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超微电极的制备和表征【摘要】微电极因其小尺寸表现出许多与常规电极不同的优良性质：高传质速率、小时间常数、低IR降、高信噪比和高电流密度等，因此，微电极成为电化学和电分析化学的前沿领域之一。超微电极的这些优点使其在电化学动力学、伏安检测、修饰纳米微电极、传感器、成像探针和单分子检测等方面都有着广阔的潜在应用背景。因此探讨超微电极的制作及其应用有着重要的意义。【关键词】超微电极；循环伏安法；Pt丝PreparationandcharacterizationofultramicroelectrodeAbstract:Microelectrodehasalotofexcellentcharacteristicwhichdifferentfromcommonelectroderesultfromsmallsize,includinghighrateofmasstransfer,smalltimeconstant,lowdropofIR,highrateofsignaltonoiseandhighelectriccurrentdensity.Somicroelectrodehasalreadybecameoneoffrontierofelectrochemicalandelectroanalyticalchemistry.Microelectrodehaswidelypotentialapplicationprospectsbecauseofthoseadvantageinwhichelectrochemicalkinetics,voltammetricdetection,modificationofnano-microelectrode,sensor,imagingprobes,singlemoleculedetectionandsoon.Soit'sveryimportanttodiscusspreparationandaplicationofultramicroelectrode.Keywords:ultramicroelectrode;cyclicvoltammetry;Pt1引言超微电极电化学是在20世纪70年代开始发展起来的一门新兴的电化学学科,它作为电化学和电分析化学的前沿领域,具有许多新的特性,为人们对物质的微观结构进行探索提供了一种有力手段。超微电极是指电极的一维尺寸为微米或纳米级的一类电极,当电极的一维尺寸从毫米级降至微米和纳米级时,表现出许多不同于常规电极的优良的电化学特性:超微电极固有的很小的RC[1]时间常数使之可以用来对快速、暂态电化学反应进行研究;超微电极上小的极化电流降低了体系的IR降,使之可以用于高电阻的体系中,包括低支持电解浓度甚至无支持电解质溶液、气相体系、半固态和全固态体系;超微电极上的物质扩散极快,可以用循环伏安法测定快速异相速率常数;同时,超微电极小的尺寸确保在实验过程中不会改变或破坏被测物体,使超微电极可以应用于生物活体检测。按电极的制作材料,超微电极分为:超微铂电极、超微金电极、超微银电极、超微钨电极以及超微碳纤维电极.按电极的形状,超微电极[2]可分为超微以下几种类型:超微圆盘电极、超微圆环电极、超微圆柱电极、超微球形电极、超微半扁球电极、超微带状电极、超微阵列电极及超微叉指形电极.本文拟就超微电极的原理、循环伏安法的原理、Pt超微圆盘电极的制备、循环伏安法对超微电极的表征等。1.1原理超微电极的电解过程与常规电极的电解过程在本质上是相同的.当电极体系发生氧化还原反应时,电极表面产生浓度梯度,形成去极剂从溶液本体朝着电极表面的扩散传质作用.以超微圆盘电极为例,垂直于电极表面方向的扩散称为线性扩散,沿着半径方向的扩散称为非线性扩散或径向扩散,对于超微电极,非线性扩散起主导作用.超微园盘电极的扩散传速率M可以公式(1)[1]表示:M=4D/πr(1)D为扩散系数,r为电极半径,r越小,扩散速率越快.