槽尺寸對針型溶解氧微電極傳感器性能的影響(中文版)(共22頁)

1、槽尺寸(ch cun)對針型溶解氧微電極傳感器性能(xngnng)的影響Tae-Sun Lim, Jin-Hwan Lee, Ian Papautsky辛辛那提大學(xué)電氣(dinq)與計算機工程系摘要在這項工作中，具有不同槽尺寸的針型凹進溶解氧（ DO）微電極傳感器被制造和用來表征探討槽尺寸和傳感器性能之間的關(guān)系。該凹部內(nèi)的方環(huán)型陰極的幾何形狀是通過濕法蝕刻形成的，所形成的凹部長度范圍從35到 247 微米和以液壓直徑（Lave/ DH）比例的平均長度從3.0到12.3。在0.85的生理鹽水溶液，以3種溶解氧濃度（0，4.1和8.7 mg / L的O 2）對傳感器的性能進行表征。對反應(yīng)時間，攪拌

2、效果（例如敏感性物理干擾）和電流靈敏度進行了研究。較長的凹部增加了傳感器的靈敏度。凹槽尺寸Lave/ DH5的傳感器被認(rèn)為是穩(wěn)定的，表現(xiàn)出的性能不受攪拌效果的影響，超過500pA/ mg / L的敏感性。這項工作將有助于更好地了解凹陷結(jié)構(gòu)的溶解氧傳感器的性能和進行精確的溶解氧測量。關(guān)鍵詞： 針型傳感器、溶解氧傳感器、微電極陣列、嵌入式陰極介紹在生理系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)中的溶解氧（DO ）是一個物理，化學(xué)和生化活動的指示。連續(xù)監(jiān)測溶解氧在很多方面的起著關(guān)鍵性作用，不同的技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)應(yīng)用于各種研究領(lǐng)域溶解氧的測量，如醫(yī)學(xué)，湖沼學(xué)，微生物生態(tài)學(xué)，環(huán)境工程 1-6 。在醫(yī)學(xué)，溶解氧微電極的最重要的應(yīng)用是在

3、監(jiān)測組織和細(xì)胞行為的研究1,2 。氧微電極也已經(jīng)被應(yīng)用于當(dāng)癲癇發(fā)作或周邊的身體器官心血管休克時大腦的研究 3 。在這些應(yīng)用中微探針的兩個最重要的準(zhǔn)則是，它們不應(yīng)該破壞生物組織，而應(yīng)該由生物相容性材料制成。在環(huán)境科學(xué)，微電極通常用于研究其形成和生長4,5時，生物膜溶解氧濃度分布的測量。在生物膜的代謝反應(yīng)的產(chǎn)物趨向于形成氧濃度分布，其在很大程度上受反應(yīng)速率和在生物膜的質(zhì)量傳輸速率的影響。因此，氧的流量或氧濃度分布的準(zhǔn)確測量是用來評價生物膜反應(yīng)的動力學(xué)6。DO微電極也是微尺度(chd)樣品的有效(yuxio)分析研究(ynji)工具。小尖端尺寸和微電極的高空間分辨率通過高清晰度繪制感興趣地區(qū)可以直接

4、測量小樣本中的溶解氧濃度。因此，根據(jù)調(diào)查提供的樣品條件的詳細(xì)信息，可以得到微小樣品中的溶解氧精確濃度分布。這些傳感器的小針尖大小允許它們在難接近的較大尺寸的電極區(qū)域使用，并且可以進行不破壞化學(xué)環(huán)境的測量。另一個使用微電極測量溶解氧濃度的優(yōu)點是它們的小電區(qū)域（產(chǎn)生的電流通常在PA到nA的范圍）是足夠的小，小到能最小化地減少陰極上的氧消耗 7 ，從而提高了準(zhǔn)確度和低功耗。低電流也導(dǎo)致低電阻的iR損失，這允許測量在支持電解質(zhì)條件下的低得多的濃度8。三種類型(lixng)的氧微電極是最常見的。首先是Clark型微電極DO，它由帶有透氣(tu q)膜的工作(gngzu)電極和在電解質(zhì)中的內(nèi)置參考電極組成

