叉式传感器干货分享：叉指传感器的研究进展以及技术流派前景

发布时间：2024-10-06 10:10:08

干货分享：叉指传感器的研究进展以及技术流派前景

【文章概述】

叉指微电极因其微小的电极间距结构可用于各种小型化传感器，对于传统分析检测，包括色谱法、光谱法、质谱等方法，大多都需要昂贵的仪器和多种操作步骤，使得许多实际问题仍面临困难。开发高灵敏度、低成本，小型化的传感器尤为重要。本文综述了叉指微电极的研究进展，重点介绍了基于叉指微电极的传感器在目前各个领域中的应用。

【叉指微电极】

叉指微电极结构如图 1 所示，具有微小的电极间距结构。该装置的便携性和低成本使其适用于实际生活的使用。

图1 (a) 叉指微电极的实物图；(b) 叉指微电极结构示意图

微叉指电极 的工作原理（如图2所示）是在电极两端加小振幅正弦激励信号产生穿过被测物的电场来改变传感器的阻抗，从而得到被测物浓度与阻抗信号之间的变化关系。阻抗变化来自电极表面的受体与目标分子(抗体、 DNA、蛋白质和其他生物识别元件)结合、细菌或细胞增殖、以及用做标记信号放大的活性酶引起的介质离子浓度变化等。

图2 微叉指电极工作原理示意图

不同领域对叉指微电极的结构参数有不同的要求。如图 3 所示，列出了几种常见的叉指微电极结构，其形状主要有圆形、矩形。

图3 几种常见的叉指微电极结构

圆形叉指微电极又包括螺旋叉指结构和同心叉指结构，如图 4 所示。与矩形叉指微电极相比，螺旋和同心叉指微电极具有旋转对称性，因此产生的电容对传感器和被测材料的相对取向不太敏感。螺旋和同心的叉指微电极的每个电极与其相邻的带相反电荷的指相互作用，与先前开发的圆盘和圆环结构相比，圆形叉指结构比圆盘和环形结构的电极具有更大的敏感区域，覆盖了更多的电极总表面积，其相互作用面积与微电极表面积之比大得多，具有更高的信噪比和更好的材料特性描述精度。因此，在电极直径相同的情况下，叉指结构的电容比简单的盘环结构的电容大得多，灵敏度也高许多。

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图4 螺旋叉指微电极

【叉指微电极的分类】

电极材料对于阻抗系统的灵敏度和选择性是至关重要的。微叉指电极传感器大都用硅、石英或玻璃作为基底，用金、铂、铝、银、氧化铟锡、FTO 导电玻璃、钛、铬、碳等作为电极材料。电极材料的选择与电极的应用、检测介质的成分和检测环境对材料的影响以及制造工艺的可行性相关，需根据实际应用情况进行选择。例如, FTO 电极因其透光性好、电阻低常被用于光电子器件, 金电极能够减少氧化产物，促进氧化还原循环常被用于污染物的检测。

【叉指微电极的制备】

常规制备叉指微电极的工艺步骤肯定少不了清洗步骤，现在食人鱼刻蚀液中将衬底进行浸泡10-15min左右，温度至少在100℃，彻底清除附着于石英玻璃基底上的几乎所有有机质，接着放入装有去离子水的结晶皿中，并进行高温煮沸，最后用干净的高纯 N2 吹去玻璃片上的水分，最后放入干燥箱中充分干燥。叉指微电极结构最为常见的是用铬、金材料制作，此外，氧化铟锡材料具有电阻率低、透光率高、加工性能好、耐化学腐蚀等特点，也是一种良好的电极材料。首先需要在玻璃基底上溅射生长一层均匀覆盖的薄膜，将上一步工艺过程中清洗好的玻璃片放入电子束蒸发镀膜机（磁控溅射也可以实现上述功能）中，抽真空后，先蒸镀20-30nm的Cr，再蒸镀100nm厚度的Au，这样可以提高金电极和基底之间的黏附性，然后使用简单的单掩模光刻工艺进行结构构图和器件的显影，光刻结束后，光刻胶的电极图案就在铬金金属薄膜表面上形成了。通过标准光刻法制造了具有不同间隙尺寸和几何形状的叉指金微电极如图 5 所示。

