槽尺寸对针型溶解氧微电极传感器性能的影响(中文版)(共22页)

1、槽尺寸(ch cun)对针型溶解氧微电极传感器性能(xngnng)的影响Tae-Sun Lim, Jin-Hwan Lee, Ian Papautsky辛辛那提大学电气(dinq)与计算机工程系摘要在这项工作中，具有不同槽尺寸的针型凹进溶解氧（ DO）微电极传感器被制造和用来表征探讨槽尺寸和传感器性能之间的关系。该凹部内的方环型阴极的几何形状是通过湿法蚀刻形成的，所形成的凹部长度范围从35到 247 微米和以液压直径（Lave/ DH）比例的平均长度从3.0到12.3。在0.85的生理盐水溶液，以3种溶解氧浓度（0，4.1和8.7 mg / L的O 2）对传感器的性能进行表征。对反应时间，搅拌

2、效果（例如敏感性物理干扰）和电流灵敏度进行了研究。较长的凹部增加了传感器的灵敏度。凹槽尺寸Lave/ DH5的传感器被认为是稳定的，表现出的性能不受搅拌效果的影响，超过500pA/ mg / L的敏感性。这项工作将有助于更好地了解凹陷结构的溶解氧传感器的性能和进行精确的溶解氧测量。关键词： 针型传感器、溶解氧传感器、微电极阵列、嵌入式阴极介绍在生理系统和环境系统中的溶解氧（DO ）是一个物理，化学和生化活动的指示。连续监测溶解氧在很多方面的起着关键性作用，不同的技术已经被开发应用于各种研究领域溶解氧的测量，如医学，湖沼学，微生物生态学，环境工程 1-6 。在医学，溶解氧微电极的最重要的应用是在

3、监测组织和细胞行为的研究1,2 。氧微电极也已经被应用于当癫痫发作或周边的身体器官心血管休克时大脑的研究 3 。在这些应用中微探针的两个最重要的准则是，它们不应该破坏生物组织，而应该由生物相容性材料制成。在环境科学，微电极通常用于研究其形成和生长4,5时，生物膜溶解氧浓度分布的测量。在生物膜的代谢反应的产物趋向于形成氧浓度分布，其在很大程度上受反应速率和在生物膜的质量传输速率的影响。因此，氧的流量或氧浓度分布的准确测量是用来评价生物膜反应的动力学6。DO微电极也是微尺度(chd)样品的有效(yuxio)分析研究(ynji)工具。小尖端尺寸和微电极的高空间分辨率通过高清晰度绘制感兴趣地区可以直接

4、测量小样本中的溶解氧浓度。因此，根据调查提供的样品条件的详细信息，可以得到微小样品中的溶解氧精确浓度分布。这些传感器的小针尖大小允许它们在难接近的较大尺寸的电极区域使用，并且可以进行不破坏化学环境的测量。另一个使用微电极测量溶解氧浓度的优点是它们的小电区域（产生的电流通常在PA到nA的范围）是足够的小，小到能最小化地减少阴极上的氧消耗 7 ，从而提高了准确度和低功耗。低电流也导致低电阻的iR损失，这允许测量在支持电解质条件下的低得多的浓度8。三种类型(lixng)的氧微电极是最常见的。首先是Clark型微电极DO，它由带有透气(tu q)膜的工作(gngzu)电极和在电解质中的内置参考电极组成

5、9。因为膜厚度是在传感器性能的关键因素，并且通常难以控制，该传感器的制造工艺复杂，从而导致有限的小型化10-13。其它两个传感器的类型，开放式和凹溶解氧微电极都使用外部参考电极，因而这些传感器的更容易实现小型化。使用外部基准基本上简化了制造，并允许更小的工作电极面积，这是最大限度地减少在工作电极的氧消耗量的关键。与其它设计相比，该凹微电极在感测性能显示了显著优点，尤其是对于搅拌的样品。与无膜的阴极，该凹微电极可以由周围的凹结构保护阴极，从而产生一个传感器对对流中的样品不敏感。因为氧扩散到凹部仅限制在凹部内，所以可以在不干扰样品微小电极尖端周围的溶解氧浓度的来实现的DO浓度的准确测量。图1a照片