5、9。因為膜厚度是在傳感器性能的關(guān)鍵因素，并且通常難以控制，該傳感器的制造工藝復(fù)雜，從而導(dǎo)致有限的小型化10-13。其它兩個傳感器的類型，開放式和凹溶解氧微電極都使用外部參考電極，因而這些傳感器的更容易實現(xiàn)小型化。使用外部基準(zhǔn)基本上簡化了制造，并允許更小的工作電極面積，這是最大限度地減少在工作電極的氧消耗量的關(guān)鍵。與其它設(shè)計相比，該凹微電極在感測性能顯示了顯著優(yōu)點，尤其是對于攪拌的樣品。與無膜的陰極，該凹微電極可以由周圍的凹結(jié)構(gòu)保護陰極，從而產(chǎn)生一個傳感器對對流中的樣品不敏感。因為氧擴散到凹部僅限制在凹部內(nèi)，所以可以在不干擾樣品微小電極尖端周圍的溶解氧濃度的來實現(xiàn)的DO濃度的準(zhǔn)確測量。圖1a照片

6、溶解氧微電極陣列及（b）的SEM溶解氧傳感器尖端的形象。最近，我們報道了一個新的針型凹陷溶解氧微電極陣列(zhn li)（MEA）的傳感器采用MEMS技術(shù)制造的（圖1）14,15。彎月面蝕刻(shk)被用來塑造玻璃微電極的軸，而連續(xù)(linx)沉積和金屬的腐蝕和絕緣層允許形成一個凹金陰極中的每個微電極傳感器的前端。方環(huán)型陰極的幾何形狀是根據(jù)芯的形狀、金屬沉積厚度和腐蝕時間（凹部的長度）而形成的。微電極陣列(MEA)傳感器由四個1cm探測器在900微米中心間距上包裝一個設(shè)計好的PCB載體。微電極尖端均為1微米的量級。該傳感器被應(yīng)用到測量在活生物膜中溶解氧的濃度分布 14,15。凹槽尺寸，如深度和

7、直徑，影響傳感器的性能并可在制造過程中控制。然而，很少有報道說它們的影響是由于凹部的制造方法的困難。SCHNEIDERMAN和Goldstick16,17仿照沒有實驗數(shù)據(jù)的氧氣運輸凹陷陰極和McGuyer等18模擬了整個凹陷陰極氧傳感器。Bond等8報道了鑲嵌的理論和實驗計時電流響應(yīng)和凹進盤微電極與開放型微電極未攪動樣品。在本文中，我們實驗研究凹陷尺寸對凹陷陰極DO微電極傳感器的影響。微電極被制成具有不同尺寸的凹槽，有從35到247 微米的凹槽長度范圍和3.0-12.3的長度直徑比。傳感器的性能被刻度，攪拌效果，電流靈敏度，響應(yīng)時間和電流信號響應(yīng)所表征。這項工作將允許凹陷溶解氧微電極優(yōu)化DO測

8、量時的精確度和穩(wěn)定性。方法2.1制造嵌入式陰極(ynj)DO微電極陣列傳感器的制造(zhzo)方法正如我們(w men)在之前詳細(xì)報道的14,15。簡單地說，1厘米長的硼硅酸鹽玻璃探針通過采用厚度為250微米的金剛石磨料樹脂狀刀片削減175微米厚，45mm50mm硼硅玻璃晶片而制成。為了減緩切割過程中壓力，該探針要在550C下進行煅燒。在三個步驟中進行蝕刻。在第一靜步驟，探針在攪拌下向平滑切割表面進行10分鐘蝕刻和使用10：07：33（V / V/ V）的HF，HNO 3和H 2 O的的混合物以2毫米/分鐘的蝕刻速率來減小探頭尺寸19。在第二動態(tài)蝕刻步驟中，玻璃束被撤回逐漸呈錐形。在最后的蝕刻

