彭亚鸽

(宁夏大学 化学化工学院，宁夏 银川 750021)

阵列电极是组装阵列电化学生物传感器的基础电极，其设计和制作是成功构建阵列电化学生物传感器的基础。近几年，以阵列电极作为基础电极设计和制作用于单组分或多组分同时检测的生物传感器已在环境分析［1－2］、食品分析［3－4］、临床检测［5－6］、小分子检测［7－8］、免疫分析［9－11］、DNA 分析［12－13］、RNA 分析［14］和适体传感器［15－16］等领域得到了广泛应用。阵列电极制作技术是阵列电极研究的基础和关键。阵列电极的制作方法主要有机械法、模板法、刻蚀法和自组装法。不同形状、不同数目、不同尺寸、不同排列方式和不同材料的阵列电极均可采用这4种方法。其中刻蚀法是大规模批量生产规则有序阵列电极的最好方法。目前，平面阵列电极主要是采用X射线或电子束法刻蚀硅片或铬板获得阵列电极掩膜版，然后在衬底(玻璃、石英或高聚物等)上涂一层光刻胶，通过光刻将掩膜版上的电极图案转移到衬底上，最后通过溅射、蒸镀等方法将所需要的电极材料沉积在衬底上，刻蚀除去光刻胶制作阵列电极。该方法可控性好、精密度高、可制作微米甚至纳米尺度阵列电极，但其制作程序复杂、造价昂贵、需要特殊仪器，而且通过刻蚀除去光刻胶的条件难以掌握，控制不当将直接影响阵列电极的重现性和成功率，从而影响阵列电极在一般实验室的制作和应用。因此，建立制作方法简单、成本相对较低的阵列电极具有重要意义。

本研究利用简便、低廉的聚乙烯不干胶掩膜版法结合金属溅射沉积技术，在FR－4玻璃纤维版上制作了由6个金膜工作电极、1个大面积金膜对电极和1个厚膜Ag/AgCl参比电极构成的集成化金膜阵列电极系统。并利用电化学方法对制作的阵列电极系统进行了表征。

1 实验部分

1.1 仪器与材料

电化学系统为CHI 1030多通道电化学工作站(上海辰华仪器公司)。实验采用自制的集成化六阵列电极系统，6个面积2.0 mm2的金膜电极(工作电极之间相距1.0 mm)作为工作电极，面积为25 mm2金膜电极作为对电极，厚膜Ag/AgCl电极作为参比电极。所有电化学实验均使用CHI 1030多通道电化学工作站。所有电位均以该参比电极电位为标准。CHI 900电化学工作站(CH Instruments.Austin.TX.，美国)，SCD 005溅射喷涂仪(荷兰FEI)，MIMAKI CG－60st刻字机(日本Mimaki公司)。

金靶(中国科学院金属研究所，纯度99.9%);埃其森ED427SS银浆、宝龙POLU－PN绝缘油墨和聚乙烯薄膜不干胶(沈阳市凯乐福印刷物资有限公司);FR－4玻璃纤维版(西安西电电工材料有限责任公司)。

20 mmol/L Tris－HCl缓冲溶液含有1.0 mol/L NaCl和5.0 mmol/L MgCl2(pH 7.4)，用该缓冲溶液配成 5.0 mmol/L K3［Fe(CN)6］检测溶液。

1.2 集成化金膜阵列电极制作

采用聚乙烯薄膜不干胶粘贴掩盖和金属溅射沉积技术制作集成化带状阵列电极系统，详细结构如图1所示。整个制作程序包括4个步骤:

图1 阵列金电极示意图Fig.1 Schematic diagram of the gold electrode array

①聚乙烯薄膜不干胶掩膜版的设计和制作。利用Coreldraw 12画出如图1所示的六阵列电极系统图案，然后将其通过Mimaki CG－60st刻字机转移到0.1 mm厚的聚乙烯薄膜不干胶上，即获得制作阵列电极的掩膜版;

②金膜的形成。将刻有图1所示阵列电极图案的聚乙烯薄膜不干胶掩膜版贴在处理干净的 FR－4玻璃纤维版衬底上，通过镂空覆盖的方式在衬底上形成带状阵列电极图案，然后利用安装金靶的SCD 005溅射喷涂仪在其表面喷涂一层约100 nm厚的金，撕去聚乙烯薄膜不干胶掩膜版，即获得带状阵列电极系统。为了提高金膜和FR－4玻璃纤维版衬底之间的粘附力，将整个阵列电极置于120℃下退火处理2 h;

③厚膜Ag/AgCl参比电极制作。在阵列电极的金膜参比电极位置处均匀涂抹一层银胶，烘干后，在银表面滴20 μL 0.10 mol/L FeCl3溶液，利用FeCl3和银之间的氧化还原作用，在银表面形成一层氯化银，1 h后蒸馏水冲洗，除去FeCl3溶液，空气中晾干，即得到厚膜Ag/AgCl参比电极;

