（分析化学专业论文）构建金及酶微米图形.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 第一章研究了一种s e c m 沉积金的新方法。它将基底( s i ) 的刻蚀与金属物 质金的沉积相结合，使二者同时进行，制作出了与基底结合牢固的a n 的微米图 形。这一方法的原理是利用探头上产生的h + 使其附近溶液p h 值降低，从而引发 基底上的化学反应。在底部固定有s i 基底的电解池中加入r a u ( c n ) 2 、k f 、和 n a n 0 2 的混合液，然后在s e c m 探头上加正电位使n 0 2 氧化成n 0 3 ，同时h 2 0 释放出i i + 。h + 累积到一定程度是探头附近溶液达到合适p h 值时，引发以下反 应：s i 被f 氧化生成s i f ，基底s i 被刻蚀：同时a , ( c n ) 2 。被还原成a u ，a u 就沉积在s i 基底的凹坑里。讨论了各种因素，如溶液p h 、r , a u ( c n ) 2 、k f 、n a n 0 2 的浓度对a u 沉积的影响。用此方法制作了金的微米阵列和微米线，并用s e c m 收集模式表征出金阵列和微米线的s e c m 图像，其中每个金点的s e c m 图像直 径为5 0 弘m ，实际直径约8 3 弘m 。金线的s e c m 图像宽度为5 3 舯a ，实际宽度 约8 9 m 。 第二章利用s e c m “微试剂模式”构建辣根过氧化物酶( h r p ) 的微米图形。 通过实验发现文献报道的h b r o 使酶失活的方法不能用于构建有活性的酶图形， 所以研究出一种使酶失活速度慢的能够用于构建具有生物活性h r p 微米图案的 方法，即利用s e c m 探头上产生的o h 使固定在基底上的h r p 局部位置失活， 从而构建失活的和保持生物活性的h r p 微米图案。利用生物素和链霉亲和素间 的特异性结合将h r p 固定在聚苯乙烯基底上，以玻璃管和环氧树脂胶绝缘的 劢m 的碳纤维电极作s e c m 探头，在p h = 8 0 的k c i 和b q 溶液中保持探头和基 底距离2 ( m ，恒定探头电位1 7v ( v s a g a g c l ) 使h r p 局部位置失活。然后 用s e c m 反馈模式表征出构建的h r p 图形：在原来的溶液中加入2 0 0 x 1 0 - 3 m o l l h 2 0 2 ，探头上所加的电位为o 2 v ( v s a g a g c l ) ，在该电位下，溶液中的b q 被 还原成h 2 q ，h 2 q 扩散到有活性的h r p 上方时，h 2 q 在h r p 的催化下与h 2 0 2 反应又生成b q ，从而产生正反馈电流；探头在失活的h r f 上方时，扩散到基底 的h 2 q 无法进一步生成b o ，基底阻碍b q 向探头的扩散，探头电流表现为负反 馈。根据探头从有活性的h r p 上方移至失活的h r p 上方时电流降低的原理，得 到了直径约1 5 2 0 9 m 的失活h r p 微米阵列、宽度为2 0 m 左右失活的直线，是 山东大学硕士学位论文 探头直径的2 3 倍，证明了本文研究的探头产物o h 比目前文献报道的h b r o 使 酶失活的速度慢，得到的失活图形窄，能够用于构建具有生物活性的酶图形。构 建且表征出有生物活性的直径约2 0 m 的h r p 直线，实际宽度约4 6 ，t m 。本文 还利用s e c m 的一种可以自动构建图形的技术一“s u r f a c ep a t t e r n e d c o n d i t i o n i n g ”，构建了失活的h r p 文字图形“h ”。 第三章研究了一种新的构建酶图形的方法。首先，利用生物素和链霉亲和素 问的特异性结合将h r p 固定在聚苯乙烯基底上。在p h = 8 0 的k c l 和b q 溶液中， 以带有图形的“印章”电极作为工作电极，铂丝为对电极，a g a g c l 电极为参比 电极。然后，把工作电极固定在铺有h r p 的基底上，给工作电极加1 7v 电位， 反应产生的o h 使h r p 失活，构建失活h r p 直线、文字图形“十”和微米阵列。 最后表征( “读”) 出了构建图形的s e c m 图像，图像中线的宽度约4 0 t i m ，是探 头直径( 1 2 ，l m ) 的约3 倍，从而证明了此方法使酶失活速度慢，凹形电极能够 抑制反应产物的扩散，用这种方法作图时用的仪器非常简单，操作起来也比较方 便，可以用于工业化的批量生产。 第四章利用微通道将基底( s i ) 的刻蚀与金属物质( a u ) 的沉积相结合，制 作了金的和通道形状相同的微米图形。本实验把带有微通道的p d m s 贴在处理 好的硅片上，在微通道中通入p h 为6 的k a u ( c n ) 2 和k f 的混合溶液，溶液和 硅发生化学反应，s i 被f 氧化生成s i f 乒，基底s i 被刻蚀；同时a u ( c n ) 2 被还原 成a u ，a u 就沉积在s i 基底的凹坑里。并且用显微镜和佳能a5 4 0 照相机对其 进行了表征，得到各种金图形的照片。