9、步驟，微電極尖端采用半月板蝕刻被削尖至200納米。探針通過蒸發(fā)TI的20納米和Au的200 nm來鍍膜以建立金陰極。微電極是用UV-固化的環(huán)氧樹脂固定到印刷電路板載體的。圖2。凹陷制造工藝。（a）玻璃芯涂覆有鈦（未示出）和Au層和C型帕利靈絕緣層;（b）斜邊暴露的玻璃芯和金屬層;（c）與HF為基礎(chǔ)的蝕刻液的蝕刻凹進的玻璃芯和Ti（d）蝕刻金搬遷陰極凹槽內(nèi)。圖3該實驗裝置(zhungzh)的傳感器特性的示意圖。凹微電極（工作電極WE），參考(cnko)電極RE和商用電極CE在0.85的NaCl溶液(rngy)進行測試。該凹部形成過程包括絕緣，斜切和蝕刻步驟，如圖2所示，絕緣單個微電極的傳感器，一

10、個1.5-2.0微米厚的C型帕利靈絕緣層涂覆在整個基底在涂布聚對二甲苯（PDS2010 Labcoater）圖2a涂有C型帕利靈微電極尖端呈斜面在45以上的水平面上30分鐘在一個旋轉(zhuǎn)的微量倒角機（BV-10，薩特儀器公司）通過顯微鏡擦亮聚對二甲苯C，鈦/金金屬層的視覺控制之下，玻璃芯（圖2b）露出的玻璃芯和Ti的金屬層是用HF基腐蝕液（圖2c）蝕刻。在最后步驟中，暴露的金金屬層在1:4:40（m/m/ v）的I2，KI和H 2 O混合物中，在蝕刻速率為1.5-2微米/分鐘下進行蝕刻，如圖2d。這最后的蝕刻步驟搬遷金陰極進凹槽內(nèi)。2.2特性描述 在實驗裝置圖3中概要(giyo)說明。凹陷(oxi

11、n)溶解氧微電極的表征和測量可以在一個(y )校準(zhǔn)單元完成。吉時利6487皮可安培計是用來提供極化電位（-750 mV時，氧還原電位）和測量電流響應(yīng)。為了精確測量，溶解氧微電極被極化為幾個小時之前校準(zhǔn)，以除去殘留在陰極表面上的氧分子。在曝氣氧氣混合物中使用市售的Ag / AgCl參考電極（MI -401 ，微電極公司制） 進行傳感器校準(zhǔn)。該氣體混合物準(zhǔn)備了0mg / L的O 2 （0 O2或100 N 2），4.1mg / L的氧氣（10 O 2和90 N 2的混合氣體）和8.7 mg / L的O 2 （21 O2和79 N2的混合氣體）。在測量過程中，一個商用氧毫電極（MI-730，微電極公

12、司）也被用來監(jiān)視測試溶液的氧濃度。所有測量均在0.85 的NaCl （W / V）的生理鹽水溶液中進行。為3點校準(zhǔn)，在鹽溶液中各點通氣20分鐘，以得到均勻的氧濃度。從當(dāng)前數(shù)據(jù)溶解氧微電極在測試溶液被記錄在1赫茲;每次測量在每個氧濃度至少重復(fù)三次。 攪拌效果的測量是在空氣飽和的鹽水溶液采用數(shù)字熱板/攪拌器（銘牌上的PMC720）執(zhí)行。溶解氧微電極被允許申請的氧還原電位在沒有攪拌均勻后，以穩(wěn)定為1分鐘。當(dāng)攪拌器以500rpm運轉(zhuǎn)和在增加20秒100RPM直至達到1000轉(zhuǎn)記錄傳感器數(shù)據(jù)。結(jié)果和討論DO傳感器在兩種不同(b tn)的鹽溶液溶解氧濃度(nngd)以10毫伏/秒（見圖4）的掃描速率(sl