④绝缘。利用绝缘油墨对除工作电极、对电极、参比电极以及导线连接点之外的所有区域进行绝缘。

通过以上4步获得金膜阵列电极。

2 结果与讨论

2.1 阵列电极的设计与制作

2.1.1 掩膜版的设计与制作 用刻字机将通过Coreldraw设计的阵列电极图案转移到聚乙烯薄膜不干胶上，批量获取一次性阵列电极掩膜版。Mimaki CG－60st刻字机以Coreldraw矢量软件输出阵列电极图案，可以在700 mm范围，以400 mm/s速度在最大厚度为0.5 mm的薄膜不干胶、荧光片、橡胶等材料上雕刻阵列电极图案，其机械分辨率为0.005 mm，命令分辨率为0.025 mm。因此使用 Mimaki CG－60st刻字机可快速、方便地在多种材质上批量获取构造比较简单的带状、方形和圆形一次性阵列电极掩膜版，价格非常便宜。将聚乙烯薄膜不干胶掩膜版粘贴在衬底上，通过镂空/覆盖的模式快速将阵列电极图案转移到衬底上，喷涂金以后，撕去不干胶，即得到阵列电极。本文采用的掩膜版制作方法快速、简便、价格便宜，能够批量获取尺寸均一、重现性好的阵列电极掩膜版。

2.1.2 衬底选择 阵列电极衬底有硅片、玻璃和环氧树脂等。硅片表面平整度好，是制作阵列电极的首选衬底，但其易碎，不方便操作，而且价格昂贵;玻璃具有较好的表面平整度，但直接在玻璃表面溅射的金膜非常容易脱落。FR－4玻璃纤维版具有较高的机械性能、介电性能、较好的耐热性和耐潮性，其表面平整，且与溅射的金膜之间具有较高的粘合力，即使在没有粘合金属层的情况下结合也非常牢固，所以本文选用FR－4玻璃纤维版作为阵列电极衬底。

2.1.3 阵列电极设计 阵列电极的详细构造如图1所示。绝缘后，每个工作电极尺寸为2 mm×1 mm，考虑到对电极面积应大于工作电极面积，以面积为26 mm2的金膜电极作为对电极，厚膜Ag/AgCl电极作为参比电极，由于PCB连接器每个连接点中心距离为2.54 mm，所以设计每个连接点中心与中心距离2.54 mm，以便和PCB连接器连接。由于喷涂获得的金膜厚度仅有100 nm，所以在每个连接点上涂一层银胶以增加连接点的使用寿命。

采用的阵列电极制作方法具有制作程序简单、快速、制作低廉等特点，制作一片集成化六阵列聚乙烯薄膜电极约需要3.0元。

2.2 集成化阵列电极系统的电化学表征

2.2.1 厚膜Ag/AgCl参比电极电位校正、稳定性与测量电位的批间一致性 由于厚膜Ag/AgCl参比电极没有饱和盐溶液的保护，因此其测量电位受检测液中Cl－浓度的影响。分别以商业Ag/AgCl/3.0 mol/L NaCl和厚膜Ag/AgCl电极作为参比电极，检测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)溶液的循环伏安响应，对厚膜Ag/AgCl参比电极的电位进行校正［17］，实验结果如图2所示。由图2看出，K3Fe(CN)6在厚膜Ag/AgCl参比电极上(实线)的氧化电位Epa为0.253 V，还原电位Epc为0.157 V，式电位E1/2为0.205 V;在商业Ag/AgCl/3.0 mol/L NaCl参比电极上，Epa为0.323 V，Epc为0.222 V，E1/2为0.272 V。以式电位作为衡量标准，与商业Ag/AgCl/3.0 mol/L NaCl参比电极相比，K3Fe(CN)6在厚膜Ag/AgCl参比电极上的氧化还原电位整体向负方向移动了0.067 V。电位负移是由于检测液中的Cl－浓度比商业参比电极中的Cl－浓度低，有助于电活性物质在较低的电位下发生电化学反应［18］。

图2 以Ag/AgCl/3.0 mol/L NaCl(虚线)和Ag/AgCl(实线)作为参比电极的铁氰化钾循环伏安图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参比电极在电化学测定过程中的稳定性和测量电位的批间一致性是集成化阵列电极电化学系统的重要参数。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作为参比电极，采用方波脉冲伏安法，对一组阵列中的某支电极连续测量10次，考察电极测量电位的稳定性。实验结果表明，K3Fe(CN)6的氧化电位未发生变化，其值为0.176 V，电极放置1个月后，K3Fe(CN)6的氧化电位仍为0.176 V，说明参比电极具有非常好的稳定性。