这种沉积是和刻蚀硅同步的，所以用这种 方法沉积的金和基底结合牢固，结构致密，不会出现树枝状沉积；并且这种方法 操作起来比较方便，快捷。是沉积微图形的一种良好的方法。我们又在金图形上 面接上了葡萄糖氧化酶，得到了具有生物活性的葡萄糖氧化酶的图形。 关键词：扫描电化学显微术，印章，微通道，构建，微图形。 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nc h a p t e ro n e ，an e wm e t h o df o rg o l dd e p o s i t i o nb ys e c mw a sd e v e l o p e d g o l dw a sc h e m i c a l l yd e p o s i t e do nas i l i c o ns u b s t r a t eb yt h i sm e a n s as i l i c o n s u b s t r a t ew a sm o u n t e di nac e l l ，t h e np u tt h ee l e c t r o l y t ec o n s i s t e do fk a u ( o 啦、k f a n dn a n 0 2i n t ot h ec e l l a n dt h ec a r b o nf i b e rm i e r o e l e c t r o d et i pw a sm o v e dd o w n t o w a r dt h es u b s t r a t e t h ep r i n c i p l eo ff a b r i c a t i n gm i c r o s t r u c t u r e sw a sb a s e do ut h e l o c a lg e n e r a t i o no f p r o t o n sa tt h et i pt oi n d u c et h es u r f a c er e a c t i o no fg o l dd e p o s i t i o n o nt h es u b s t r a t ei nt h ev i c i n i t yo ft h et i p t h ep r o t o n si n d u c e dt h er e d o xr e a c t i o n b e t w e e na u ( c n ) 2 a n ds i l i c o nw h i c hw e r eg e n e r a t e da tt h et i pb yo x i d i z i n gn i t r i t ei o n s f r o mt h es o l u t i o n s iw a so x i d i z e dt os i f 户，m e a n w h i l e ，t h ea u ( c n ) 2 - i nt h e s o l u t i o nw a sm e t a l l i z e db yt a k i n gt h ee l e c t r o n sr e l e a s e df r o ms i t h ed i f f e r e n t p a r a m e t e r st h a tc o n t r o l l e dt h eg o l dd e p o s i t i o n , s u c ha st h ep h ，t h ec o n c e n t r a t i o n so f t h e 铀( o 嘞、k fa n dn a n 0 2 u s i n gt h em e t h o d , g o l da r r a y sa n dl i n ew e r e f a b r i c a t e da n dc h a r a c t e r i z e db ys e c mg e n e r a t o r - c o l l e c t o rm o d e i nc h a p t e rt w o ，s e c m m i c r o r e a g e n t m o d ew a su s e dt of a b r i c a t eh o r s e r a d i s h p e r o x i d a s e ( h r p ) m i c r o p a t t e r a s t h eh r ps u b s t r a t ew a sm o d i f i e db yu s i n gt h e s e e mt i pt h a te l e c t r o g e n e r a t e do f fi o n st or e a c tw i t ht h es u b s t r a t es u r f a c e t h e r e a c t i o no fb q ，0 2a n dh 2 0a tam i c r o e l e c t r