掃描電化學(xué)顯微術(shù)構(gòu)建金和辣根過氧化物酶微圖形.pdf

1、第一章主要對掃描電化學(xué)顯微術(shù)(SECM)在以下幾方面的研究進(jìn)展作了較詳細(xì)的綜述。1.SECM探頭的研制，包括亞微米和納米電極，化學(xué)修飾電極和生物傳感器，微、納米管在SECM中的應(yīng)用情況。2.生物大分子的SECM檢測，包括SECM對酶，抗原抗體復(fù)合物和DNA的研究。3.SECM在表面微修飾和加工方面的應(yīng)用，包括用于金屬、金屬化合物和聚合物的沉積，對不同材料基底的刻蝕與表面微修飾，以及進(jìn)行生物圖案的構(gòu)建。4.SECM對細(xì)胞的研究。5.SEC

2、M與其它技術(shù)的結(jié)合。本章共引用文獻(xiàn)140篇。 第二章研究了兩種SECM沉積金的新方法。一種方法是使用SECM“直接模式”沉積Au。直接使用NaAuCl<,4>溶液，以碳纖維微米探頭作為對電極，半導(dǎo)體硅片作為工作電極。利用微米尺寸的對電極將電流限制在硅基底上很小的位置，從而使Au在基底上選擇性沉積，得到Au的圖形。用SECM收集模式對其表征得到了SECM圖像，并用掃描電子顯微鏡(SEM)證明圖形的實(shí)際直徑約為20um。通過對探頭和

3、基底的改進(jìn)，解決了SECM直接模式所存在的探頭的溶解和產(chǎn)生大量氣泡的兩個(gè)主要問題。另一種方法是將基底(Si)的刻蝕與金屬物質(zhì)(Au)的沉積相結(jié)合，使二者同時(shí)進(jìn)行，制作出了與基底結(jié)合牢固的．Au的微米圖形。這一方法的原理是利用探頭上產(chǎn)生的H<'+>使其附近溶液pH降低，從而引發(fā)基底上的化學(xué)反應(yīng)。在底部固定有Si基底的電解池中加入KAu(CN)<,2>、KF和NaNO<,2>的混和液，然后在SECM探頭上加正電位使NO<,2><'->被氧化

4、成NO<,3><'->，同時(shí)H<,2>O釋放出H<'+>。H<'+>累積到一定程度使探頭附近溶液達(dá)到合適的pH時(shí)，引發(fā)以下反應(yīng)：Si被F<'->氧化生成SiF<,6><'2->，基底Si被刻蝕；同時(shí)Au(CN)<,2><'->被還原成Au，Au就沉積在Si基底的凹坑內(nèi)。討論了各種因素，如溶液：pH，KAu(CN)<,2>、KF和NaNO<,2>的濃度對Au沉積的影響。用此方法制作了金的微米陣列和微米線，并用SECM收集模式表征出金陣列的

5、SECM圖像，其中每個(gè)金點(diǎn)的SECM圖像直徑約50 um，實(shí)際直徑約8.3um。 第三章利用SECM“微試劑模式”構(gòu)建辣根過氧化物酶(HRP)的微米圖形。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)報(bào)道的HBrO使酶失活的方法不能用于構(gòu)建有活性的酶圖形，所以研究出了一種使酶失活速度慢的能夠用于構(gòu)建保持生物活性HRP微米圖案的方法，即利用SECM探頭上產(chǎn)生的OH<'->使固定在基底上的HRP局部位置失活，從而構(gòu)建失活的和保持生物活性的HRP微米圖案。利用生物

6、素和鏈霉親和素間的特異性結(jié)合將HRP固定在聚苯乙烯基底上，以玻璃管和環(huán)氧樹脂絕緣的直徑7 um碳纖維微米電極作SECM探頭，在pH=8.0的KCl和BQ溶液中保持探頭和基底距離2um，恒定探頭電位-1.7 V(vs Ag/AgCl)使HRP局部位置失活。然后用SECM反饋模式表征出構(gòu)建的HRP圖形：在含有BQ和H202的溶液中，探頭上所加的電位使溶液中的BQ被還原生成H<,2>Q，H<,2>Q擴(kuò)散到有活性的HRP上方時(shí)，H<,2>Q在H

