CN104831261A - 一种微环电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于金膜材料的微环电极及其制备方法。该方法首先在羟基化后的毛细管内壁自组装上聚多巴胺层，然后利用氨基和羟基与纳米金的静电，范德华力及氢键等作用自组装上单层金或铂纳米粒子，最后在管内引入含有氯金酸和盐酸羟胺的化学镀液使生长成金或铂薄膜。该方法制备金膜或铂膜微电极，简单易行，可在玻璃或石英管内壁形成均匀和厚度可控的金膜或铂膜。该方法所制备的单根微电极可潜在应用于活体原位或细胞表面化学物质的释放分析。
Description
技术领域
本发明属于微电极制备领域，涉及一种微环电极及其制备方法。
背景技术
超微电极又称作微电极，是指电极的一维尺寸为微米或纳米级的一类电极(通常至少一个维度要小于25微米)，由Wightman和Fleischmann等人引入到电分析化学领域中[Wightman R M,Microvoltammetric Electrodes[J].Anal.Chem.1981，53(9)：1125A-1134A；Fleischmann M，Pons S.The Behavior of Microelectrodes[J].Anal.Chem.，1987,59(24)：1391A-1399A]。微电极具有充电电流较小、质速率快、电子输运率较高、RC常数较小及欧姆降较小、高的信噪比等常规电极无法比拟的特性，因此可满足电化学分析在特殊场合下的应用。微电极的应用促进了电分析化学领域的飞速发展，使电分析化学在化学介质、方法学研究、时间和空间方面得到很大程度的扩展。为了更好地将微电极应用于生命科学领域，减少活体检测时对生命组织的损害，以及开展单细胞探测，需要进一步减小工作电极的有效尺寸。贵金属超微电极可用于化学分析、环境科学和生物医药等许多领域的研究，但因其制备不易，特别是尖端仅为几个微米或者亚微米的电极的制备报道不多，使其研究及应用受到极大限制。
目前对于小尺寸贵金属微电极的制备主要是先将不同的电极材料如金、铂、银、镍、钨等材料固定于绝缘支撑体内部形成微电极，再运用等离子轰击法[Zhang X,ZhangW,Zhou X,et al.Fabrication,characterization,and potential application of carbon fibercone nanometer-size electrodes[J].Anal.Chem.1996,68(19):3338-3343]或者交流电刻蚀法[Woo D H,Kang H,Park S M,et al.Fabrication of nanoscale gold disk electrodes usingultrashort pulse etching[J].Anal.Chem.2003,75(23):6732-6736]将一根较粗的金属丝(如几十个微米直径)“削去”一部分变成微米或者纳米级的微电极，该“自上而下”的制备方法需要专用的设备和装置，同时也只能得到盘状为主的微电极。
发明内容
本发明的目的是提供一种微环电极及其制备方法。
本发明提供的制备金材料微电极及其微电极阵列的方法，包括如下步骤：
1)在注射泵的推动作用下，清洗支撑体后，用羟基化试剂对支撑体的内壁进行羟基化，再在羟基化后的内壁表面固定一层聚多巴胺膜，用水清洗后，推入纳米金溶胶或纳米铂溶胶，再用水清洗后，推入由氯金酸或氯铂酸与盐酸羟胺组成的混合液，即在所述支撑体的内壁沉积而得一层金膜或铂膜；
所述支撑体为单个微电极的支撑体或微电极阵列的支撑体；
2)将步骤1)所得沉积有金膜或铂膜的支撑体烘干，将铜丝插入支撑体内与金膜或铂膜接触后，将支撑体的尖端和尾端密封，固化，得到所述微电极和/或微电极阵列。