o d et i pg e n e r a t e do h - i o n sw h i c h d e a c t i v a t e dt h el o c a l i z e de n z y m em o l e c u l e sa tt h es u b s t r a t e i n t h em o d e , t h e b i o t i n y l a t e dh r p w a si m m o b i l i z e do nap o l y s t y r e n ep l a t ev i aas t r e p t a v i d i nb r i d g e t h e nt h ee n z y m e i m m o b i l i z e ds u b s t r a t ew a si m m e r s e di n t oab q ，k c ls o l u t i o no h 8 m at h r e e - e l e c t r o d ec o n f i g u r a t i o nc o n s i s t i n go fac a r b o nf i b e rm i c r o e l e c t r o d eo f 7 t md i a m e t e r , ap tw i r ea u x i l i a r ye l e c t r o d ea n da na g a g or e f e r e n c ee l e c t r o d ew a s u s e df o rm i c r o f a b r i c a t i o n w e p l a c e d t h em i c r o e l e c t r o d e t i p o v e rt h e h r p - h n m o b i l i z e ds u b s t r a t ew i t had i s t a n c eo f 也z ma n da p p l i e dap o t e n t i a lo f 一1 7v v s a g a g c it ot h et i pt od e a c t i v et h el o c a l i z e de n z y m em o l e c u l e sn e a r b y a f t e rt h e d e a c t i v a t i o n , t h ec a t a l y t i ca c t i v i t yo ft h eh r ps u b s t r a t ef a b r i c a t e dw a sd e t e r m i n e d u s i n gt h es e c mf e e d b a c km o d e f o rt h i sp u r p o s e 2 0 0 x 1 0 4m o l lh 2 0 2w a sa d d e d 山东大学硕士学位论文 t ot h es o l u t i o n ，a n dt h et i pp o t e n t i a lw a sc h a n g e dt o - 0 2v v s a g a g c lt om o n i t o rt h e r e d u c t i o nc u r r e n to fb q r e c y c l i n go ft i p - g e n e r a t e dh e qt ob qo c c u r r e db e t w e e nt h e s e c mt i pa n dt h ea c t i v eh r ps u r f a c e ，c a u s i n ga ni n c r e a s ei nt i pc u r r e n tb e c a u s eo f p o s i t i v ef e e d b a c kr e d o xc y c l i n g h o w e v e r , a b o v et h ed e a c t i v a t e dh r p , t i p - g e n e r a t e d h 2 qc o u l dn o tb eo x i d i z e dt ob q ，d i f f u s i o no fb qt ot h et i pw a sh i n d e r e da n dt h et i p c u r r e n td e c r e a s e db e c a u s eo fn e g a t i v ef e e d b a c k a st h et i pw a sm o v e do nt h e s u b s t r a t ea tac o n s t a n th e i 【g l i t ，t h ec u r r e n td e p e n d e do nt h eh r p a c t i v i t y t h e r e f o r e , t h er e s u l t i n gp