13、)進行循環(huán)伏安測試。純氮氣被用來制備0mg/ L O2生理鹽水溶液，和在室溫溫度下8.7 mg / L的溶解氧鹽溶液作比較。最初和開關(guān)電位分別為0.2和-1.2V，這是適用于凹陷DO工作微電極。循環(huán)伏安顯示出良好的氧化和還原曲線來驗證可靠工作電極，同時也證實了-750mV的偏壓是適當(dāng)?shù)?。由于缺乏氧氣，?mg/ L的O2鹽溶液的曲線是比較低。很顯然，所測量的電流跟溶解氧濃度是成比例的。圖4、凹溶解氧濃度為0 mg / L的O 2（0）和8.7 mg / L的O 2（21）中，以10毫伏/秒的掃描速率下的鹽溶液循環(huán)伏安曲線。表1 傳感器尺寸(ch cun)概要傳感器進行(jnxng)蝕刻一次、兩

14、次，并且在一些情況(qngkung)下3次;以后每次進行開凹槽步驟得到都會更深的凹部。傳感器裝配在此工作和凹槽尺寸匯總于表1中。每一次，感應(yīng)器由一個顯微鏡目視檢查，并有使用不同的溶解氧濃度的解決方案的特點。圖5a顯示了一個微電極連續(xù)凹陷三次（從表1傳感器C）的具有代表性的結(jié)果。由于Paralyne絕緣層的光學(xué)透明性，傳感器的尖端與倒置顯微鏡在發(fā)送模式測量接下的每個蝕刻工序凹部的尺寸。環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM）是用來測量某些傳感器的凹口尺寸和驗證倒置顯微鏡方法的測量精度。圖5b和c比較相同的傳感器尖端使用這兩種方法可視化的代表圖像。因為傳感器被倒角在45角，短邊和長邊的平均長度的被用來作為凹

15、槽的長度。由于微電極的矩形形狀，液壓直徑（DH= 4面積/周長）被使用。在制造的傳感器時包含35-247m的凹槽長度和6.9-33.3米的水力直徑。 SCHNEIDERMAN和Goldsick16模擬凹槽中氧運輸，并得出結(jié)論認(rèn)為，被需要的溶解氧（快速反應(yīng)和微不足道攪拌文物）最佳測量槽長度與陰極直徑為10或更高的比例。因此，在該工作中，lave/ DH比是在3.0-12.3的范圍。圖5.（a）溶解氧傳感器C提示顯微鏡圖像曝光，以下連續(xù)(linx)開凹槽步驟。插圖示意性地示出了寬度和平均長度測量。凹進的尺寸測量是使用顯微鏡（二）影像，以及（c）電子掃描電鏡證實。3.2傳感器性能(xngnng)DO

16、 MEA的敏感性隨槽的長度(chngd)增加而增加。DO MEA傳感器C對每個開槽工序的代表性的電流響應(yīng)示于圖6。傳感器的響應(yīng)是非常穩(wěn)定的。正如預(yù)期的那樣，傳感器表現(xiàn)出小DO的敏感性，沒有凹陷。圖6a示出了刨邊后但在第一個凹部前，該傳感器電流信號在所有三個DO濃度恒定保持在0.5 nA以下。由于槽的長度增加，記錄逐漸提高電流值，在8.7 mg / L O2的第三凹槽可達6.6 nA。傳感器C的溶解氧濃度(nngd)的響應(yīng)函數(shù)示于圖7。校準(zhǔn)曲線顯示了電流響應(yīng)(xingyng)和溶解氧濃度之間的線性關(guān)系，具有較高的相關(guān)系數(shù)。當(dāng)傳感器多次凹陷(oxin)是,敏感度從23尼龍/毫克/ L DO增加到6