上述方法的步骤1)中，构成所述支撑体的材料为玻璃或石英；
所述支撑体为带有微米级尖端的毛细管；
所述微米级尖端的直径具体为5-50μm；
所述金膜或铂膜的厚度为200nm-2μm，具体为2μm。
所述单个微电极的支撑体是按照如下步骤制备而得：将一根直径为1mm的玻璃毛细管或者石英管在拉制仪上拉制得到微米级的尖端。
所述步骤1)清洗步骤中，清洗所用溶剂均依次为丙酮和去离子水；所述丙酮和去离子水的体积均为1.0-6.0mL，具体为1.5mL或2.0mL；清洗的流速均为10-25μL/min，具体可为20μL/min；
所述羟基化步骤中，所用羟基化试剂由体积比为7：3的浓硫酸和双氧水组成，也即piranha溶液，所述浓硫酸的质量百分浓度为98％，所述双氧水的质量百分浓度为30％；羟基化的时间为10min-30min；
所述固定步骤中，所用试剂为多巴胺的tris溶液，pH值为8-9，具体为8.5；浓度均为2-5mg/mL，具体为2mg/mL；固定的时间为3h-4h，具体为3.3h；试剂的流速为10-30μL/min，具体为20μL/min；多巴胺水溶液在空气中氧化即得聚多巴胺；氧化后的聚多巴胺既有羟基又有氨基，所以可以通过粘附并固定在内壁上同时完成氨基化和羟基化；
所述推入纳米金溶胶或纳米铂溶胶的步骤中，纳米金溶胶或纳米铂溶胶的用量为4.0-5.0mL，流速为10-30μL/min，具体为25μL/min；金溶胶和铂溶胶的作用都是作为种子溶液，可以诱导并加速盐酸羟胺还原氯金酸时生成纳米金或纳米铂的速度，有利于在管内壁生长一层致密均匀的金膜或铂膜。
所述纳米金溶胶是按照包括如下步骤的方法制备而得：
将氯金酸的水溶液加热至沸后与柠檬酸钠的水溶液混合回流进行反应，反应完毕而得；
所述纳米铂溶胶是按照包括如下步骤的方法制备而得：
将氯铂酸的水溶液加热至沸后与柠檬酸钠的水溶液混合回流进行反应，反应完毕而得。
其中，所述氯金酸或氯铂酸的水溶液的质量百分浓度为0.01％-0.2％，具体可为0.05％或0.1％或0.2％；
所述柠檬酸钠的水溶液的质量百分浓度为0.1％-1.0％，具体可为0.6％或1.0％；
所述氯金酸或氯铂酸的水溶液与柠檬酸钠的水溶液的体积比为40-100:1，具体可为50:1；
所述反应步骤中，时间为9min-50min，具体为10min、12min、50min。
所述由氯金酸或氯铂酸的水溶液和盐酸羟胺的水溶液组成的混合液中，氯金酸或氯铂酸的水溶液的质量百分浓度为0.01％-0.2％，盐酸羟胺的水溶液浓度为2-16mmol/L，氯金酸或氯铂酸的水溶液和盐酸羟胺的水溶液的体积比为10:1-10:2；所述由氯金酸或氯铂酸和盐酸羟胺组成的混合液的用量为0.5-5mL，具体为4.0mL；推入的流速为60-80μL/min，具体为80μL/min。
所述步骤2)烘干步骤中，温度为70-90℃，具体可为80℃；时间为6h-12h。所述密封步骤中，所用密封胶为环氧树脂；各种常用的密封胶均适用于该方法，如环氧树脂。
另外，按照上述方法制备得到的微电极和/或微电极阵列及该微电极和/或微电极阵列在微区分析中的应用，也属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种制备金或铂材料微环电极及微环电极阵列的方法。该方法首先在羟基化后的毛细管内壁自组装上聚多巴胺层，然后利用氨基和羟基与纳米金的静电作用自组装上单层金纳米粒子，最后在管内引入含有氯金酸和盐酸羟胺的化学镀液使生长成金薄膜。该方法可在毛细管内壁形成均匀和厚度可控的金层。与现有的使用硅烷化试剂制备微电极技术相比，该方法简单易行，无毒无害，成本低廉，可拓展至制备其他金属如银、铂材料的微电极及微电极阵列，易于实现批量生产，所制得的电极尺寸可控，最小尖端可达500nm，可用于微区分析。
附图说明