a t t e r n so fh r p , i n c l u d i n gd e a c t i v a t e dl i n e s ，a r r a y s ，a n dt h ea c t i v el i n e a r h r pp a a e mw e r ef a b r i c a t e da n dc h a r a c t e r i z e d w ea l s ou s e d s u r f a c ep a t t e r n e d c o n d i t i o n i n g t e c h n i q u et od e s i g nad e a c t i v a t e d h i e r e l i nc h a p t e rt h r e e ，an e wm e t h o df o rf a b r i c a t eh o r s e r a d i s hp e r o x i d a s e ( h r p ) p a a e r n sw a sd e v e l o p e d f i m t ，t h eb i o t i n y l a t e dh r p w a si m m o b i l i z e do n a p o l y s t y r e n e p l a t ev i aas t r e p t a v i d i nb r i d g e i nt h es o l u t i o no fb q ，k c i ( p h8 0 ) ，w ep l a c e dt h e “s t a m p e r e l e c t r o d eo n t o t h eh r p i m m o b i l i z e ds u b s t r a t e ap tw i r e a u x i l i a r y e l e c t r o d ea n da l la g a g c lr e f e r e n c ee l e c t r o d ew a sh n m e r s e di n t ot h e s o l u t i o n a n d a p p l i e dap o t e n t i a lo f - 1 7vv s a g a g c lt ot h e “s t a m p e r e l e c t r o d e t h er e a c t i o no f b q , o za n dh z oa tt h e s t a m p e d e l e c t r o d eg e n e r a t e do h - i o n sw h i c hd e a c t i v a t e dt h e l o c a l i z e de n z y m em o l e c u l e sa tt h es u b s t r a t e u s i n gt h em e t h o d , d e a c t i v a t e dl i n e s , a r r a y s ，a n dt h ed e a c t i v a t e d “十”l e t t e rw e r ef a b f i c a t e d t h ep a t t e r n sw e r e c h a r a c t e r i z e db ys e c m t h ew i d t ho ft h ed e a c t i v a t e dl i n e si sa b o u t4 0 z m a n dt h r e e t i m e st h ed i a m e t e ro ft h e “s t a m p e r e l e c t r o d e t h er e a c t i o ni ss l o w e rw a sp r o v e db y t h i sm e a n s ，t h ec h a r a c t e ro fc o n t r o lp r o d u c td i f f u s i o nw a sd e t e r m i n e dw i t ht h ef o r mo f t h ee l e c t r o d e i ti ss u i tf o ri n d u s t r i a l i z e dp r o d u c t i o nb e c a u s eo ft h es i m p l ea p p a r a t u s a n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n i nc h a p t e rf o u r , an e wm e t h o df o r g o l dd e p o s i t i o nb ym i c r o c h a n n e lw a s d e v e l o p e d g o l dw a sc h e m i c a l l yd e p o s i t e do nas i l