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作为参比电极，采用方波脉冲伏安法对六组阵列电极上的CH1道进行测量，考察测量电位的批间一致性。研究结果表明，K3Fe(CN)6在六组阵列中的CH1道上的氧化峰电位基本一致，为0.173 V。说明厚膜Ag/AgCl参比电极的测量电位具有良好的批间一致性。

2.2.2 工作电极的电化学表征 工作电极可以通过电极表面平整度、重现性和均一性等参数来评价［19］，其好坏直接影响测量结果和电化学生物传感器的性能。

用扫描电化学显微镜(SECM)表征电极表面的平整度。图3为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)溶液在以铂微电极(直径25 μm)作为探针电极，本文制作的金膜电极作为基底电极的条件下获得的SECM图。SECM工作原理:把一支能够进行六维移动的超微电极作为探头插入电解质溶液中，在离基底电极表面非常近的位置进行扫描，测量在基底上方扫描的探针电极上产生的电流强度变化，由于电流强度和探针与基底之间的距离有函数关系，当探针沿基底表面按给定高度扫描时，因基底表面原子凹凸不平，使探针与基底表面间的距离不断发生改变，从而引起电流强度发生改变，电流的变化可反映基底电极的形貌及性质的不同，将电流的这种改变图像化即可显示出基底表面原子的凹凸形态。电流强度变化越小，说明电极表面平整度越高，彩色SECM图可通过颜色变化反应电流的变化，颜色越均一，说明电极表面越平整。从图3可以看到，利用SCD 005溅射喷涂仪在FR－4玻璃纤维版上沉积的金膜表面具有较好的平整度。

图3 金膜电极上100 μm×100 μm范围内扫描获得的彩色SECM图Fig.3 SECM image of gold electrode(100 μm ×100 μm)

图4为一片金膜阵列电极在0.10 mol/L H2SO4中，扫速为0.1 V·s－1，连续扫描20圈得到的循环伏安图。从图4可以看出，电极在扫描第二圈后基本保持稳定，说明沉积在FR－4玻璃纤维版上的金膜电极在硫酸中有非常好的稳定性。根据金表面吸附氧形成单分子层AuO所需的双电层电荷系数0.386 mC/cm2，可以计算出工作电极的真实面积。以电极在0.10 mol/L H2SO4，扫速为0.05 V·s－1时得到的还原峰面积计算金电极的真实面积约为0.040 mm2。通过真实面积评价阵列电极的批内和批间重现性，研究结果表明，同一组阵列中的6支电极真实面积的RSD(n=6)为1.4%～3.9%，6组阵列中同一道电极面积的RSD(n=6)为2.7%～4.2%，批内和批间面积的RSD均在5.0%以内，说明制作的金膜阵列电极面积具有令人满意的批内和批间重现性。

图4 六阵列金膜电极在0.1 mol/L H2SO4溶液中扫描20圈的循环伏安图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)

以扫描范围为 －0.2～0.6 V，扫速为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)溶液中考察了铁氰化钾在金膜电极表面的电化学过程(见图5)。

图5 六阵列金电极在5.0 mmol/L K3Fe(CN)6溶液中扫描的循环伏安图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)

从图5可以看出，六道工作电极的氧化峰与还原峰电位差分别为ΔECH1=0.072 V，ΔECH2=0.073 V，ΔECH3=0.075 V，ΔECH4=0.075 V，ΔECH5=0.076 V，ΔECH6=0.078 V;氧化峰电流与还原峰电流比(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，表明铁氰化钾在金膜电极表面有一个可逆的电化学过程。考察K3Fe(CN)6在阵列电极上的Ipa/Ipc来评价电极的循环伏安特征。实验结果表明，K3Fe(CN)6在一片阵列中的6支电极上Ipa/Ipc的相对标准偏差(n=6)为0.80%～1.0%，六组阵列中Ipa/Ipc的相对标准偏差(n=6)为0.25%～0.82%，说明K3Fe(CN)6在金膜阵列电极上的电化学特性具有令人满意的批内和批间重现性。

对金膜阵列电极表面平整度、电极面积以及K3Fe(CN)6在电极上电化学行为的研究结果表明，所设计和制作的阵列电极能够满足电化学电极的要求，可作为电化学生物传感器的基础电极。

3 结论

本工作通过简单、低廉的聚乙烯不干胶掩膜版法结合金属溅射沉积技术制作了薄膜金阵列电极系统。利用电化学技术对电极系统中的参比电极和工作电极的性能进行了考察。研究结果表明，本方法制作的金膜阵列电极能够作为电化学测量电极系统，阵列电极可作为电化学生物传感器的基础电极。但由于电极的绝缘采用的是手工操作，使得电极面积的RSD较高，后续工作中，将寻求其他方法改善绝缘技术，降低电极面积的RSD，以集成化金膜阵列电极系统作为平台发展能够检测多种目标物的阵列电化学传感器。

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