6、溶解氧微电极阵列及（b）的SEM溶解氧传感器尖端的形象。最近，我们报道了一个新的针型凹陷溶解氧微电极阵列(zhn li)（MEA）的传感器采用MEMS技术制造的（图1）14,15。弯月面蚀刻(shk)被用来塑造玻璃微电极的轴，而连续(linx)沉积和金属的腐蚀和绝缘层允许形成一个凹金阴极中的每个微电极传感器的前端。方环型阴极的几何形状是根据芯的形状、金属沉积厚度和腐蚀时间（凹部的长度）而形成的。微电极阵列(MEA)传感器由四个1cm探测器在900微米中心间距上包装一个设计好的PCB载体。微电极尖端均为1微米的量级。该传感器被应用到测量在活生物膜中溶解氧的浓度分布 14,15。凹槽尺寸，如深度和

7、直径，影响传感器的性能并可在制造过程中控制。然而，很少有报道说它们的影响是由于凹部的制造方法的困难。SCHNEIDERMAN和Goldstick16,17仿照没有实验数据的氧气运输凹陷阴极和McGuyer等18模拟了整个凹陷阴极氧传感器。Bond等8报道了镶嵌的理论和实验计时电流响应和凹进盘微电极与开放型微电极未搅动样品。在本文中，我们实验研究凹陷尺寸对凹陷阴极DO微电极传感器的影响。微电极被制成具有不同尺寸的凹槽，有从35到247 微米的凹槽长度范围和3.0-12.3的长度直径比。传感器的性能被刻度，搅拌效果，电流灵敏度，响应时间和电流信号响应所表征。这项工作将允许凹陷溶解氧微电极优化DO测

8、量时的精确度和稳定性。方法2.1制造嵌入式阴极(ynj)DO微电极阵列传感器的制造(zhzo)方法正如我们(w men)在之前详细报道的14,15。简单地说，1厘米长的硼硅酸盐玻璃探针通过采用厚度为250微米的金刚石磨料树脂状刀片削减175微米厚，45mm50mm硼硅玻璃晶片而制成。为了减缓切割过程中压力，该探针要在550C下进行煅烧。在三个步骤中进行蚀刻。在第一静步骤，探针在搅拌下向平滑切割表面进行10分钟蚀刻和使用10：07：33（V / V/ V）的HF，HNO 3和H 2 O的的混合物以2毫米/分钟的蚀刻速率来减小探头尺寸19。在第二动态蚀刻步骤中，玻璃束被撤回逐渐呈锥形。在最后的蚀刻

9、步骤，微电极尖端采用半月板蚀刻被削尖至200纳米。探针通过蒸发TI的20纳米和Au的200 nm来镀膜以建立金阴极。微电极是用UV-固化的环氧树脂固定到印刷电路板载体的。图2。凹陷制造工艺。（a）玻璃芯涂覆有钛（未示出）和Au层和C型帕利灵绝缘层;（b）斜边暴露的玻璃芯和金属层;（c）与HF为基础的蚀刻液的蚀刻凹进的玻璃芯和Ti（d）蚀刻金搬迁阴极凹槽内。图3该实验装置(zhungzh)的传感器特性的示意图。凹微电极（工作电极WE），参考(cnko)电极RE和商用电极CE在0.85的NaCl溶液(rngy)进行测试。该凹部形成过程包括绝缘，斜切和蚀刻步骤，如图2所示，绝缘单个微电极的传感器，一

10、个1.5-2.0微米厚的C型帕利灵绝缘层涂覆在整个基底在涂布聚对二甲苯（PDS2010 Labcoater）图2a涂有C型帕利灵微电极尖端呈斜面在45以上的水平面上30分钟在一个旋转的微量倒角机（BV-10，萨特仪器公司）通过显微镜擦亮聚对二甲苯C，钛/金金属层的视觉控制之下，玻璃芯（图2b）露出的玻璃芯和Ti的金属层是用HF基腐蚀液（图2c）蚀刻。在最后步骤中，暴露的金金属层在1:4:40（m/m/ v）的I2，KI和H 2 O混合物中，在蚀刻速率为1.5-2微米/分钟下进行蚀刻，如图2d。这最后的蚀刻步骤搬迁金阴极进凹槽内。2.2特性描述 在实验装置图3中概要(giyo)说明。凹陷(oxi