i c o ns u b s t r a t e w eo b t a i n e dt h e g o l dp a t t e r n sw h i c hf i g u r et h es a m et ot h em i c r o c h a n n e l w ep u tt h ep d m sm o d e l o n t oas i l i c o ns u b s t r a t e ，t h e nm a d et h em i x e ds o l u t i o n ( p h6 0 ) o fk a u ( c n ) 2a n dk f 山东大学硕士学位论文 f l o wi nt h em i c r o c h a n n e l t h ep r o t o n si n d u c e dt h er e d o xr e a c t i o nb e t w e e na u ( c n ) 2 a n ds i l i c o n s iw a so x i d i z e dt os i 舻，m e a n w h i l e ，t h ea u ( c n ) 2i nt h es o l u t i o nw a s m e t a l l i z e db yt a k i n gt h ee l e c t r o n sr e l e a s e df r o ms i u s i n gt h em e t h o d , al o to f p a t t e r n sm a yb ef a b r i c a t e d t h ep a t t e r n sw e r ec h a r a c t e r i z e db ym i c r o s c o p ea n d c a m e r a t h ec o a l e s c e n tb e t w e e nt h ed e p o s i t e dg o l da n ds i f i c o ns u b s t r a t ei sv e r yh a r d s i m p l ea p p a r a t u sa n dc o n v e n i e n to p e r a t i o na l es t r o n g p o i n to ft h ee x p e r i m e n t i ti sa g o o dm e t h o df o rf a b r i c a t em i c r o p a t t c r n s f i n a l l y , w eg o tt h ea c t i v eb i o l o g i cp a t t e r n s t h r o u g hp u t t i n gt h eg o xo n t og o l d k e y w o r d s ：s c a n n i n ge l e c t r o c h e m i c a lm i c r o s c o p y , s t a m p e r , m i c r o c h a n n e l ，f a b r i c a t e ， m i c r o p a t t e m 山东大学硕士学位论文 s e c m u m 匣 s t m s c f m s e m d f i t , 8 l t 矗 l g o x i 珏冲 b h s a m s b q h 2 q p d m s p b s p b r g 符号与缩写 扫描电化学显微镜 超微电极 扫描隧道显微镜 扫描激光共聚焦显微镜 扫描电子显微镜 扩散系数 法拉第常数 探头上的稳态扩散电流 探头上的电流 氧化还原反应的电子转移数 探头的校正电流( = f t i t , 8 ) 校正距离( = d a ，d ，探头的基底的距离；a ，探头的半径) 葡萄糖氧化酶 辣根过氧化物酶 酰肼生物素 自组装单分子层 苯醌 氢醌 s y l g r a d1 8 4 硅橡胶 生理盐水 磷酸盐缓冲液 b a ( b 为探头绝缘层的半径和电极半径之和，a 为探头的半径) 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责 任由本人承担。 论文作者签名：驻必i 兰日期：迎2 堡垒目心日论文作者签名：醴丛i 兰日期：迎2 釜生目肟日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：敦圣；i 2 导师签名：群期：删 山东大学硕士学位论文 第一章运用。透镜”原理用“刻蚀沉积”法构建金微米图形 1 1 引言 扫描电化学显微术( s c a n n i n ge l e c t r o c h e m i c a lm i c r o s c o p y ，s e c m ) 是8 0 年 代末由b a r d 小组【1 一q 在超微电极( u m e ) 和扫描隧道显微术( s t m ) 【5 1 的 基础上发展而来的一种新型扫描探针显微镜技术。 