簡(jiǎn)介

電化學(xué)測(cè)量常被用來(lái)檢測(cè)微量物質(zhì)或觀察物質(zhì)的反應(yīng)行為。
在電化學(xué)測(cè)量中，當(dāng)電極面積減少到微米量級(jí)時(shí)，物質(zhì)向電極的擴(kuò)散從線性變?yōu)榍蛐?，從而使單位時(shí)間和單位面積到達(dá)電極表面的物質(zhì)的量增加。 因此，觀察到的電流密度增加，并超過(guò)了常規(guī)測(cè)量的極限，這就是為什么微電極會(huì)引起人們的關(guān)注[1-4]。


因此，利用這些特征可以進(jìn)行生物傳感器[5]、反應(yīng)中間體的檢測(cè)和反應(yīng)過(guò)程的分析[6]、高電阻溶液和固體中的電化學(xué)反應(yīng)[7]，以及有機(jī)電子器件[8-10]等的研究。

使用這些微電極的電化學(xué)測(cè)量具有以下特點(diǎn)
1)由于電極的尺寸較小，電流值較小，可使iR降減少。這使得測(cè)量高電阻的樣品成為可能。
2）雙電層的充電電流減少，可以進(jìn)行高信噪S/N比的快速測(cè)量。由
3）由于擴(kuò)散是各向同性的，電流密度高，可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

近年來(lái)，LSI制造技術(shù)的應(yīng)用不僅可以可靠且高效地制造盤狀和線狀電極，還可以制造形狀復(fù)雜的微電極。
因此，人們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)電極形狀和排列方式，可以獲得諸如電流放大和提升選擇性等功能。

在這里，我們以一個(gè)微小IDA電極為例，剝離金屬（lift up），得到一個(gè)梳狀電極圖案（C）。 圖案的整個(gè)表面被絕緣膜覆蓋，在需要被絕緣膜覆蓋的區(qū)域再次形成光刻膠圖案，如引線區(qū)（D），對(duì)未被抗蝕劑覆蓋的絕緣膜進(jìn)行干蝕，直到電極區(qū)暴露出來(lái)，得到一個(gè)梳狀電極（E）。
另一方面，如果整個(gè)基底表面首先覆蓋一層電極材料的薄膜，然后用蝕刻方法進(jìn)行加工，即使是在低溫下難以制造的材料，如在還原側(cè)具有寬電位窗口的碳薄膜和ITO（透明電極），也可以很容易地加工成微電極[11]。


參考文獻(xiàn)
[1] M.Fleischmann, S.Ponds, D.Roison and P.P.Schmidt "Ultramicroelectrodes", Morganton, N.C., 1987.
[2] S.Ponds and M.Flieschmann, Anal. Chem., 59, 1391A (1987).
[3] D.C.Johnson, M.D.Ryan and G.S.Wilson, Anal. Chem., 60, 147R (1988).
[4] 青木幸一、電気化學(xué)、56, 608 (1988).
[5] J.Janata and A.Bezegh, Anal. Chem., 60, 62R (1988).
[6] J.O.Howell and R.M.Wightman, J. Phys. Chem., 88, 3915 (1984).
[7] L.Geng, A.G.Ewing, J.C.Jernigan and R.W.Murray,Anal.Chem., 54, 852 (1986).
[8] H.S.White, G.P.Kittlesen and M.S.Wrighton, J. Am. Chem. Soc., 106, 5375 (1984).
[9] G.P.Kittlesen, H.S.White and M.S.Wrighton, J. Am. Chem. Soc., 106, 7389 (1984).
[10] E.T.T.Jones, O.M.Chyan and M.S.Wrighton, J. Am. Chem. Soc., 109, 5526 (1987).
[11] H. Tabei, M. Morita, O. Niwa and T. Horiuchi, J. Electroanal. Chem., 334, 25 (1992).

微叉指陣列電極的制作

微叉指陣列電極的制作工序(概要)在圖1中表示。
使用帶氧化膜的3英寸硅基板。首先在基板表面上涂上光刻膠層，再覆蓋上帶圖案的遮光膜，然后進(jìn)行紫外線曝光，再用堿性溶液進(jìn)行顯影后，形成了叉指陣列電極圖案（A ）。接著，將該基板放入濺射裝置中，依次沉積上金屬鉻涂層和金屬金的薄層(B)。
此外，在有機(jī)溶劑中將光刻膠層溶解，將光刻膠上覆蓋的不需要的金屬剝離，得到叉指陣列電極圖案(C)。在該圖案的整個(gè)表面用絕緣膜覆蓋，在需要被絕緣膜覆蓋的部分如引線部分(D)上再次形成光刻膠圖案，沒(méi)有被遮光覆蓋的絕緣膜用干法刻蝕至電極部分露出，得到叉指陣列電極(E)。