11、n)溶解氧微电极的表征和测量可以在一个(y )校准单元完成。吉时利6487皮可安培计是用来提供极化电位（-750 mV时，氧还原电位）和测量电流响应。为了精确测量，溶解氧微电极被极化为几个小时之前校准，以除去残留在阴极表面上的氧分子。在曝气氧气混合物中使用市售的Ag / AgCl参考电极（MI -401 ，微电极公司制） 进行传感器校准。该气体混合物准备了0mg / L的O 2 （0 O2或100 N 2），4.1mg / L的氧气（10 O 2和90 N 2的混合气体）和8.7 mg / L的O 2 （21 O2和79 N2的混合气体）。在测量过程中，一个商用氧毫电极（MI-730，微电极公

12、司）也被用来监视测试溶液的氧浓度。所有测量均在0.85 的NaCl （W / V）的生理盐水溶液中进行。为3点校准，在盐溶液中各点通气20分钟，以得到均匀的氧浓度。从当前数据溶解氧微电极在测试溶液被记录在1赫兹;每次测量在每个氧浓度至少重复三次。 搅拌效果的测量是在空气饱和的盐水溶液采用数字热板/搅拌器（铭牌上的PMC720）执行。溶解氧微电极被允许申请的氧还原电位在没有搅拌均匀后，以稳定为1分钟。当搅拌器以500rpm运转和在增加20秒100RPM直至达到1000转记录传感器数据。结果和讨论DO传感器在两种不同(b tn)的盐溶液溶解氧浓度(nngd)以10毫伏/秒（见图4）的扫描速率(sl

13、)进行循环伏安测试。纯氮气被用来制备0mg/ L O2生理盐水溶液，和在室温温度下8.7 mg / L的溶解氧盐溶液作比较。最初和开关电位分别为0.2和-1.2V，这是适用于凹陷DO工作微电极。循环伏安显示出良好的氧化和还原曲线来验证可靠工作电极，同时也证实了-750mV的偏压是适当的。由于缺乏氧气，该0mg/ L的O2盐溶液的曲线是比较低。很显然，所测量的电流跟溶解氧浓度是成比例的。图4、凹溶解氧浓度为0 mg / L的O 2（0）和8.7 mg / L的O 2（21）中，以10毫伏/秒的扫描速率下的盐溶液循环伏安曲线。表1 传感器尺寸(ch cun)概要传感器进行(jnxng)蚀刻一次、两

14、次，并且在一些情况(qngkung)下3次;以后每次进行开凹槽步骤得到都会更深的凹部。传感器装配在此工作和凹槽尺寸汇总于表1中。每一次，感应器由一个显微镜目视检查，并有使用不同的溶解氧浓度的解决方案的特点。图5a显示了一个微电极连续凹陷三次（从表1传感器C）的具有代表性的结果。由于Paralyne绝缘层的光学透明性，传感器的尖端与倒置显微镜在发送模式测量接下的每个蚀刻工序凹部的尺寸。环境扫描电子显微镜（ESEM）是用来测量某些传感器的凹口尺寸和验证倒置显微镜方法的测量精度。图5b和c比较相同的传感器尖端使用这两种方法可视化的代表图像。因为传感器被倒角在45角，短边和长边的平均长度的被用来作为凹

15、槽的长度。由于微电极的矩形形状，液压直径（DH= 4面积/周长）被使用。在制造的传感器时包含35-247m的凹槽长度和6.9-33.3米的水力直径。 SCHNEIDERMAN和Goldsick16模拟凹槽中氧运输，并得出结论认为，被需要的溶解氧（快速反应和微不足道搅拌文物）最佳测量槽长度与阴极直径为10或更高的比例。因此，在该工作中，lave/ DH比是在3.0-12.3的范围。图5.（a）溶解氧传感器C提示显微镜图像曝光，以下连续(linx)开凹槽步骤。插图示意性地示出了宽度和平均长度测量。凹进的尺寸测量是使用显微镜（二）影像，以及（c）电子扫描电镜证实。3.2传感器性能(xngnng)DO