超微电极电流的扩散传质速率很高,以至于在常规电极上某些可逆的过程,在超微电极上会变得不可逆,这就可以在无需借助暂态技术的情况下对快速化学过程和伴随化学反应进行研究.在电解池系统中,如果电极电位发生阶跃变化,则电极表面双电层所导致的充电电流Ic与时间t的关系如公式(2)[1]:Ic=ΔE/RExp[t/RCs](2)ΔE表示阶跃电位的幅度,R为电解池内阻,双层电容量为Cs,t为阶跃电位持续时间.Ic与t呈指数衰减关系.由于Cs与电极面积呈正比关系,因此充电电流也与电极的面积呈指数关系.如果电极的半径越小,则Ic的衰减就越快.超微电极的电流在短时间内即能达到稳态,电极的响应时间很短,适用于各种暂态电化学方法,如方波伏安法、脉冲伏安法、阶跃电位法、快速扫描伏安法等.流经超微电极的电流为法拉第电流与充电电流的加和.超微电极上的法拉第电流密度很大,而且充电电流的衰减很快,有助于提高法拉第电流与充电电流的比值,增大信噪比,可明显提高分析的灵敏度,降低检测限.超微电极适用于微量、痕量物质的测定.超微电极的电流密度虽然很大,但由于其半径可以做到微米、纳米尺寸,电极表面积很小,电流强度还是很小,一般只有10-9~10-12A,因此电解池系统所造成的欧姆压降IR很小,不会对伏安曲线的性质产生明显的影响.可用于高阻介质中的电化学测量,适用于低支持电解质浓度、气相体系、半固态和固态体系.循环伏安法[3]是电化学方法中最常用的实验技术,是电化学表征的主要方法。循环伏安法有两个重要的实验参数,一是峰电流之比,二是峰电位之差。对于可逆电极反应,峰电流之比|ipc/ipa∣(阴极峰电流ipc与阳极峰电流ipa之比)的绝对值约等于1。峰电位之差$Ep(阴极峰电流Epc与阳极峰电流Epa之差,ΔEp[4.5]=|Epa-Epc|)约为60mV(25℃),即ΔEp=2.22RT/nF（3）1.2微电极的制作方法常见的超微电极的制作方法有如下几种方法[6]：1.2.1纳米压印-起离法压印法是将阴模压印在热塑性聚合物膜上，再将该热塑性聚合物膜放在基底上，然后将温度升高，使其高于热塑性聚合物膜的玻璃化转变温度。此时，聚合物是粘流体，因此能够与阴膜相吻合。所以只要控制膜的形状就可以控制所得到聚合物膜的形状。纳米压印过程结束后，拿走阴膜，再用O2活性分子刻蚀法进行刻蚀，以确保压印处没有聚合物残留。然后在该表面上蒸镀上一层金属，这样在压印处和未压印处均有金属，再将其浸泡在丙酮里，起离除去聚合物上的金属，就可制得纳米阵列电极。此方法已有几十年历史了。1995年，Stephen等[7]运用纳米压印方法(nanoimprint)制得直径为25nm的Ti/Au金属点阵列，使得用压印法制备纳米微电极成为可能。1999年，Schift[8]采用该法制备得到特征尺寸为25nm的组合金属阵列微电极，并认为用该方法制得的组合电极的特征尺寸最小可小至10nm。该方法制得的微电极尺寸小，但只能制备阵列电极而不能制备单个电极。1.2.2等离子轰击法张学记等用等离子轰击法已成功制得电极尖端直径为100nm的碳纤维电极和金电极[9]。具体操作方法为取金丝置于等离子轰击仪中，根据需要，控制各种参数制得所需尺寸的金丝，将未经轰击的一端与导线相连，然后在显微操作系统中将其穿入已拉制好的毛细管玻璃中，用微操纵器控制外露部分的金丝尺寸，然后将轰击过的一端用快速环氧胶固定，在真空中封熔电极尖端。电极的尺寸可以控制，最小尖端直径可达30nm。该方法要求特殊的设备，对仪器的要求表较高。1.2.3刻蚀－涂层法该方法一般采用两步来制备纳米级微电极:首先，将金属丝用电化学[10-13]或火焰烧蚀法[14]刻蚀成锐利的尖端(a过程)；其次涂上一层绝缘物(玻璃或聚合物)，通过升高温度使绝缘层收缩、固化，恰好使金属丝的最尖端露出来(b过程)。通过一两次重复的涂层和固化操作控制金属丝尖端的活化面积，进而得到预期的电极尺寸。具体操作如图1.2.3。