另一方面，如果先在基板的整個(gè)表面上覆蓋一層電極材料薄膜，然后通過(guò)蝕刻方法進(jìn)行加工，對(duì)于那些在低溫下很難制膜的具有寬還原電位窗的碳薄膜或ITO（透明電極）膜材料也可以很容易地加工成微電極。

圖 1 微叉指陣列電極的制造工藝（概要）
（*出售的叉指陣列電極可能會(huì)因改良等而略有不同。）

微叉指陣列電極的特點(diǎn)

叉指陣列電極除了作為帶狀電極的集合體之外，通過(guò)將兩個(gè)叉指狀電極彼此的交叉排列（圖3-1），其表現(xiàn)出在其他電極中看不到的有趣行為。即，在一個(gè)電極（G極：generator electrode ）上被氧化的氧化態(tài)物質(zhì)可以在另一電極（C級(jí)：collector electrode）上被還原。

圖3-1 叉指陣列電極的示意圖）

圖 3-2. 氧化還原循環(huán)的概念圖）

使用IDA電極的高靈敏度伏安法

圖4-1是使用叉指陣列電極測(cè)量二茂鐵的循環(huán)伏安圖。

圖4-1 叉指陣列電極的循環(huán)伏安法測(cè)量圖

圖 3-2. 氧化還原循環(huán)的概念圖

自誘導(dǎo)氧化還原循環(huán)

氧化還原循環(huán)是在相鄰的兩個(gè)電極上設(shè)置不同電位時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象（一個(gè)電極是氧化電位，另一個(gè)是還原電位），通過(guò)采用特殊的電極配置，只需控制一個(gè)電極上的電位即可開始氧化還原循環(huán)。

特殊電極結(jié)構(gòu)是指將大面積的導(dǎo)體(大電極)配置在用于控制電位的微電極附近的情況。
當(dāng)微電極外圍為絕緣體時(shí)，微電極產(chǎn)生的還原態(tài)物質(zhì)僅靠濃度梯度自發(fā)擴(kuò)散，以消除濃度差（圖3-2）。然而，當(dāng)大電極設(shè)置在微電極附近設(shè)置了大電極時(shí)，生成的還原態(tài)物質(zhì)擴(kuò)散到大電極，然后在大電極面向微電極的點(diǎn)上被氧化，同時(shí)大電極上遠(yuǎn)離微電極的點(diǎn)上誘發(fā)還原反應(yīng)。此時(shí)，由于氧化反應(yīng)產(chǎn)生的電子在還原反應(yīng)中被消耗，所以電子在大電極內(nèi)部移動(dòng)，即有電流流動(dòng)。

大電極兩端發(fā)生逆向反應(yīng)的原因是為了消除微電極產(chǎn)生的還原態(tài)物質(zhì)的濃度梯度，但由于，大電極中的電子運(yùn)動(dòng)的過(guò)程遠(yuǎn)大于還原態(tài)物質(zhì)的自然擴(kuò)散過(guò)程，成為主導(dǎo)。此外，在大電極處產(chǎn)生的氧化態(tài)物質(zhì)擴(kuò)散到微電極，再次還原從而并引發(fā)氧化還原循環(huán)。

由于這種自然誘導(dǎo)的氧化還原循環(huán)（自誘導(dǎo)氧化還原循環(huán)），通過(guò)僅控制微電極的電位來(lái)放大臨界電流（圖 3-2）。這種自生氧化還原循環(huán)現(xiàn)象是通過(guò)在絕緣體中設(shè)置微圓電極的電極和薄膜分離的宏觀電極中設(shè)置微圓電極的電極中獲得的臨界電流值進(jìn)行比較來(lái)確認(rèn)。

僅控制后一個(gè)微電極的電位得到的極限電流值比控制前一個(gè)電極的電位得到的極限電流值大幾倍，當(dāng)通過(guò)控制電位人為地誘導(dǎo)氧化還原循環(huán)時(shí)，后者的大電極也等于極限電流值。

更直接的確認(rèn)是測(cè)量流過(guò)大電極的電流，這可以通過(guò)電流表將 IDA 的一個(gè)叉指電極連接到另一個(gè)大電極來(lái)實(shí)現(xiàn)。..?表現(xiàn)出自誘導(dǎo)氧化還原循環(huán)時(shí)的電流值等于在雙模式下測(cè)量 IDA 時(shí)的法拉第電流值。
此外，自誘導(dǎo)氧化還原循環(huán)效應(yīng)可以在雙電池中得到證實(shí)，其中 IDA 電極和大電極位于單獨(dú)的電池中，電池通過(guò)鹽橋連接（圖 4-1）。

圖5-1 雙池體系自誘導(dǎo)氧化還原循環(huán)