16、 MEA的敏感性随槽的长度(chngd)增加而增加。DO MEA传感器C对每个开槽工序的代表性的电流响应示于图6。传感器的响应是非常稳定的。正如预期的那样，传感器表现出小DO的敏感性，没有凹陷。图6a示出了刨边后但在第一个凹部前，该传感器电流信号在所有三个DO浓度恒定保持在0.5 nA以下。由于槽的长度增加，记录逐渐提高电流值，在8.7 mg / L O2的第三凹槽可达6.6 nA。传感器C的溶解氧浓度(nngd)的响应函数示于图7。校准曲线显示了电流响应(xingyng)和溶解氧浓度之间的线性关系，具有较高的相关系数。当传感器多次凹陷(oxin)是,敏感度从23尼龙/毫克/ L DO增加到6

17、59尼龙/毫克/升。这些敏感度也比我们以前的报道14,15好，比那些别人用拉移液管法20制备常规微电极的报道更高。图6（a）暴露的金阴极（无凹部）电流响应，接下的是传感器C.的第一个（b），第二（c）和第三个（d）凹槽的电流响应凹传感器灵敏度随凹槽长度的增加而提高，而且越长的凹部导致更高的灵敏度。虽然这是从图7可明显看出，但是这个分析是复杂的，因为这有一个事实就是凹槽的几何形状是锥形的。一个非均匀垂直几何形状意味着，随着凹槽长度的增加，电极的大小（特别是周长）也增加，从而导致更高的电流。计算每个传感器的周长P和每一凹槽工序的确表明该传感器凹槽有一个金字塔形的几何结构（表1）。平均来说，从第一至

18、第三凹槽,方形环电极的周长增加了19。因此，确实增加了敏感性，在某种程度上，增加了电极面积，即增大周长的结果。然而，这不是唯一的原因，并提出灵敏度数据作为凹槽长度的函数显示出强的线性关系，如从图8中可以看出。图7 一个(y )DO微电极对传感器C的第一(dy)，第二和第三的凹部的代表性的三点(sn din)校准曲线 进行线性回归分析(fnx)，进一步研究灵敏度对凹槽的长度(chngd)的依赖(yli)。反过来,分析还使我们能够评估自变量各长度（Lave），直径(DH ）和周长（ P）占灵敏度（S ）的方差百分比。基于该分析，相比较而言，Lave占方差为最大的，达到80 （ F（ 1，10 ）

19、= 35.20 ， P 0.01 ， R2 = 0.80 ），Dh为59 （F（1，10）= 13.09 ，P 0.01 ，R 2 = 0.59 ）和P为60 （F （1,10 ） = 13.28 ，P 0.01 ，R2 = 0.60 ） 。因此，每个参数对传感器的灵敏度和性能作出了显著的贡献。然而，Lave带来最强的贡献。一个循序渐进多元回归进行进一步研究Lave在其他预测的贡献，即Dh和P。具体而言，长度，直径和周长被输入在这个顺序。加入的直径和随后加入的周长，都没有造成R2在统计上的显著变化。当最后逐步过程中加入Lave时 ,R2的变化仍显著。图8溶解氧微电极的灵敏度与槽长度(chngd

20、)的函数。总体而言，Lave单独(dnd)进入时占了大部分方差(fn ch)，当随直径和周长一起进入时仍继续做出显著贡献。因此，尽管周长（和传感电极面积）是一种显著因素，但是凹槽长度Lave才是更显著的因素。因此，这些分析支持一个结论，即传感器的灵敏度是凹槽长度Lave的函数。图9。溶解氧微电极的时间(shjin)响应与凹部几何(j h)形状的函数。实验数据与理论模型(mxng)结果的吻合度比较好。3.3响应时间增加槽的长度导致较慢的传感器响应，从图6中可以明显看出。非凹陷传感器探针表现出最快的（ 5能较好保持Re 5的凹槽尺寸的传感器被认为是稳定的，表现出的性能不会受到搅拌和超过500尼龙/

21、 mg / L的敏感性的影响。致谢(zh xi)我们感谢美国国家科学(kxu)基金会（BES-0529217）和辛辛那提大学纳米科学学院及技术项目的资金(zjn)支持。参考文献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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