碳纤维纳米微电极制作技术与噪声分析
作者：杨晓安李玉桃
来源：《现代电子技术》2013年第16期
摘要：为了使碳纤维微电极检测系统能在更微环境下低噪声的应用，采用火焰蚀刻等方法，对关键的电化学传感器碳纤维纳米微电极的制作技术进行研究和实验，并在更微环境下检测取得良好的结果。同时为解决纳米微电极在检测时的噪声问题，建立起碳纤维纳米微电极在检测系统中的噪声模型，并对其噪声的特点作了定性和定量的分析，提出降低电极噪声的方法和措施。
关键字：电化学检测；火焰蚀刻；碳纤维；微电极；噪声模型
中图分类号： TN722?34； TH79 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）
16?0021?05
在生命科学中，细胞的生命活动是非常重要的研究对象。分泌是细胞生命活动的一种基本形态，利用细胞分泌物的氧化（或还原）特性，实现对单个细胞的分泌事件电流信号的检测是分析细胞生命活动的重要方法。而电化学传感器中的碳纤维微电极（Carbon Fiber Micro Electrode，CFME）记录技术就是一种用电化学原理对单个细胞分泌事件进行检测的方法[1]。CFME记录技术检测和研究对象：如去甲肾上腺素等、一些可氧化化合物的衍生物如：抗坏血酸等。由于细胞分泌是通过胞吐实现，因此神经递质分泌?突触小囊泡，如多巴胺等，也能用CFME检测方法去研究。在CFME记录时，应将CFME的尖端置于细胞1 μm处（见图1），并通过探头对电极施加一合适的直流电压，同时对单个细胞施加刺激使之产生分泌，当分泌出的递质或激素扩散到碳纤维微电极传感器附近时即迅速被电压作用而氧化转化出电流信号，从而可直接测量到单个细胞分泌的事件过程[1]。由于被转化的电流信号只有pA级，碳纤维纳米微电极（Carbon fiber nanoelectrode，CFNE）又可以在更微环境中检测，整个碳纤维微电极传感器检测系统中的噪声会影响检测结果。本文研究系统中电化学传感器CFME不同制作技术和特点，通过火焰蚀刻法CFNE的制作和实验测试，在理论上建立CFNE及探头放大器电路与噪声模型，为噪声源定性和定量的分析提供依据，进而给出降低噪声的方法和措施。对改进CFNE的设计和消除或降低其噪声对检测结果的影响起到重要作用。
1 碳纤维微电极制作技术的进展
早些时采用聚乙烯绝缘的CFME，常发生环氧树脂渗漏现象，致使检测器中噪声高，检测灵敏度低。Albert Schulte等采用阳极电泳沉积涂复法对CFME绝缘[2]，姚伟等用硅橡胶作为绝缘材料，研究出硅胶橡胶绝缘圆柱形玻璃碳纤维电极（SCgCFEs）[3]，利用SCgCFEs从大鼠肾上腺嗜铬细胞记录中，发现在纹状体的多巴胺释放体内的前脑纤维束后的儿茶酚胺释放。CFNE的研究是因它能在更微小的生物环境检测和分析，如对监测神经细胞突触间隙内的神经递质以及对细胞内单个囊泡的释放进行研究。但CFNE制作难度很高，Strein T. G.等采用火焰
蚀刻法制得直径约400 nm的CFNE，但其尖端表面粗糙，影响检测的效果[4]。Schuite等采用化学蚀刻法制得CFNE，但其电极尖端只能达到[5]500 nm。张学记等采用离子束蚀刻法制得CFNE的电极尖端可小至几十纳米，但该法复杂，成本高，耗时长，难以推广[6]。王赪胤等采用可控电化学沉积方法，制备碳纤维纳米圆盘电极[7?8]。张蓉颖等利用微量移液枪头制备碳纤维微电极[9]，在Zhou Z等的基础上，在显微镜下用虹膜剪将制作好CFNE，根据需要剪成盘状或柱状[10]。扫描电镜结果表明：微盘或微柱电极密封效果性能好、截面光滑。通过电极的伏安响应及单细胞测定实验表明，该电极电化学性能优良，在单细胞检测、活体分析及其他生物体系微环境的研究中有广泛的应用前景[9]。黄卫华等采用火焰熔融法将碳纤维密封于拉尖的玻璃毛细管内，制得低噪声CFME，再经火焰蚀刻成尖端直径为100～300 nm的CFNE，经扫描电镜及电化学表征，该电极表面光滑，电极密封效果好，电化学性能优良[11]，对生物体内一种重要的神经递质五羟色胺（5?HT）进行了快速扫描循环伏安测定，体现出很高的检测灵敏度，可望进行单细胞释放的高分辨动态监测及对细胞内单个囊泡进行分析研究[12]。现在制作CFNE各种技术在不断改进，化学修饰、电极阵列、细胞芯片等也有新进展。
2 碳纤维纳米微电极的制作
2.1 火焰蚀刻法碳纤维纳米微电极制作技术
采用火焰蚀刻法制作CFNE的材料与制作过程：碳纤维（直径7 μm，长度大约15 mm）依次用丙酮、乙醇和二次蒸馏水超声清洗5 min，在空气中晾干。将清洗晾干后的碳纤维与电极引线铜丝（直径0.2 mm，长度约10 cm）用石墨粉导电胶粘连。拉制硼硅酸盐玻璃毛细管（介电常数ε为4.7）使尖端直径约1 μm，将在火焰上刻蚀好的碳纤维（尖端100 nm左右）从玻璃毛细管另一端穿入，并露出尖端约1～2 μm，在抛光仪下将玻璃毛细管尖端烧融使碳纤维密封于毛细管内，即可制成尖端碳纤维露出长度为1 μm，直径为100～300 nm的碳纤维纳米微电极。电镜扫描结果如图2所示，电极尖端直径为200 nm，电极表面光滑，密封效果好。电极的玻璃管尾部用环氧树脂灌封料密封，并由铜线引出接往CFME探头放大器。
2.2 碳纤维纳米电极的伏安特性测试及细胞检测
CFNE的伏安特性测试是在CHI 660a电化学工作站上进行，采用双电极系统，工作电极采用自制的CFNE，参比电极为Ag/AgCl电极。为防止外界电场的干扰，将电解槽和电化学工作站置于法拉第屏蔽网内，实验在室温下进行。电解槽中的溶液，选用1 mmol/L[Ru（NH3）6]2+/3+溶液。将制作好的CFNE和参比电极Ag/AgCl，双电极都放入电解槽中。采用循环伏安扫描得到的CFNE的CV曲线如图3所示。由图3可以看出，在CFNE上能得到峰形良好的伏安曲线，证明电极表面上的非线性扩散特性。在扫速1 mV/s条件下，可以得到接近稳态的伏安曲线，说明电极的响应灵敏度高，电极特性好。将自制的CFNE安装到CFME检测系统的探头上，在极微环境中，对交感神经元做检测，获得了良好的检测结果，如图4所示。检测结果表明CFNE在单细胞检测及其他生物体系微环境的研究中有广泛的应用前景。
3 碳纤维纳米微电极的噪声分析与处理