图5 具有不同间隙尺寸和几何形状的叉指金微电极

【无标记C反应蛋白的检测】： Swaminathan Rajaraman构建了一种基于指状波状微电极阵列（IDWµE）的电化学电容免疫传感器，可直接和无标记地检测C反应蛋白（CRP），使用二硫代双（丙酸琥珀酰亚胺基酯）（DTSP）的自组装单层（SAM）修饰电极阵列以固定抗体。SAM功能化的电极阵列通过原子力显微镜（AFM）和能量色散X射线光谱（EDX）进行了形态学表征。通过X射线光电子能谱（XPS）探测了SAM处理的电极阵列上金-硫相互作用的性质。抗CRP抗体在SAM修饰电极阵列上的共价连接通过AFM进行形态学表征，并通过循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）进行电化学表征。电极阵列中含不同浓度CRP的磷酸盐缓冲盐水（PBS）和人血清（HS）样品的应用导致CRP结合后电极界面电容发生变化。（如图6所示）

图6 基于指状波状微电极阵列（IDWµE）的电化学电容免疫传感器示意图

【悬浮的叉指微电极结构的开发】：利用悬浮的叉指微结构制造了具有高复杂度和互连性的3D叉指热解碳微电极（3D IDE）。基于双光致抗蚀剂工艺，开发了一种用于3D叉指聚合物前体模板的新颖制造方法，该工艺包括在两个不同波长下的多次UV曝光。随后将前体结构在1100°C的N2热解1 h，环境中获得3D叉指状碳微电极。制作了不同的3D电极设计，并通过循环伏安法和电化学阻抗谱（EIS）评估了电化学性能。（如图7所示）

图7 3D叉指热解碳微电极（3D IDE）

【糖尿病检测的应用】： 在过去的几十年里，糖尿病已经成为一个严重的全球性健康问题，对糖尿病的研究，如对其发病机制的理解以及对其长期并发症的预防或改善，变得越来越重要。糖化血红蛋白(HbA1c) 的检测是糖尿病长期血糖控制指标中最重要的诊断检测之一。一种基于阻抗测量的无标记亲和生物传感器被用于 HbA1c 检测，具有价格经济、样品体积小、实验中不需要额外试剂的优势。该传感器中环形叉指微电极的设计不仅有利于促进 HbA1c 的均匀分布以及提高它的固定效率，还能被进一步用于表征阻抗变化和识别 HbA1c 的各种浓度。用噻吩-3-硼酸(T3BA)自组装单层膜修饰金电极表面。然后，HbA1c 和 T3BA 在电极表面上发生酯化反应使得阻抗相对变化。T3BA 自组装单层的环形叉指微电极传感器具有检测范围宽(100 到 10 ng/mL)，产生阻抗的近似对数下降，检测限低(1 ng/mL)的特点，在检测 HbA1c 时，它具备良好的选择性和短期稳定性。小型化和低成本的显著优势填补了便携式传感器的点护理诊断的空白。

图8 环形叉指微电极在糖化血红蛋白检测的应用

环形叉指微电极 已被用于使薄层径向流动池小型化以提高检测灵敏度。环形叉指微电极通过在电极和分析物之间保持一个薄的扩散层，使细胞在工作电极表面均匀分布。环形叉指微电极具有叉指阵列和微电极的所有优点，例如高法拉第电流。环形叉指微电极可应用于高效液相色谱电化学检测器、不同生物分子的选择性检测和微球液相色谱检测等。其各项应用基于不同理论的各种检测技术，包括光学、电化学、放射性和压电原理。与平行面对电极相比，叉指微电极更方便。此外，叉指微电极的主要优点是电场集中在电极表面。为了实现 HbA1c 的集中化，环状叉指结构的应用是必要的。因此，普通矩形结构的叉指微电极被环形结构代替，这改善了非均匀电场问题，有效地减少了电场分裂并提高了检测稳定性。

【备注】

笔者也从事了多年的叉指微电极以及生物电化学传感器的开发，电极的线宽线距可精确控制在3到200um，根据实际需要满足相关的需求。加工精度线宽可达最小可以达3um；耐温测试50~150 ℃；金属层镍，铜，金，镍-磷，金锡合金；基体：氧化铝，氮化铝，玻璃，硅片，压电陶瓷，微波介电陶瓷，塑料薄膜。