7、RP的催化下與H<,2>O<,2>反應(yīng)又生成BQ，從而產(chǎn)生正反饋電流；探頭在失活的HRP上方時(shí)，擴(kuò)散到基底的H<,2>Q無法進(jìn)一步生成BQ，基底阻礙BQ向探頭的擴(kuò)散，探頭電流表現(xiàn)為負(fù)反饋。根據(jù)探頭從有活性的HRP上方移至失活的HRP上方時(shí)，電流降低的原理，得到了直徑約15-20 um的失活HRP微米陣列、直線，是探頭直徑(7 um)的約2-3倍，從而證明了本文研究的探頭產(chǎn)物OH<'->比目前文獻(xiàn)報(bào)道的HBrO使酶失活的速度慢，得到的失活

8、圖形窄，能夠用于構(gòu)建具有生物活性的酶圖形。然后構(gòu)建且表征出有生物活性的直徑～20 um的HRP直線，實(shí)際寬度～4.6 um。本章還利用SECM的一種可以自動(dòng)構(gòu)建圖案的技術(shù)一“Surface Patterned Conditioning”，構(gòu)建了失活的HRP文字圖形“H”和直徑約15 um的HRP活性點(diǎn)，活性點(diǎn)的實(shí)際直徑～3.5 um。 第四章首先以一種新方法使完全絕緣的碳纖維納米電極暴露出電極尖端的活性表面：將完全絕緣的尖端已刻

9、蝕成錐形的納米電極作為SECM探頭，加+2.5 V電位，利用SECM精確控制探頭移動(dòng)，將探頭由空氣中緩慢地向電解池中的NaOH溶液逼近，當(dāng)探頭與溶液接觸時(shí)停止移動(dòng)，探頭與溶液間產(chǎn)生的瞬間電流能去除探頭最尖端的絕緣層，隨后由于H<,2>O的電解在暴露出的探頭表面產(chǎn)生氣泡，這樣浸入溶液的探頭表面絕緣層進(jìn)一步脫落。通過此方法制作了半徑3-500 nm的碳纖維納米電極，成功率為100％。碳纖維納米電極在K<,3>Fe(CN)<,6>溶液中的循環(huán)

10、伏安特性良好，氧化電流和還原電流均呈S形，且基本重合，說明納米電極的內(nèi)阻不大；作為SECM探頭時(shí)的校正探頭電流一距離曲線與理論曲線能夠很好的擬合。然后將半徑334-375 nm的碳纖維納米電極作為SECM探頭構(gòu)建并且表征各種失活和有活性的HRP圖案。在包含KBr和BQ的磷酸緩沖溶液中，碳纖維納米探頭上加+1.7 V電位，溶液中的Br<'->在探頭上被氧化生成Br<,2>，Br<,2>與水反應(yīng)生成的HOBr具有強(qiáng)氧化性，能夠使探頭下方的H

11、RP失活。利用HBrO能使HRP失活的原理，得到最窄的失活HRP區(qū)域的實(shí)際寬度約0.74 um，活性HRP直線的實(shí)際寬度約1.2 um。這是首次將納米電極應(yīng)用于SECM的微加工和構(gòu)建領(lǐng)域。 第五章首先利用自制的碳纖維凹形微米電極研究了一種可以用于計(jì)算任意孔深度、任意內(nèi)外孔半徑的凹形電極的孔體積和外孔半徑的方法。然后研制了一種獨(dú)特的凹形碳纖維納米電極。把用苯酚和2-烯丙基苯酚電聚合方法完全絕緣的碳纖維柱狀電極切斷，制成碳纖維圓盤微

12、電極。再在碳纖維圓盤微電極上粘附直徑6-8 nm的C0304納米顆粒。再把粘有Co<,3>O<,4>顆粒的圓盤電極進(jìn)一步絕緣，在電極恰好完全絕緣后，用HCl去除未被絕緣層包裹的Co<,3>O<,4>顆粒。這樣制成的碳纖維凹形納米電極在K<,3>Fe(CN)<,6>溶液中的循環(huán)伏安特性良好。通過SECM探頭逼近曲線和掃描電子顯微鏡圖像證明電極為凹形，并計(jì)算出電極的內(nèi)、外孔半徑和孔體積。碳纖維凹形納米電極具有以下特點(diǎn)：(1)K<,3>Fe(