轉(zhuǎn)換溶出法

如果在容納大電極的電化學(xué)池中的氧化還原物質(zhì)被可沉淀的物質(zhì)代替，也會(huì)能發(fā)生自誘導(dǎo)氧化還原循環(huán)。特別是，通過(guò)使用重金屬離子和鹵素離子，其沉淀和溶解可以通過(guò)電極的電位來(lái)控制，如下所示可以對(duì)檢測(cè)電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換和積分[6-1][6-2]。

在IDA電極一側(cè)的電解池中容納了樣品溶液，而在大電極一側(cè)的電解池中則容納了可沉淀物質(zhì)，然后控制IDA的一組梳狀電極的電位對(duì)樣品進(jìn)行前電解（預(yù)電解）處理（圖6b），由于自我誘導(dǎo)的氧化還原循環(huán)，在大電極上誘導(dǎo)了沉淀反應(yīng)。 根據(jù)電荷守恒定律，該沉淀析出的量等于樣品在梳狀電極上發(fā)生電解的量。

換句話說(shuō)，可以將樣品的檢測(cè)電流轉(zhuǎn)化為另一種物質(zhì)的沉淀電流。此外，樣品的長(zhǎng)期電解會(huì)導(dǎo)致大量沉淀，因?yàn)橹灰獦悠防^續(xù)電解，沉淀反應(yīng)就會(huì)在大電極處繼續(xù)進(jìn)行。換言之，檢測(cè)到的電流可以隨時(shí)間積分。沉積在大電極上的物質(zhì)的量可以通過(guò)的溶出方法進(jìn)行定量（圖 6c）。

這是通過(guò)測(cè)量大電極電位掃描時(shí)獲得的電流峰值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 沉淀的總量以及因此而產(chǎn)生的樣品的總電解量可以通過(guò)峰面積進(jìn)行定量。 假設(shè)在樣品預(yù)電解期間有穩(wěn)定的電流流動(dòng)，可以從由總電解量、預(yù)電解時(shí)間和IDA幾何形狀確定的極限電流值來(lái)確定樣品的濃度。

這種分析方法被命名為轉(zhuǎn)換溶出法，因?yàn)樗菍悠返臋z測(cè)電流轉(zhuǎn)換成另一種物質(zhì)的沉淀電流，沉淀物是通過(guò)普通溶出分析進(jìn)行的。這種分析方法是兩步電流放大法。因此，它可以對(duì)極低濃度的可逆氧化還原物質(zhì)進(jìn)行量化。 換句話說(shuō)，它是氧化還原循環(huán)的第一次電流放大和沉積材料的時(shí)間積分的第二次放大效應(yīng)。

圖 6-1. 轉(zhuǎn)換溶出法原理圖）

參考文獻(xiàn)：
[6-1] T. Horiuchi, O. Niwa, M. Morita and H. Tabei , Anal. Chem.,64 (1992) 3206.
[6-2] T. Horiuchi, O. Niwa, M. Morita and H. Tabei, Denki Kagaku.,60 (1992)1130.

應(yīng)用例(1)氧化態(tài)標(biāo)準(zhǔn)樣品的測(cè)量

作為轉(zhuǎn)換溶出法的測(cè)定例，對(duì)六胺釕的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。六胺釕是以氧化態(tài)溶解的可逆氧化還原物質(zhì)，適合作為轉(zhuǎn)換溶出法的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。
圖7為測(cè)量體系的構(gòu)成示意圖。
對(duì)于測(cè)量池，將特氟隆燒杯與鹽橋連接，鹽橋使用裝有飽和硝酸鉀溶液且管的兩端封入多孔玻璃。IDA、Ag / AgCl 參比電極和 Pt 對(duì)電極放置在左側(cè)池中用于測(cè)量樣品，玻璃碳 (GC) 電極作為大電極放置在右側(cè)池中用于沉淀物。參比電極和對(duì)電極與恒電位儀的對(duì)應(yīng)端子相連，IDA電極的兩個(gè)電極端子和GC電極端子通過(guò)開關(guān)盒與恒電位儀的工作電極端子相連。
該開關(guān)盒用于預(yù)電解階段和溶解剝離階段之間的切換，在預(yù)電解階段，IDA的一個(gè)工作電極（生成電極,G電極）連接到恒電位儀，另一個(gè)工作電極（收集電極, C電極）連接到大電極。在溶出剝離階段，構(gòu)成了一個(gè)電路來(lái)將大電極連接到恒電位儀。
通過(guò)將六胺釕溶解在 pH 4 的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液中制備樣品。用于沉淀的溶液是硝酸銀溶解在硝酸鉀水溶液(0.1mol/dm 3 )中。用轉(zhuǎn)換溶出法檢測(cè)六胺釕分以下兩個(gè)步驟進(jìn)行。

