专利名称：薄膜伪参比电极及其制备方法
技术领域：
本发明涉及通过薄膜沉积技术制备参比电极,提议通过派射(sputtering)技术制得薄膜银(Ag)伪参比电极，其优选应用于电化学生物传感器。
背景技术：
电化学生物传感器是负责将化学或生物化学信息转换为可分析有用的和可测量的信号的装置；它们由待测组分在其上发生反应的工作电极WE，供电流流过的辅助电极或对电极CE，以及用于测量工作电极电位的参比电极RE组成。
待测组分的检测是由工作电极和参比电极之间确立的电位差得到，因此具有稳定而明确的电化学电位的参比电极是进行准确测量所必须的；常规的银/氯化银(Ag/AgCl)电极有效的满足这个标准。设置了常规的Ag/AgCl参比电极的对DNA杂交进行电化学检测的生物传感器在现有技术里是公知的；然而尽管其具有很好的稳定性，这些参比电极有尺寸较大的缺陷，这使得它们不适应近来获得愈加小型化的电化学生物传感器的需求，其中参比电极紧邻其余的电极直接结合到生物传感器中。在这方面，通过薄膜沉积技术生产小型化的参比电极是公知的，已知称为TFRE (薄膜参比电极)，例如美国专利US4，933，048或Maminska等人的科技论文^AlI-soI id-state miniaturizedplannar reference electrodes based on ionicliquids”, Sens. Actuators B, 115, 552 (2006)，公开了小型化参比电极，所述的小型化参比电极由银(Ag)薄膜、另一氯化银(AgCl)薄膜和固体氯化钾(KCl)电解质组成，它们均由聚合物薄膜覆盖。这些方案解决了如何得到结合于电化学生物传感器中的小型化参比电极的问题，但是，然而，制备这些电极的过程是复杂的，需要长时间和高成本，这归因于需要大量用于制备的薄膜；它同样与工厂(大规模生产硅芯片的地方)中进行的标准化生产过程，因为这些参比电极的生产需要电化学过程以氯化处理银和得到氯化银薄膜，这不是标准化过程，并且需要改进硅芯片的大规模生产过程。继而，中国专利CN101216451，申请人华东科技大学，公开了一种同样设置了厚膜参比电极的DNA生物传感器，所述的厚膜参比电极通过丝网印刷技术制备，然而用这种沉积技术，当需要非常小的电极时问题出现了，因为当使用这种技术时，会获得相对厚的影响生物传感器的分辨率的膜沉积。通过Cai 等人的科技文献“Sequance-Specific Electrochemical Recognitionof Multiple Species using Nanoparticle Labels”， Analytical Chimica Acta,523(1)61-68(2004)，设置了薄膜参比电极(TFRE)的DNA生物传感器也为人们所知。所述的薄膜参比电极包括由铟锡氧化物(ITO)晶片组成的基底，晶片上排列有钛层作为附着元件，和IOOnm的银薄膜排列在上述的钛层上，这些技术内容。这个方案比前述的方案具有较低的生产成本，因为参比电极由较少的层组成，然而它不能解决大规模生产的问题，因为铟锡氧化物(ITO)不是标准化基底，所以这种参比电极的生产不能适应标准化硅芯片大规模生产过程的CMOS技术。并且在Cai等人的论文中，没有提供有关由银薄膜决定的参比电极的稳定性的数据。鉴于上述问题，提供能够适应于标准化工业生产过程并且能大规模生产的具有稳定的电化学电位的薄膜参比电极是有必要的。
发明内容
根据本发明，提出了可设置于电化学生物传感器中的伪参比电极，更明确地，本发明的目的在于设置了小型化伪参比电极的电化学生物传感器的制备，所述伪参比电极通过薄膜沉积技术制得，特别地如溅射，这样得到稳定的伪参比电极和制备方法比现有已知的那些方法简单并且能够进行大规模生产。本发明的伪参比电极包括基底，所述基底由氧化的硅晶片形成，其上通过溅射技术直接沉积单层的银薄膜，该银薄膜的厚度在100nm-1500nm之间，优选的银薄膜厚度为 lOOOnm。为了提高氧化的硅晶片形成的基底和银薄膜之间的粘合，提供设置了粘合材料层，优选铬层，虽然也可以是另一种能够提供必要的粘合的化合物。虽然目前硅是适用于标准化工业生产过程的基底，但是当使用其他材料作为基底层时，本发明的伪参比电极的特性不会改变，只要这种材料适用于目前标准化的工业生产过程；因此银薄膜直接沉积于其上的基底层可以由其他类型的晶片制成，例如氧化铝或者玻璃晶片。用于制备本发明的伪参比电极的方法是基于直接沉积单层的银薄膜于由氧化的硅晶片、氧化铝晶片或玻璃晶片形成的基底上，为了实现该目的使用了常规的溅射技术，所述的溅射技术可以简单有效的方式得到薄膜。由此得到了可直接结合于电化学生物传感器中的小型化银薄膜伪参比电极，并且它具有好的稳定性，适用于CMOS技术，并且其可在标准化工业生产过程中实现大量生产。
