電化學傳感器的應用不僅能夠降低有毒試劑的消耗，還能夠實現(xiàn)大規(guī)模批量的生產(chǎn)，從而切實有效的降低環(huán)境污染所帶來的問題。本文以微型電化學傳感器的內(nèi)部結構組成出發(fā)，論述了微型電化學傳感器主要的應用材料，并在此基礎上探討了微型電化學傳感器的主要制作工藝，希望能夠掌握微型電化學傳感器研究的最新進展的基礎上，提升微型電化學傳感器的應用水平，從而實現(xiàn)我國生物醫(yī)學等相關行業(yè)的突破。

關鍵詞：微型電化學傳感器;研究;最新進展

一、微型電化學傳感器的內(nèi)部結構

微型電化學傳感器主要由大量微電極所組合而成的，與其他電極不同的是，單個微電極所產(chǎn)生的電流非常低，但是通過微型電化學傳感器能夠將單個微電極組合在一起從而形成傳感器陣列，既能夠保證微電極自身的特性，還能夠實現(xiàn)電流信號的翻倍。為了能夠實現(xiàn)微電極的電流信號的傳導，微電極陣列時能夠確保基底上微電極之間的有效間距，通常來說間距必須足夠大，而且其中微電極與微電極的擴散層不存在重疊的現(xiàn)象，如此才能夠提升微型電化學傳感器的傳質能力。通常來說，微電極陣列主要以叉指微電極陣列為主。所謂的叉指微電極陣列指的是將叉指微電極陣列封裝在電路板上從而進行使用。

與此同時，為了能夠更好的實現(xiàn)微電極陣列的優(yōu)化，美國Rosemary Feeney采取了光刻技術，通過將微電極組成的方形陣列和圓形陣列的形式擴大微型電化學傳感器的傳質能力，其中，在方形陣列和圓形陣列中微電極直徑通常保持在10，具體如圖1所示，

其中，（a）主要以方形陣列為主，通過將25個銥微盤電極置于列陣中，確保圓形列陣中的微電極能夠被參比電極所包圍。與此同時，25個銥微盤電極、參比電極又能夠同時被置于方形陣列當中。（b）主要采取圓形陣列的形式，包裹三個同心環(huán)，其中，同心環(huán)的中主要涉及到20個銥微盤電極，另外兩層則分別為參比電極以及對電極。

Rosemary Feeney將微電極集成在一個硅片上，借助于工作電極和參比電極列陣的形式，檢測出0-100ppb的，Rosemary Feeney證明了方形陣列和圓形陣列內(nèi)部通過降低微電極的應用數(shù)目，能夠確保微電極應力向極小化方向發(fā)展的同時，提升微型電化學傳感器的傳質能力。

二、微型電化學傳感器主要的應用材料

2.1汞電極在微型電化學傳感器中的應用

與其他重金屬相比，汞電極具有極廣的應用范圍，這是因為汞電極對氫具有很高的超電位，當汞與重金屬混合在一起時能夠產(chǎn)生汞齊，無形中能夠擴大汞電極的電位使用范圍，從而降低重金屬的析出電位。在應用汞電極時，應當注意到汞具有毒性，將其應用在微型電化學傳感器中容易產(chǎn)生中毒問題，但是不可否認的是汞電極容易獲得干凈的再生表面，能夠有效的延長微型電化學傳感器的使用壽命。一般來說，根據(jù)環(huán)境保護組織的要求，目前應用在微型電化學傳感器中的汞主要以非汞電極為住。為了能夠在石墨、鉑以及，銥等微電極上形成汞膜電極，實驗人員應當采取電解法的形式實現(xiàn)汞離子溶液的分離。與其他元素相比，汞電極與銥具有較好的融合性，這是因為銥具有低可溶性，且不容易與汞電極在一起產(chǎn)生汞銥金屬互化物，再加上銥在汞中的溶解度通常低于，使得，汞電極與銥在一起時容易在銥表面形成汞半球，從而提升單個微電極的單流量。