近年来，扫描电化学显微镜( s e c m ) 已经逐渐发展成为一种对基底材料进 行表面微修饰和加工的有力工具。其中一个重要的研究方向是在基底上进行各种 材料的沉积。如金属【6 - 1 5 1 和聚合物【1 6 - 2 2 】目前s e c m 金属沉积的工作有 很多，主要包括a n 睁9 】，a g 【1 0 - 1 3 1 ，c o 【1 4 】，n i 【1 5 】等。b a r d 小组【6 】用反 馈模式在导电聚合物膜覆盖的基底上沉积金和钯。实验首先将金的络合离子 a u c l 4 - 和p d c l 4 2 - , 固定在聚乙烯毗啶膜中，探头上产生的还原态物质r u o m 3 ) p 扩散到基底上，会重新被氧化成s u c , n 3 妒+ ，从而使膜内的a u c l 4 和p d a p 同 时被还原成a u 和p d 。检测了影响沉积金属颗粒的大小和形状的因素，并且用几 种技术研究了a u 和p d 沉积的不同。这种方法金属络合离子需要先固定，如果 不固定，金属就会在探头上直接沉积，而不会沉积在基底上。此实验过程复杂， 并且导电聚合物膜的均匀性直接影响沉积金属的质量。m a n d l e r 小组【7 9 】以金 微米电极作为扫描电化学显微镜探头，控制探头阳极溶解产生a u c l 4 - ，同时基底 上加负电位使金电沉积。从而沉积出不同的a u 图形，并对沉积的a u 微基底进 一步修饰，得到葡萄糖氧化酶和荧光染料的微米图案【8 】。并且研究了p h 、基底 电位、沉积时间对组成金微米图形的纳米晶体颗粒结构的影响【9 】。h e i n z e 小组 对a g 的沉积作了两方面工作：一是利用溶液中的苯醌在探头上反应生成的氢醌 还原从a g o 结晶中的a g * ，形成a g 微粒( 图1 - 1 a ) ；然后上一步反应生成的 a g 微粒作为晶核催化a g + 进一步被还原( 图1 - 1 b ) ，从而使a g 晶体在a g c i 表 面逐渐增大。他们根据这个原理，用直径l o , u m 的探头在非导体的基底( a g a g c l 覆盖的样品) 上沉积出宽为7 5 7 5 a m 的a g 线【1 0 1 , 二是利用探头上产生的h + 使溶液中的 a g ( n h 3 ) 2 i + 仅在探头附近的微小区域释放出a g + ，从而使a g 在恒定 了a g + j 丕原电位的基底上沉积【1 1 1 。m a n d l e r 小组【1 2 ，1 3 】以充满a 9 2 s 0 4 水溶 液的微管作为s e c m 探头，探头和a u 基底都浸入硝基苯有机相中，利用水有 山东大学硕士学位论文 机两相电解质溶液间的离子转移引起的电位变化使a g 在金基底表面沉积。沉积 出很多微米点。a b r i l 等【1 4 】以c o 微米电极作为探头，控制探头阳极溶解，同 时a u 基底上加负电位使c o 电沉积。m a s u d a 等【1 5 】在含n i 2 + 的溶液中，以微 米级的p t 探头作为二电极体系的阳极，表面覆盖了具有纳米孔阵列结构的多孔 2 0 3 的a u 基底作为阴极，使n i 在基底上选择性的电沉积。y a m a d a 等【1 6 】还 研究了一种a u 纳米颗粒衍生物一a u n b f c ( 在a u 纳米颗粒表面用硫醇修饰上联 二茂铁) 的电沉积。他们使用s e c m 的“直接模式”，即以大面积的基底作为工 作电极，微米探头作为对电极，通过探头的小尺寸及其与基底的近距离引起基底 上电场的不均一，从而将探头与基底间的电流限制在探头下方很小的区域内，这 样在基底上微小区域沉积不同物质或对基底进行微区修饰。其实验原理如图1 - 2 ， 以p t 微米探头作对电极，大面积的金基底作工作电极，在a u 。b f c 电解质溶液 中通过b f c 的二电子氧化将a i u n b f c 固定在基底上，制作了5 0 8 0 m 的点和 1 0 0 # m 的直线。还用循环伏安法，紫外一可见分光光度法，s t m 和电化学石 英晶体微天平( e q c m ) 对不同溶剂中的沉积过程进行了研究。 以上所有s e c m 沉积金属的工作，都是使沉积的金属覆盖在基底的最表面， 这样就普遍存在一个问题：金属颗粒与基底的附着力不够强，容易脱落。而且， 还有可能产生树枝状沉积。 a b 图1 - 1 由探头产生还原态物质使a g 在非导体基底上沉积的原理示意图 a ，探头上生成的氢醌还原从a g o 中扩散出的a g + ，形成a g 微粒；b ，a g 微粒作为晶核 催化a g + 进一步被还原，a g 晶体逐渐增大。 2 山东大学硕士学位论文 图1 - 2a - b f c 的s e c m 电沉积原理示意图 利用s e c m 研究基底表面微修饰的另一个重要方向是基底材料的刻蚀，包 括金属【1 7 】和半导体【1 8 - 2 0 的表面刻蚀。b a r d 小组【1 7 】利用反馈模式刻蚀 c u 基底。探头上产生的氧化态物质o s ( b p y ) 3 “扩散到c u 基底上，重新被还原成 o s ( b p y ) 3 b ，同时引起c u 的溶解。