图I是根据现有技术的常规的小型化Ag/AgCl参比电极的图示。图2是本发明的伪参比电极的图示。图2A是在基底和银薄膜之间设置有粘合材料层的伪参比电极的实施例。图3是结合了本发明的伪参比电极的电化学生物传感器的图示。图4A至4J显示了前述图中的电化学生物传感器的制备顺序。图5是通过比较伪参比电极和较大尺寸的商业化Ag/AgCl参比电极得到的循环伏安图。图6是证实一个月的实验时间内伪参比电极的稳定性的图。
具体实施例方式本发明涉及通过溅射技术制备的银薄膜伪参比电极，其可结合于电化学生物传感器中以得到紧凑的、便携的、适用于CMOS技术并且能够大规模生产的设备。
图I描述了根据现有技术的小型化的Ag/AgCl参比电极，其中参比电极(RE)包括基底(S)，基底上沉积了一系列薄膜，即银薄膜(A)，银薄膜经过氯化处理的电化学过程在其上形成了氯化银薄膜(B)，然后沉积氯化钾电解质(E)，最后全部被聚合物膜(M)覆盖。图2显示了包括氧化的硅晶片制成的基底(2)的本发明的伪参比电极(1)，在基底上通过溅射直接沉积了单层的银薄膜(3)，所述银薄膜厚度在100nm-1500nm之间，银薄膜
(3)的厚度优选为lOOOnm。图2A是伪参比电极(I)的实施例，其中为了提高由氧化的硅晶片形成的基底(2)与银薄膜(3)之间的附着作用，提供了粘合材料层(4)，优选为铬层，装置的操作特点并不因加入了该层而改变。用于制备伪参比电极(I)的方法是基于直接沉积单层的银薄膜(3)于基底(2)上，基底由氧化的硅、氧化铝或玻璃晶片形成，为了实现该目的使用了已知的溅射技术。 图3显示了直接结合了本发明的伪参比电极⑴的电化学生物传感器(5)，因此电化学生物传感器(5)包括由RF溅射沉积得到的厚度lOOnm，直径350微米的金盘形成的工作电极(6)，由DC溅射沉积得到的厚度200nm的钼半圆形成的对电极(7)或辅助电极，和伪参比电极(I)，所述伪参比电极是由DC派射得到的厚度在100nm-1500nm之间,优选为IOOOnm的银半圆形成。金、钼和银，分别为工作电极(6)、对电极(7)和伪参比电极⑴的组成材料，均直接沉积于氧化的硅晶片形成的基底(2)上；在金膜、钼膜、银膜和氧化的硅晶片各个之间同样提供设置了粘合材料层(4)，例如铬。图4A至4J显示了制备电化学生物传感器(5)的过程，其中使用的技术(溅射、光刻法和PECVD (等离子体增强化学气相沉积))是硅芯片工业生产中的常见技术。光刻法过程使用树脂(8)，像溅射和PECVD (等离子体化学气相沉积)，对本领域技术人员来说是常规和公知的，因此不对其工艺进行描述。因此首先在由氧化的硅晶片形成的基底⑵(图4A)上采用光刻过程限定对电极
(7)、衬垫(7. 1,6. I、I. I)和导轨(7. 2,6. 2,1. 2)的几何形状，如图3所示，随后通过DC溅射沉积钼膜(9)(图4B和4C)，和树脂(8)，并且树脂(8)和沉积在树脂(8)上的材料通过剥离工艺移除，从而得到了对电极(7)，衬垫(7. 1,6. 1,1. I)和导轨(7. 2、6. 2、1.2)。同样，随后通过另一光刻过程限定工作电极(6)的几何形状，通过RF溅射沉积金膜(10)，通过进行剥离工艺以移除树脂(8)和沉积在其上的金(图4D和4E)。接着，通过又一光刻过程限定伪参比电极(I)的几何形状，通过DC溅射技术沉积银薄膜(3)，树脂(8)和沉积在其上的材料通过剥离工艺移除(图4F和4G)。在所有沉积中可使用铬中间层以提高沉积膜(3，9，10)和基底各个之间的附着作用。最后，为了使生物传感器的非反应区域钝化，在工作电极(6)、对电极(7)和伪参比电极⑴中经化学蚀刻通过PECVD沉积二氧化硅层(11)。其余部分用光阻树脂⑶在刻蚀中得到保护，该光树脂(8)在先前已经通过光刻过程沉积并在化学蚀刻后通过剥离工艺移除(图4H，4I和4J)。