圖7-1 轉(zhuǎn)換溶出法的測(cè)量池配置

圖7-2 轉(zhuǎn)換溶出法的電位印加示意圖

圖7-3 1 µ mol/dm3六胺釕轉(zhuǎn)換溶出伏安圖
(a)，含六胺釕的溶液在 -0.4 V 下預(yù)電解 10 分鐘。
(b)、將含有六胺釕的溶液在 0 V 下預(yù)電解 10 分鐘。
(c)不含六胺釕的溶液在-0.4V預(yù)電解10分鐘。
所有電位掃描速度均為20mV/s

圖7-4 10 pmol/dm3六胺釕轉(zhuǎn)換溶出伏安圖
(a)用含有六胺釕的溶液測(cè)量,(b)不含六胺釕的溶液測(cè)量。每個(gè)伏安圖
右側(cè)的數(shù)字是預(yù)電解時(shí)間。出現(xiàn)在0.3V位置的峰表示檢測(cè)到六胺釕

圖7-5 pmol/dm3濃度范圍的校準(zhǔn)曲線，預(yù)電解時(shí)間為10分鐘。實(shí)線是計(jì)算值。

應(yīng)用例(2)還原態(tài)標(biāo)準(zhǔn)樣品的測(cè)量

到目前為止，我們已經(jīng)介紹了對(duì)溶解在氧化狀態(tài)的氧化還原物質(zhì)應(yīng)用轉(zhuǎn)換溶出法的例子，但是轉(zhuǎn)換溶出法方法也可以應(yīng)用于溶解在還原狀態(tài)的可逆氧化還原物質(zhì)。下面，將介紹合將水溶性二茂鐵作為溶解在還原狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)試樣，用于轉(zhuǎn)換溶出法的結(jié)果。

水溶性二茂鐵的轉(zhuǎn)換溶出法的檢測(cè)機(jī)理和方法與六胺釕相似。不同的是氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)是相反的，對(duì)應(yīng)的電子傳遞的方向也相反。如圖8-1所示，在預(yù)電解階段，在發(fā)生電極上發(fā)生氧化反應(yīng)，在收集電極上發(fā)生還原反應(yīng)，因此收集電極上的還原反應(yīng)所需的電子必須由大電極提供。

圖8-1 溶解的還原態(tài)可逆氧化還原物質(zhì)的預(yù)電解機(jī)理。每個(gè)電極上的氧化和還原反應(yīng)與溶解的氧化態(tài)物質(zhì)時(shí)相反。
IDA電極和大電極之間的電流方向也相反。沉淀的物質(zhì)是陰離子。

圖8-2 水溶性二茂鐵的轉(zhuǎn)換溶出伏安圖

圖8-3 預(yù)電解電位和溶出峰之間的關(guān)系
1μ mol/dm3的水溶性二茂鐵在不同的預(yù)電解電位下被預(yù)電解5分鐘。
實(shí)線是用sigmoid函數(shù)擬合的曲線。

應(yīng)用例(3)微量樣品分析

圖9-1 預(yù)電解電位與溶出峰的關(guān)系。
通過(guò)改變預(yù)電解電位，將 1 µmol/dm3 水溶性二茂鐵預(yù)電解 5 分鐘。
實(shí)線擬合 sigmoid 函數(shù)。

圖9-2 IDA電極上微量樣品的伏安圖。

應(yīng)用例(4)多巴胺的高靈敏選擇性檢測(cè)

圖 10-1. IDA電極上的多巴胺 CV測(cè)量結(jié)果

圖10-2 低濃度多巴胺的伏安圖

圖 10-3 多巴胺極限電流的濃度依賴性圖。

圖10-4多巴胺和抗壞血酸的伏安圖。

圖 10-5 用親水/聚酯離聚物雙層膜修飾的梳狀電極上的多巴胺選擇性
多巴胺：10 μM，L-抗壞血酸，a：0 μM，b：200 μM，c：600 μM，d：1000 μM

應(yīng)用于高效液相色譜的檢測(cè)器

高效液相色譜的電化學(xué)檢測(cè) (HPLC-EC) 與發(fā)光和熒光檢測(cè)一起被認(rèn)為是高靈敏的檢測(cè)方法。在流動(dòng)體系中使用叉指陣列IDA電極進(jìn)行電化學(xué)測(cè)量的效果不如在靜態(tài)體系中的測(cè)量，因?yàn)榱鲃?dòng)減少了氧化還原循環(huán)的次數(shù)。但是，近年來(lái)，生物樣品等的測(cè)定使用 1 mm 以下的極小色譜柱，在這種情況下，使用叉指陣列IDA電極作為檢測(cè)器是有效的，因?yàn)榕c傳統(tǒng)電極相比，它使用了非常小的流速。

圖 11. 標(biāo)準(zhǔn)尺寸微孔柱與IDA電極檢測(cè)器組合得到的多巴胺校準(zhǔn)曲線 ○：3mm 直徑柱 □：1mm 直徑微孔柱