Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
следует отметить, что существующее оборудование для тонкопленочной и
твердотельной технологии в принципе позволяет
312
Глава 21
изготавливать даже субмикронные структуры, что может существенно
расширить область применения миниатюрных микроэлектродов.
Покрывая тонкопленочные электроды стандартным электролитом и
ионоселективной мембраной [1], можно получать тонкопленочные
ионоселективные электроды. Такие двух- или трехэлектродные устройства
могли бы служить измерительными вольтамперометрическими системами,
обладающими преимуществами микроэлектродов [3].
Основные ограничения в применении тонкопленочных электродов налагаются
качеством электродного и изолирующего материала, что, кстати, необходимо
учитывать при разработке потенциометрических и вольтамперометрических
химических сенсоров. Одной из проблем является то, что потенциал Ag/AgCl-
электродов зависит от концентрации С1", а это может приводить к серьезным
искажениям сигнала. Еще одна проблема обусловлена тем, что в случае
двухэлектродной вольтамперометрической системы электрод сравнения должен
быть намного больше рабочего электрода. В трехэлектродной системе
минимальный размер Ag/AgCl-электрода сравнения определяется током утечки
усилителя, поскольку этот ток может быть достаточно велик, чтобы
управлять осаждением Ag/AgCl и тем самым изменением потенциала электрода.
Кроме того, тогда становятся невозможными вольтамперометрические
измерения in vivo, поскольку ткань раздражается проходящим при этом
током. Первым реальным шагом в преодолении указанных проблем была
разработка новых миниатюрных электродов камерного типа.
21.4. Электроды камерного типа
На рис. 21.9 показаны поперечное сечение и вид сверху электрода камерного
типа. В отличие от устройства на рис. 21.2, где плоский тонкий слой
изолятора покрывает тонкие металлические связующие дорожки и ансамбль
тонкопленочных электродов, здесь изоляционный слой сверху изогнут и
образует камеру, закрывающую электрод. Контакт между электродом и
анализируемым раствором осуществляется через отверстие в камере, размер
которого и определяет фактический размер регистрирующего участка системы.
На рис. 21.10 приведена СЭМ-фотография электрода камерного типа,
сформированного в слое изолятора Si3N4 толщиной 3 мкм путем химического
напыления в плазме [17, 25]. Диаметр отверстия равен 15 мкм. Высота,
ширина и длина камеры составляют соответственно примерно 3, 45 и 80 мкм.
Найденная частотная зависимость импеданса показывает, что сопротивление
электролитного мостика в этой камере ниже мегаомного диапазона. Кроме
того, Ag/AgCl-электроды, закрытые такими камерами, становятся
нечувствительными к быстрым флуктуациям концентрации
г
Рис. 21.9. Поперечное сечение и вид сверху электрода камерного типа. 1 -
тонкий металлический токоподвод;
2-изолирующий слой; 3-камера; 4-подложка; 5-электрод; 6 - регистрирующий
участок.
Тонкопленочные микроэлектроды
313
Рис. 21.10. Фотография электрода камерного типа, полученная с помощью
сканирующего электронного микроскопа (увеличено в 1000 раз).
хлорид-ионов. Время отклика на изменения концентрации С1" может
увеличиться до В с, если расстояние между электродом и отверстием равно
30 мкм, и до 150 с при расстоянии 80 мкм. Эти результаты позволяют
надеяться, что может быть найдена такая конструкция камеры, которая
существенно улучшит качество миниатюрных электродов сравнения.
Основные преимущества камерных датчиков заключаются в следующем:
1) можно исключить прямой контакт между тканью и электродным материалом;
2) рабочая площадь элекрода не зависит от его размера, а определяется
размером отверстия;
3) поскольку можно использовать электроды большой площади, искажение
сигнала может быть минимальным;
4) миниатюрные электрохимические ячейки можно конструировать таким
образом, чтобы получались потенциометрические или вольтамперометрические
сенсоры.
Поместив в камеру ионоселективную мембрану, сенсоры этого типа можно
использовать как ионоселективные электроды, а нанеся ферментный слой,
можно получить ферментный электрод. Камера не только защищает селективные
мембраны и слои от любого механического воздействия, но и обеспечивает
приведение в контакт с пробой лишь небольшой части селективной мембраны,
что увеличивает время жизни миниатюрного сенсора. В том случае, когда
камера закрывает ряд электродов, вольтамперометрические изменения можно
использовать прежде всего для определения состава растворов. Камерная
конструкция особенно ценна для диффузионноконтролируемых процессов,
поскольку электроды в ней защищены и обеспечивается их стабильное
окружение.
Используя золотой электрод с площадью поверхности 25 мкм2, помещенный
непосредственно под отверстием, и Ag/AgCl-электрод сравнения (1600 мкм2),
сконструировали кислородный сенсор для амперометрических измерений в
мозге животных. Время отклика системы составляло около 0,3 с, что хорошо
согласуется с расчетными значениями. Главное преимущество такого сенсора