图1为毛细管内壁自组装纳米金溶胶和生长金薄膜制备微电极原理图。
图2为沉积金膜前后在倒置生物显微镜下观察玻璃毛细管尖端图像，A为沉积金膜前，尖端可为5～20μm，B为沉积金膜后约5～50μm左右。
图3为经过封装、打磨以后形成的单根金膜微电极在1mM甲醇二茂铁溶液中(0.1mol/L KNO3作支持电解质溶液)表征的循环伏安图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
实施例1、制备金膜微电极
1)纳米金溶胶的制备：
将100mL质量百分浓度为0.1％的氯金酸的水溶液加热至沸后，加入2.5mL质量百分浓度为1％的柠檬酸钠的水溶液，回流10min，溶液由金黄色变为紫红色，移去热源，待溶液冷却到室温，得到纳米金溶胶，低温避光保存。
2)支撑体的制备：
将一根石英毛细管在P-97拉制仪上拉制成微米级的尖端，该微米级尖端的直径为5-50μm，作为下一步制备金膜电极的支撑体。
3)毛细管内壁湿法沉积金：
在微量注射泵的推动作用下，将2.0mL丙酮、1.5mL去离子水依次推入2)中拉制好的支撑体进行清洗，清洗的流速均为20μL/min；
再将由体积比为7:3的H2SO4/H2O2组成的piranha溶液在毛细管内壁进行表面羟基化10min后；
在微量注射泵的推动作用下，将4.0mL质量浓度为2mg/mL的多巴胺水溶液在空气中氧化10min，以20μL/min的流速推入内壁已经羟基化的毛细管支撑体中固定多巴胺膜，处理3.3h后，之后用去离子水清洗干净；
再在微量注射泵的推动作用下，将4.0mL金溶胶溶液以25μL/min的流速推入内壁已经固定多巴胺膜的毛细管支撑体中，使纳米金固定于多巴胺膜上，之后用去离子水清洗干净；
再在微量注射泵的推动作用下，将体积比为10:1的由质量百分浓度为0.1％氯金酸的水溶液与4mmol/L的盐酸羟胺的水溶液组成的4.0mL混合液以80μL/min的流速推入内壁已经固定纳米金的毛细管中，毛细管内壁即可生长成连续均匀且外观光亮的纳米至微米厚度的Au膜；
毛细管表面功能化和沉积金层的化学过程以及毛细管内壁沉积金膜前后的实物照片图如图1、图2中A、B所示；
4)微电极的导通与封装制作：
将步骤3)所得沉积有金膜的支撑体于80℃烘干12h后，将铜丝插入支撑体内与金膜接触，利用环氧树脂将毛细管的尖端和尾端进行密封，烘干固化，即得到本发明提供的用湿法沉积制备的金材料微电极。
图3所示的是该实施例中经过封装以后形成的单根金膜微环电极在1mM甲醇二茂铁的KNO3溶液中表征的循环伏安图，循环伏安曲线呈现“S”形，显示出典型的微电极的稳态响应电流，说明了Au膜成功地生长于毛细管内壁并形成了微电极。
实施例2、制备金膜微电极
1)纳米金溶胶的制备：按照实施例1步骤1)，仅将质量百分浓度为0.1％的氯金酸的水溶液替换为0.05％的氯金酸的水溶液；
2)支撑体的制备：同实施例1步骤2)；
3)毛细管内壁湿法沉积金：
在微量注射泵的推动作用下，将2.0mL丙酮、2mL去离子水依次推入2)中拉制好的支撑体进行清洗，清洗的流速均为10μL/min；
再将由体积比为7：3的H2SO4/H2O2组成的piranha溶液在毛细管内壁进行表面羟基化10min后；
在微量注射泵的推动作用下，将3.0mL质量浓度为4mg/mL的多巴胺水溶液在空气中氧化15min，以10μL/min的流速推入内壁已经羟基化的毛细管支撑体中固定多巴胺膜，处理5h后，之后用去离子水清洗干净；
再在微量注射泵的推动作用下，将3.0mL金溶胶溶液以30μL/min的流速推入内壁已经固定多巴胺膜的毛细管支撑体中，使纳米金固定于多巴胺膜上，之后用去离子水清洗干净；
再在微量注射泵的推动作用下，将体积比为10:2的由质量百分浓度为0.1％氯金酸的水溶液与8mmol/L的盐酸羟胺的水溶液组成的3.0mL混合液以60μL/min的流速推入内壁已经固定纳米金的毛细管中，毛细管内壁即可生长成连续均匀且外观光亮的纳米至微米厚度的Au膜；