通过比较微型器件，即结合了本发明的伪参比电极(下文中称为TFRE)的电化学生物传感器，和配备了商业化的较大尺寸Ag/AgCl参比电极的电化学生物传感器，得到的结果如下所示。所有的实验在室温下的干净空间中进行。使用了银TFRE和商业化的Ag/AgCl参比电极的先进的微型器件在25mM的亚铁氰化钾(K3Fe(CN)6)溶液中表征。得到的结果如图5所示，其中可以看出对于通过用先进的TERE(X)测量六个微型器件的平均值得到的循环伏安图，和商业化的Ag/AgCl参比电极(Y)的循环伏安图，具有几乎相同的形状，显示了对应于铁氰化钾/亚铁氰化钾氧化还原偶的明确的氧化-还原行为。这两种情况下的的峰电流强度几乎相同IpaAgTFEE = 5. 83 土 0. 33 U A ；IpaAg/AgClEE — 5. 80 + 0. 39 U A ；(6个电极的平均值和标准方差)；峰电位之间有8 ImV的差异EpaAgTERE = 205±3mV ；EpaAg/AgC1RE = 286 土 ImV ；(6个电极的平均值和标准方差)。两种参比电极获得非常接近的峰电流值的事实表明使用商业化Ag/AgCl参比电极或先进的银TFRE电极时，微型器件的灵敏度是相同的。此外所研究的微型器件还显示出良好的重现性。使用了银TFRE电极的该器件得到的循环伏安图几乎是相同的，显示了分别在5. 44至6. 40 ii A和201至208mV范围内峰电流值和峰电位值几乎是相同的。IpaAgTFEE = 5. 83±0. 33 ii A ;EpaAgTFRE = 205±3mV, n = 6 ；
这些电位差异可能归因于溅射过程中银层的厚度在晶片的一侧到另一侧会有I微米至850nm范围的变化。众所周知，参比电极的主要问题之一是其电位的经时稳定性。为测试先进的银TFRE电极的稳定性，对其电化学性能进行了超过一个月的研究。在这段时间里，每两天一次周期性地校验从循环伏安曲线得到的阳极/阴极峰电位和峰电流。每次测量后，电极均用超纯水(Milli Q water)冲洗，用氮气流吹干并存放在无氮的氧气氛中(99. 99% ) o图6显示了 5个微型器件在这段时间内测量的平均值和标准方差；峰电流强度(Ipa)以点状线表示，而电位(Epa)以实线表示。可以看出，在取样期间得到的响应基本上保持线性Epa = 208 土6mV, Ipa = 5. 7 ±0. 20 u A ;(5个微型器件的平均值和标准方差)。所得的峰电位值和峰电流值的不同(在同一天)归因于在研究中使用的不同传感器，这些传感器如上所述的，因溅射过程不会完全相同。下面的表显示了电位值的平均值(Epa)，峰电流值的平均值(Ipa)以及得到的各个电极的峰电位值和峰电流值的最大差值。在最坏的例子(芯片4和5)中峰电位和峰电流的最大差值分别为14mV和0. 80 u A，而在最好的例子中，则分别是5mV和0. 31 y A(芯片3)。
权利要求
1.一种薄膜伪参比电极，其可结合在电化学生物传感器中，所述的电化学生物传感器包括工作电极、辅助电极或对电极、以及参比电极，其特征在于，所述伪参比电极⑴包括由氧化的硅晶片形成的基材(2)，并且在所述基材(2)的硅晶片上直接沉积有厚度为100nm-1500nm的单层的银薄膜(3)。
2.如权利要求I所述的薄膜伪参比电极，其特征在于所述的银薄膜(3)的厚度为lOOOnm。
3.如权利要求I所述的薄膜伪参比电极，其特征在于在由氧化的硅晶片形成的基材(2)和所述的银薄膜(3)之间设置有粘合材料层(4)。
4.如权利要求3所述的薄膜伪参比电极，其特征在于所述粘合材料层(4)是铬层。
5.如权利要求I所述的薄膜伪参比电极，其特征在于所述基材(2)是氧化铝晶片或玻璃晶片。
6.制备如权利要求I所述的薄膜伪参比电极的方法，其特征在于通过溅射技术在由氧化的硅、氧化铝或玻璃晶片形成的基材(2)上直接沉积单层的银薄膜(3)。
全文摘要
本发明涉及薄膜伪参比电极及其制备方法，其中参比电极(1)包括由氧化的硅晶片制成的基底(2)，所述基底上有单层的银薄膜(3)，薄膜的厚度在100-1500nm之间，是采用溅射技术直接沉积的。
文档编号G01N27/30GK102639994SQ201080049792
公开日2012年8月15日 申请日期2010年10月15日 优先权日2009年11月5日
发明者L·阿诺尔加戈麦斯, S·阿拉纳阿隆索 申请人:经济转型研究中心