b a r d 小组【1 8 ，1 9 】还利用反馈模式研究了强氧 化性物质b r 2 对半导体g a a s 的刻蚀。首先溶液中的b r = 在探头上被氧化成b r 2 ， b r 2 扩散到基底上与g a a s 发生氧化还原反应：b r 2 被还原成b r - ，而基底表面的 g a a s 先被氧化成不溶物，然后被溶液中的盐酸溶解成可溶性离子从而脱离基底， 这样就在g a a s 基底表面形成微米级的凹坑。m a n d l e r 小组【2 0 1 同样利用探头产 生的b r 2 的强氧化性对s i 基底进行氧化刻蚀，与以上b a r d 小组工作不同的是s i 被b r 2 氧化生成的不溶物是由氢氟酸溶解掉的。 通过以上的介绍，我们发现目前利用s e c m 在基底表面沉积各种物质和对 基底进行刻蚀两方面工作都是独立研究的，还未见有将二者相结合的工作。本文 工作恰恰是将基底( s i ) 的刻蚀与金属物质( a m ) 的沉积相结合，使二者同时进 行，制作出了与基底结合牢固的a u 的微米图形。实验原理为( 原理图示于图1 - 3 ) ： 首先在底部固定有s i 基底的电解池中加入k a u ( c n ) 2 和k f 的混和液，再加入一 定浓度的n a n 0 2 ，此时不会有任何反应发生。然后在s e c m 探头上加能够使n 0 2 氧化的正电位+ 1 5v ( 慨a g a g c i ) ，从而发生反应( 1 - 1 ) 【1 1 ，2 1 ，n 0 2 - 被氧 化成n 0 3 ，同时h 2 0 释放出时。 3 山东丈学硕士学位论文 n 0 2 。+ h 2 0 _ n 0 3 一+ 2 h + + 2 e 一 ( 1 - 1 ) 探头上产生的h + 累积到一定程度，就会与溶液中的f 结合，生成的h f 扩散到 基底上引起反应( 1 - 2 ) ：s i 被氧化的同时和f 络合生成s i f 6 2 ，从而实现对基底 的刻蚀，同时a u ( c n ) 2 被还原成a u 。 4 a u ( c n ) 2 一+ s i + 6 f 一_ 4 a u + s i f 6 2 一+ 8 c n 一( 1 - 2 ) 图1 - 3s e c m 沉积金原理示意图 通过以上实验原理，我们制作了金的微米阵列和微米线，并且用s e c m 收 集模式进行了表征，得到金阵列和金线的探头扫描曲线，并且扫描出了每个金圆 点直径约5 0 “m 的阵列的s e c m 图像。 1 2 实验部分 1 2 1 实验仪器 c h l 9 0 0 扫描电化学显微镜( c r i 公司，a u s t i n , t x ，u s a ) ；激光拉制机 ( p 2 0 0 0 ，s u t t e ri n s t r u m e n tc o u s a ) ；超声清洗机( b r a n s o n 2 0 0 型，中美合资 4 山东大学硕士学位论文 必能信超有限公司，上海) ；冷场发射扫描电子显微镜( j e o l j s m 7 6 0 0 f 型，日 本电子公司，日本) ；倒置显微镜( x d s - - 1 b ，重庆光学仪器厂，重庆) ：2 0 2 - 0 0 a 数显电热恒温干燥箱( 上海阳光实验仪器有限公司，上海) 。三电极体系由自制 的碳纤维电极、铂辅助电极和a g a g c i 参比电极( 1m o l l k c i ) 组成。 1 2 2 材料与试剂 碳纤维( 直径7g m ，g o o d f e l l o w 公司，c a m b r i d g e ，e n g l a n d ) ；p - s i ( 1 1 1 ) 片( 电阻率6 - 9o - g i l l ，单面抛光，天津市半导体技术研究所，天津) ；n q - 7 0 4 硅橡胶( 南京曲日化工电子研究所，南京) ：银导电胶( p c 船8 9 5 8 型，贵研铂 业股份有限公司，昆明) ；瞬间“5 0 2 ”粘合剂( 山东禹王实业有限公司禹城化工 厂，禹城) ；环氧树脂胶( j d 3 1 l 型，江西宜春市化工二厂，宜春) 。组织培养 皿( 直径3 5m m ，高1 5m m ，上海生工生物工程有限公司，上海) 。 k a u ( c n ) 2 ( 分析纯，贵研铂业股份有限公司，昆明) ；k f - 2 h 2 0 ( 分析纯， 天津市福晨化学试剂厂，天津) ；n a n 0 2 ( 分析纯，天津市化学试剂一厂，天津) ； 氢氟酸( 分析纯，莱阳市远威化工有限公司，莱阳) ；k 4 f e ( c n ) 6 3 h 2 0 ( 分析纯， 天津市化学试剂一厂，天津) ；k 3 f e ( c r ( 分析纯，上海试剂一厂，上海) ；k c l ( 分析纯，天津南开化工厂，天津) ；n a o h ( 分析纯，济南试剂总厂，济南) ； 2 烯丙基苯酚( 9 8 ，l a n c a s t e r ，e n g l a n d ) ；乙二醇独丁醚( 化学纯，北京化工 厂，北京) ；苯酚( 分析纯，莱阳经济技术开发区精细化工厂，莱阳) ；浓氨水 ( 分析纯，济南市红旗第三化工厂，济南) ；丙酮( 分析纯，莱阳市康德化工有 限公司，莱阳) ；硫酸( 分析纯，莱阳市康德化工有限公司，莱阳) ；硝酸( 江苏 南京中山集团公司化工厂，南京) 。