4)微电极的导通与封装制作：
将步骤3)所得沉积有金膜的支撑体于70℃烘干12h后，将铜丝插入支撑体内与金膜接触，利用环氧树脂将毛细管的尖端和尾端进行密封，烘干固化，即得到本发明提供的用湿法沉积制备的金材料微电极。
实施例3、制备金膜微电极
1)纳米金溶胶的制备：按照实施例1步骤1)，仅将质量百分浓度为0.1％的氯金酸的水溶液替换为0.2％的氯金酸的水溶液，将2.5mL质量百分浓度为1％的柠檬酸钠的水溶液替换为2.0mL0.6％的柠檬酸钠的水溶液；
2)支撑体的制备：同实施例1步骤2)；
3)毛细管内壁湿法沉积金：
在微量注射泵的推动作用下，将2.0mL丙酮、3.0mL去离子水依次推入2)中拉制好的支撑体进行清洗，清洗的流速均为25μL/min；
再将由体积比为7:3的H2SO4/H2O2组成的piranha溶液在毛细管内壁进行表面羟基化30min后；
在微量注射泵的推动作用下，将2.0mL质量浓度为5mg/mL的多巴胺水溶液在空气中氧化5min，以30μL/min的流速推入内壁已经羟基化的毛细管支撑体中固定多巴胺膜，处理1.1h后，之后用去离子水清洗干净；
再在微量注射泵的推动作用下，将2.0mL金溶胶溶液以10μL/min的流速推入内壁已经固定多巴胺膜的毛细管支撑体中，使纳米金固定于多巴胺膜上，之后用去离子水清洗干净；
再在微量注射泵的推动作用下，将体积比为10:1的由质量百分浓度为0.2％氯金酸的水溶液与8mmol/L的盐酸羟胺的水溶液组成的5.0mL混合液以100μL/min的流速推入内壁已经固定纳米金的毛细管中，毛细管内壁即可生长成连续均匀且外观光亮的纳米至微米厚度的Au膜；
4)微电极的导通与封装制作：
将步骤3)所得沉积有金膜的支撑体于90℃烘干8h后，将铜丝插入支撑体内与金膜接触，利用环氧树脂将毛细管的尖端和尾端进行密封，烘干固化，即得到本发明提供的用湿法沉积制备的金材料微电极。
实施例4、制备铂材料微电极
1)纳米铂溶胶的制备：
将100mL质量百分浓度为0.01％的氯铂酸的水溶液加热至沸后，得到黄色溶液，加入2.5mL质量百分浓度为0.03％的柠檬酸钠的水溶液，回流50min，溶液变为棕色，移去热源，待溶液冷却到室温，得到纳米铂溶胶，低温避光保存。
2)支撑体的制备：同实施例1步骤2)；
3)毛细管内壁湿法沉积铂：
在微量注射泵的推动作用下，将2.0mL丙酮、1.5mL去离子水依次推入2)中拉制好的支撑体进行清洗，清洗的流速均为20μL/min；
再将由体积比为7:3的H2SO4/H2O2组成的piranha溶液在毛细管内壁进行表面羟基化10min后；
在微量注射泵的推动作用下，将4.0mL质量浓度为2mg/mL的多巴胺水溶液在空气中氧化10min，以20μL/min的流速推入内壁已经羟基化的毛细管支撑体中固定多巴胺膜，处理3.3h后，之后用去离子水清洗干净；
再在微量注射泵的推动作用下，将4.0mL铂溶胶溶液以25μL/min的流速推入内壁已经固定多巴胺膜的毛细管支撑体中，使纳米铂固定于多巴胺膜上，之后用去离子水清洗干净；
再在微量注射泵的推动作用下，将体积比为10:1的由质量百分浓度为0.1％氯铂酸的水溶液与4mmol/L的盐酸羟胺的水溶液组成的4.0mL混合液以80μL/min的流速推入内壁已经固定纳米铂的毛细管中，毛细管内壁即可生长成连续均匀且外观光亮的纳米至微米厚度的Pt膜；
4)微电极的导通与封装制作：
将步骤3)所得沉积有铂膜的支撑体于80℃烘干12h后，将铜丝插入支撑体内与铂膜接触，利用环氧树脂将毛细管的尖端和尾端进行密封，烘干固化，即得到本发明提供的用湿法沉积制备的铂材料微电极。
Claims (9)