1988年，Heben等[25]采用该方法得到铂-铱合金丝的尖端面积小于100A2。此后人们又对这种方法不断的改进，在1992年，Strein等采用火焰烧蚀法制得的尖端直径为100nm的碳纤维微电极，用于微小体系的分析检测[14]。1999年，Slevin等[13]用刻蚀-涂层法制得尖端半径为lμm-10nm的一系列铂电极。Penner等[12]也用该方法制得半径为10nm的铂铱合金微电极。图1.2.3刻蚀—涂层法1.2.4模板法模板法是以一些具有特定纳米结构的物质作为模板，通过复制和转录该物质结构，从而获得具有特定纳米结构材料的方法。然后，对获得的纳米结构材料进行处理进而制得纳米微电极。其中高分子聚合物模板和阳极氧化铝模板是比较普遍采用的两种模板。该方法通常又分为电沉积法[15]和化学镀(非电镀)法[16-17]，即分别采用电沉积法和化学镀的方法在模板上获得特定纳米结构材料。1987年，C.R.Martin等[16]采用化学镀和电化学沉积的方法在聚碳酸酯模板上分别制得半径为100nm的铂纳米阵列盘微电极和金纳米线，并对其进行电化学表征，结果表明，用该电极研究得出的电化学响应与己建立的电化学理论相一致。1.3微电极的表征方法微电极属于微纳米范畴，因此用来表征微纳米材料的方法都可以表征微电极，综合文献中的方法主要有：循环伏安法（CV）C.J.Slevin[13]把所制得的微电极放在具氧化还原活性的电解质溶液中，采用循环伏安法并结合稳态电流极限公式i=2πnFDCr（式中i为极限扩散电流，n为氧化还原反应中转移的电子数，F为法拉第常数，D为扩散系数，C为电解质溶液的浓度，r为电极的有效半径）计算出了电极的有效半径。1.4微电极的应用因制作材料的不同，微电极可分为：金微电极，铂微电极，碳纤维微电极以及银微电极等。按电极形状的不同，又可分为：微圆柱电极，微圆盘电极，微球形电极，微带状电极，微阵列电极，微圆环电极，以及微半扁球电极等。1.4.1超微电极用于生物细胞分析细胞是有机体结构与生命活动的基本单位,具有多种维持细胞生物活性的电化学活性物质.细胞的体积极小,所要测定的物质又是微量的,细胞内的生化反应时间是毫秒级,所以细胞分析技术需满足样品体积小、高选择性、高灵敏度、响应速度快等要求,超微电极是满足这些测试要求的最理想的方法.超微电极可以置于细胞周围环境也可以插入细胞内部,在基本不损伤细胞又不影响细胞生理功能的情况下实时定量地监测单个细胞内的电活性物质及其变化.Ewing等[18]于1990年使用毛细管电泳和碳纤维电极首次对单个神经细胞中多巴胺及5-羟酪胺进行了活体分析,并对池塘蜗牛的单个脑神经细胞中的多巴胺进行了研究.何立铭[19]等用5~7μm的碳纤维超微电极记录单个突触小泡的量子化递质释放.黄卫华[20]课题组将自行研制的低噪音碳纤维纳米电极(尖端直径为100~300nm)用于动态时空监测单个鼠嗜铬神经癌细胞(PC12)中神经递质多巴胺的受激释放.实验采用双电极系统:工作电极为碳纤维纳米电极,参比电极为Ag/AgCl电极.实验过程中,细胞一直处于平衡盐溶液中,以维持其正常的生理活性.在倒置显微镜下,采用精密五维微操纵器将碳纤维纳米电极尖端置于距离细胞1μm处,并控制其在细胞表面的不同部位;用控制微量注射器在距细胞约100μm处注射1mmol/L尼古丁刺激PC12细胞,每次注射量约60nL.由于纳米电极的尖端直径与胞内单个囊泡直径相近,可以直接靠近单个囊泡,检测到单峰信号仅仅对应于胞内一个囊泡的多巴胺释放信号,能检测到细胞释放的空间差异.检测结果表明,细胞不同部位多巴胺受激释放的时间及量均有显著差异,证实多巴胺在细胞中的非均匀分布.该电极还可对细胞神经递质五羟色胺(5-HT)进行快速扫描伏安测定[21]超微电极还可用于细胞光合作用、呼吸作用研究.Matsue[22~24]研究组在这方面作了很多研究.该研究组将铂/碳圆环超微电极用于细胞光合作用研究,监测海洋羽藻(Bryopsisplumosa)叶绿体O2还原电流随光照强度的变化,观察到光强度为25kl