3 0 h 2 0 2 ( 分析纯，莱阳市康德化工有限公 司，莱阳) 。乙醇、异丙醇( 分析纯，天津市富宇精细化工有限公司，天津) ；三 氯甲烷( 分析纯，天津市福晨化学试剂厂，天津) ； 电极绝缘液( 6 0 0 x l f f 2m o l l 苯酚和9 0 0 x 1 0 - 2m o l l2 - 烯丙基苯酚) ：在 1 0 m l 小烧杯中，称取0 0 2 8 3g 苯酚，加入5 m l l ：1 甲醇，水溶液，然后加入 相当于甲醇水溶液质量的2 的乙二醇独丁醚，最后称取0 0 6 1 6g2 - 烯丙基苯 酚，混匀。用浓氨水调溶液的p h 为9 0 。 0 5 0 0m o l lk a u ( c 溶液：称取0 1 4 4gk a u ( c n ) 2 ，加水溶解，定容至 1m l 。作为储液保存。 5 山东大学硕士学位论文 2 0 0m o l l k f 溶液：称取1 8 8gk f 2 h 2 0 ，加水溶解，定容至1 0 0m l 。转 移到塑料瓶中保存。 0 8 0 0 m o l l n a n 0 2 溶液：称取5 5 2 9 n a n 0 2 ，用水溶解，定容至1 0 0 m l 。 转移到塑料瓶中保存。 1 0 0 x l f f 2m o l li , ：3 f e c c n ) 6 和0 5 0 0m o l lk c l 溶液：称取o 2 1 1gk 3 f e ( c n ) 6 和1 8 6gk c i ，加水溶解，定容至5 0m l ，避光保存。 1 0 0 x 1 0 - 2m o l lk 4 f e ( c n ) 6 和0 5 0 0m o l lk c i 溶液：称取0 0 4 2 2g k 4 f e ( c n ) 6 3 h 2 0 和0 3 7 3gk c i ，加水溶解，定容至1 0m l ，现用现配。 s c 1 溶液：分别移取1 0m l 浓氨水，1 0m l 3 0 h 2 0 2 和5 0m l 二次水，将 三种溶液混合，得到n h 4 0 h ：h 2 0 2 ：h 2 0 ( 体积比) - - 1 ：1 ：5 。 1 0 0m o l lk c i 溶液：称取7 4 6gk c l ，加水溶解，定容至1 0 0m l 。低浓度 溶液用水稀释而成。 0 5 0m o l ln a o h ：称取5 0gn a o h ，加水溶解，定容至2 5 0m l 。 除注明外，所用其它试剂均为分析纯，溶液均用二次蒸馏水配制。 1 2 3 实验方法 1 2 3 1s i 基底的预处理 首先将硅片用一陶瓷块的锋利面切割成方形( 3m i n x 3m m ) 的小片。使用 前必须经过表面预处理，以获得超洁净和光滑均匀的表面。超洁净硅片表面应具 有如下六个特点1 2 5 】：( 1 ) 无金属污染；( 2 ) 无颗粒污染；( 3 ) 无有机物污染； ( 4 ) 无吸附分子污染；( 5 ) 无自然氧化物生长；( 6 ) 硅片表面以氢为终端。目前有 多种硅片预处理的方法，我们采用文献【3 2 】报道方法进行硅片的彻底清洗。清 洗步骤为：1 为了除去油污，分别在丙酮、三氯甲烷、异丙醇中超声5m i n 后， 再用二次水超声清洗3 次；2 浸入s c - 1 溶液，在7 0 烘箱中保持1 0m i l l ，然 后二次水超声清洗三次，每次5m i n ；3 室温下用h f ：h 2 0 ( 1 ：1 0 ，体积比) 溶液浸泡1r a i n ，然后放入二次水中超声洗1m i n ；4 再将硅片浸入h 2 s 0 4 ：h 2 0 2 ( 7 ：3 ，体积比) 溶液中，在烘箱中保持1 0 0 1 0 m i n ，然后用二次水超声3 次， 每次5m i n ：5 依次按照步骤3 、4 重复实验3 4 次，最后在烘箱中恒温1 0 0 c 烘干即可。 6 山东大学硕士学位论文 1 2 3 2s i 基底的制作 s e c m 沉积金实验使用的硅基底的制作过程示于图1 - 4 。第一步：用银导电 胶把一根细铜丝固定在清洗干净的硅片的反面上( 即粗糙面) ，置于2 1 0 c 烘箱 中烘o 5h ，令银胶充分固化，保持铜丝与硅片导通良好。第二步：拿一个直径 3 5 衄的培养皿，用电钻在其底部钻一个直径1 姗的小孔( 图1 4 a ) 。第三步： 用硅橡胶把接有铜丝的硅片固定在培养皿底部，铜丝通过培养皿底部的小孔伸出 ( 图1 - 4 b ) 。室温放置5 m i n 后，再在6 0 烘箱中烘4 h 待硅橡胶固化，使硅片 与培养皿底部结合牢固。把i - i f ：h 2 0 ( 1 ：1 0 ，体积比) 溶液滴在硅片抛光面上 1 r a i n 后，吸去h f 溶液( 吸的时候吸水纸不要接触硅片) ，用二次水冲洗干净。 这样硅片表面的氧化膜被除去，形成以氢为终端的硅表面，可以在空气中稳定几 个小时不会被重新氧化【2 2 2 4 。s e c m 金沉积与s i 基底刻蚀相结合方法中的硅 基底制作成图1 - 4 b 所示的结构。 兽培养皿底早：兰 图1 - 4 硅基底制作过程示意图 1 2 3