1.一种制备微电极和/或微电极阵列的方法，包括如下步骤：
1)在注射泵的推动作用下，清洗支撑体后，用羟基化试剂对支撑体的内壁进行羟基化，再在羟基化后的内壁表面固定一层聚多巴胺膜，用水清洗后，推入纳米金溶胶或纳米铂溶胶，再用水清洗后，推入由氯金酸或氯铂酸与盐酸羟胺组成的混合液，即在所述支撑体的内壁沉积而得一层金膜或铂膜；
所述支撑体为单个微电极的支撑体或微电极阵列的支撑体；
2)将步骤1)所得沉积有金膜或铂膜的支撑体烘干，将铜丝插入支撑体内与金膜或铂膜接触后，将支撑体的尖端和尾端密封，固化，得到所述微电极和/或微电极阵列。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，构成所述支撑体的材料为玻璃或石英；
所述支撑体为带有微米级尖端的毛细管；
所述微米级尖端的直径具体为5-50μm；
所述金膜或铂膜的厚度为200nm-2μm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述单个微电极的支撑体是按照如下步骤制备而得：将一根直径为1mm的玻璃毛细管或者石英管在拉制仪上拉制得到微米级的尖端。
4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于：所述步骤1)清洗步骤中，清洗所用溶剂均依次为丙酮和去离子水；所述丙酮和去离子水的体积均为1.0-6.0mL；清洗的流速均为10-25μL/min；
所述羟基化步骤中，所用羟基化试剂由体积比为7：3的浓硫酸和双氧水组成，所述浓硫酸的质量百分浓度为98％，所述双氧水的质量百分浓度为30％；羟基化的时间为10min-30min；
所述固定步骤中，所用试剂为多巴胺的tris溶液，pH值为8.0-9.0，浓度为2mg/mL-5mg/mL；固定的时间为3h-4h，试剂的流速为10μL/min-30μL/min；
所述推入纳米金溶胶或纳米铂溶胶的步骤中，纳米金溶胶或纳米铂溶胶的用量为4.0-5.0mL，流速为10μL/min-30μL/min；
所述由氯金酸或氯铂酸的水溶液和盐酸羟胺的水溶液组成的混合液中，氯金酸或氯铂酸的水溶液的质量百分浓度为0.01％-0.2％，盐酸羟胺的水溶液的浓度为2-16mmol/L，氯金酸或氯铂酸的水溶液和盐酸羟胺的水溶液的体积比为10：1-10：2；所述由氯金酸或氯铂酸和盐酸羟胺组成的混合液的用量为0.5-5.0mL；推入的流速为60μL/min-80μL/min。
5.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于：所述步骤2)烘干步骤中，温度为70-90℃；时间为6h-12h。
6.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，纳米金溶胶是按照包括如下步骤的方法制备而得：
将氯金酸的水溶液加热至沸后与柠檬酸钠的水溶液混合回流进行反应，反应完毕而得；
所述纳米铂溶胶是按照包括如下步骤的方法制备而得：
将氯铂酸的水溶液加热至沸后与柠檬酸钠的水溶液混合回流进行反应，反应完毕而得。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述氯金酸或氯铂酸的水溶液的质量百分浓度均为0.01％-0.2％；
所述柠檬酸钠的水溶液的质量百分浓度为0.1％-1.0％；
所述氯金酸或氯铂酸的水溶液与柠檬酸钠的水溶液的体积比或氯铂酸为40：1-100：1；
所述反应步骤中，时间为9min-50min。
8.权利要求1-7中任一所述方法制备得到的微电极和/或微电极阵列。
9.权利要求8所述微电极和/或微电极阵列在微区分析中的应用。
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