2.2固體電極在微型電化學傳感器中的應用

固體電極最大的優(yōu)勢在于其自身的使用性能不會因為電位的影響而發(fā)生變化，大部分的貴金屬容易在較正的電位狀態(tài)下發(fā)生氧化時，此時貴金屬會產(chǎn)生氧化層覆蓋至電極表面從而影響微電極的電流效應。此外，由于碳具有化學惰性，表面不易被氧化，且其本身具有良好的導電性能，有很高的氫超電位，主要應用于電化學溶出分析工作當中。固體電極中還會增加貴金屬元素，這是因為貴金屬元素具有化學惰性和高導電性，在應用中主要以金電極為主，這是因為金電極具有較寬的電位窗，能夠檢測出固體電極中是否含有As等重金屬元素。不僅如此，還有將鎢絲作為電極應用到固體電極當中的。

三、微型電化學傳感器的主要制作工藝

3.1微型電化學傳感器的主要制作工藝之微電子工藝

所謂的微電子工藝指的是通過設計的微型傳感器幾何形狀，從而實現(xiàn)微型傳感器陣列的精確調(diào)整。與其他的微型電化學傳感器的制作工藝相比，微電子工藝具有批量制作重復性好以及易于集成化的特點，使得其具有廣泛的應用空間。微電子工藝中光刻技術是常用的技術之一，常常與腐蝕相結合，從而形成薄膜微電極陣列。如圖2所示，

光刻技術通過濺射Cr的形式從而形成刻蝕，此時熱熔光刻膠將會在微電極表面形成凸起，當其與化學氣相沉積時，再通過光刻去膠的形式完成最終的電極形貌。

3.2微型電化學傳感器的主要制作工藝之印刷傳感器

印刷傳感器具有價格便宜以及靈敏度高的特點，主要應用于微型電化學傳感器的批量生產(chǎn)作業(yè)中，印刷傳感器的應用主要以絲網(wǎng)印刷為核心，與其他的微型電化學傳感器的制作工藝相比，印刷傳感器所使用的絲網(wǎng)印刷能夠隨意的改變所制作電極的大小和形狀，從而實現(xiàn)了微型電化學傳感器方陣的優(yōu)化排布。印刷傳感器所形成的印刷電極主要應用于塑料基底當中，當然在陶瓷或硅基底我們同樣能夠看到印刷傳感器的身影。通常來說，印刷傳感器的具體使用步驟劃分為五步，第一步是選擇基底材料并根據(jù)工藝要求完成聚酯工作，第二步是印刷碳導電軌和對電極，第三步是完成Ag/AgCL參比電極的印刷作業(yè)，第四步是鉑工作電極的印刷作業(yè)，第五步是核心步驟，微型電化學傳感器對于絕緣層提出了較高的要求，因此在印刷絕緣層時應當加強工藝質量的把控工作。

四、結束語

綜上所述，微型電化學傳感器的應用主要受到材料以及結構的影響，再加上電化學檢測方法的不同，使得微型電化學傳感器中重金屬溶出的出峰位置也會隨之不同。在開展微型電化學傳感器研究工作時，應當關注電位掃描頻率以及金屬間互化物等變量的影響因素，通過優(yōu)化這些變量從而實現(xiàn)微型電化學傳感器的優(yōu)化調(diào)整。與此同時，微電子工藝以及印刷技術均具有批量生產(chǎn)的特性，在應用時應當結合微型電化學傳感器應用領域有針對性的挑選合適的制作工藝。

參考文獻

[1]? 劉建國，安振濤，張倩.新型電化學傳感器的研究進展[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（7）：1-3，7.

[2]? 鄒紹芳，門洪，王平.微型電化學傳感器研究的最新進展[J].傳感技術學報，2004，17（2）：336-341.

[3]? 王君.微型電化學生物傳感器的設計及其在細胞生化參數(shù)檢測中的應用研究[D].浙江：浙江大學，2013.