17、59尼龍/毫克/升。這些敏感度也比我們以前的報道14,15好，比那些別人用拉移液管法20制備常規(guī)微電極的報道更高。圖6（a）暴露的金陰極（無凹部）電流響應(yīng)，接下的是傳感器C.的第一個（b），第二（c）和第三個（d）凹槽的電流響應(yīng)凹傳感器靈敏度隨凹槽長度的增加而提高，而且越長的凹部導(dǎo)致更高的靈敏度。雖然這是從圖7可明顯看出，但是這個分析是復(fù)雜的，因為這有一個事實就是凹槽的幾何形狀是錐形的。一個非均勻垂直幾何形狀意味著，隨著凹槽長度的增加，電極的大小（特別是周長）也增加，從而導(dǎo)致更高的電流。計算每個傳感器的周長P和每一凹槽工序的確表明該傳感器凹槽有一個金字塔形的幾何結(jié)構(gòu)（表1）。平均來說，從第一至

18、第三凹槽,方形環(huán)電極的周長增加了19。因此，確實增加了敏感性，在某種程度上，增加了電極面積，即增大周長的結(jié)果。然而，這不是唯一的原因，并提出靈敏度數(shù)據(jù)作為凹槽長度的函數(shù)顯示出強的線性關(guān)系，如從圖8中可以看出。圖7 一個(y )DO微電極對傳感器C的第一(dy)，第二和第三的凹部的代表性的三點(sn din)校準(zhǔn)曲線 進行線性回歸分析(fnx)，進一步研究靈敏度對凹槽的長度(chngd)的依賴(yli)。反過來,分析還使我們能夠評估自變量各長度（Lave），直徑(DH ）和周長（ P）占靈敏度（S ）的方差百分比?；谠摲治?，相比較而言，Lave占方差為最大的，達到80 （ F（ 1，10 ）

19、= 35.20 ， P 0.01 ， R2 = 0.80 ），Dh為59 （F（1，10）= 13.09 ，P 0.01 ，R 2 = 0.59 ）和P為60 （F （1,10 ） = 13.28 ，P 0.01 ，R2 = 0.60 ） 。因此，每個參數(shù)對傳感器的靈敏度和性能作出了顯著的貢獻。然而，Lave帶來最強的貢獻。一個循序漸進多元回歸進行進一步研究Lave在其他預(yù)測的貢獻，即Dh和P。具體而言，長度，直徑和周長被輸入在這個順序。加入的直徑和隨后加入的周長，都沒有造成R2在統(tǒng)計上的顯著變化。當(dāng)最后逐步過程中加入Lave時 ,R2的變化仍顯著。圖8溶解氧微電極的靈敏度與槽長度(chngd

20、)的函數(shù)?？傮w而言，Lave單獨(dnd)進入時占了大部分方差(fn ch)，當(dāng)隨直徑和周長一起進入時仍繼續(xù)做出顯著貢獻。因此，盡管周長（和傳感電極面積）是一種顯著因素，但是凹槽長度Lave才是更顯著的因素。因此，這些分析支持一個結(jié)論，即傳感器的靈敏度是凹槽長度Lave的函數(shù)。圖9。溶解氧微電極的時間(shjin)響應(yīng)與凹部幾何(j h)形狀的函數(shù)。實驗數(shù)據(jù)與理論模型(mxng)結(jié)果的吻合度比較好。3.3響應(yīng)時間增加槽的長度導(dǎo)致較慢的傳感器響應(yīng)，從圖6中可以明顯看出。非凹陷傳感器探針表現(xiàn)出最快的（ 5能較好保持Re 5的凹槽尺寸的傳感器被認(rèn)為是穩(wěn)定的，表現(xiàn)出的性能不會受到攪拌和超過500尼龍/

21、 mg / L的敏感性的影響。致謝(zh xi)我們感謝美國國家科學(xué)(kxu)基金會（BES-0529217）和辛辛那提大學(xué)納米科學(xué)學(xué)院及技術(shù)項目的資金(zjn)支持。參考文獻1 I.A. Silver, I. Bergman, Microelectrodes inmedicine, Philos. Trans. R.Soc. London B 316 (1987) 161167.2 R.M. Wightman, Probing cellular chemistry in biological systems with microelectrodes, Science 311 (2006) 1

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