微電極是指至少在一維尺度上不大于２５μｍ的電極。微電極由于尺寸小而具有一些常規電極無法比擬的性質，如具有電流密度高、響應速度快、歐姆壓降（ｉＲ降）小、信噪比高等特點。微電極特殊的性質使其在電化學測試中具有獨特的優點和重要性，并在分析化學、生物學及醫學等方面得到了廣泛應用，尤其在生命分析領域如在單細胞檢測和活體分析中具有眾多重要的應用。微電極的設計制備是微電極電化學發展應用的關鍵，目前涌現出的制備微電極的技術有電化學刻蝕法、電沉積法、自組裝技術、化學鍍層技術等，這些制備方法為快速制備微電極提供了可能性。

1.微電極應用領域

在電化學的研究中常見的電極尺寸是毫米級別，由于其尺寸比較大，限制了其在一些領域的應用。為了滿足小空間中如活體、細胞的電化學分析應用需求，微電極應運而生。一般來說，微電極是指至少在一維尺度上不大于２５μｍ的電極［１］，其尺寸小于擴散層厚度。目前，微電極是電化學研究中興起較晚，也正蓬勃發展的一個領域。微電極有利于實現檢測裝置的集成便攜化，同時能夠在介電常數較低的有機溶劑中檢測電化學活性物質，近年來受到廣泛的關注［２］。微電極具有常規電極無法比擬的性質，例如電流密度高［３］、響應快速、ｉＲ降小、信噪比高、傳質速度快、易達到穩態等，這些優勢使其在很多方面的快速、高靈敏檢測成為可能。從１９６０年開始人們發現超微電極具有優良的電化學特性。在神經化學領域研究中，Ａｄａｍｓ和他的同事研究了一些生物胺類在微電極上的氧化過程及檢測方法［４］。在此基礎上，Ａｄａｍｓ［５］將碳糊電極植入到麻醉的鼠腦中，證明了傳統的伏安技術能夠成功應用到生物組織分析，同樣證明神經遞質能夠從突觸間隙的空間擴散到電極表面。與此同時，Ｗｉｇｈｔｍａｎ等［６］發現微電極在伏安技術方面具有比常規電極更為優越的某些特性，展示了微電極在電化學及電分析化學領域中具有良好的應用前景，從而引起了有關研究人員的廣泛興趣。目前，微電極的研究成為電化學的前沿領域，為研究者們探索物質的微觀結構、電化學性質和電化學過程提供了一種強有力的手段，并在生命環境分析領域具有重要應用。制備微電極的方法多種多樣，有電沉積法［７］、電化學刻蝕法［８］、激光拉制法和內部填充法等。近年來，隨著科學技術的發展，在制備微電極方法上涌現出很多新的技術，如自組裝技術［３］、化學氣相沉積、模板法、離子束刻蝕技術［３］、絲網印刷術［９］、紫外光照射化學鍍層技術［１０］等，這些制備方法為快速、高效制備微電極提供了新的思路。微電極在生命分析領域中的細胞檢測、活體生物原位分析等方面具有廣泛應用［１１～１４］。在微電極表面進行修飾之后可以用來實現高選擇性和高靈敏檢測細胞和活體中神經遞質類物質的含量以及體內一些關鍵信號分子，如ＮＯ，ＣＯ等［１５］。微電極還可以應用在毛細管電泳?電化學檢測系統［１６］，作為掃描離子電導顯微鏡和掃描電化學顯微鏡的探針［１７，１８］，研究電化學反應的動力學參數［１９，２０］，環境分析中檢測水中重金屬離子［２１］，檢驗食品新鮮程度［２２］和電位型活體細胞傳感等方面［２３～２６］。總之，微電極可以廣泛應用于活體分析、生物傳感、生物細胞檢測、掃描探針顯微鏡領域、毛細管電泳?電化學檢測系統、生命科學、食品學和環境分析與監測等各個領域。

2.微電極的特點

由于微電極的電極尺寸達到微米級，因此具有常規電極無法比擬的電極特性。

電流密度高

在一定電壓下，微電極能夠產生電化學響應信號。半徑很小的電極以非線性擴散中的徑向擴散為主，由于電極尺寸小，所得擴散電流在短時間內即能達到穩態［２７］。研究結果表明當電流達到穩態時，電流的密度與電極半徑成反比，因此，微電極具有很高的電流密度［７］。

ｉＲ降小

在電解池中存在電極自身的電阻和電極表面附近溶液層的電阻，從而會產生ｉＲ降。而在微電極上產生的極化電流數量級一般在１０的９次方Ａ左右，甚至可達到１０的12次方Ａ，因此ｉＲ降小。

信噪比高充電電流ｉｃ與時間ｔ的關系如下式表示：

式中，ΔＥ為階躍電位的幅度，Ｒ為電解池內阻，ｔ為階躍電位持續時間，Ｃ為雙電層電容［２８］。電極／溶液界面的電容Ｃ∝ｒ２０，而溶液的阻抗Ｒ∝１／ｒ０，因此，時間常數ＲＣ∝ｒ０。ｒ０減小使微電極的時間常數ＲＣ降低，充電電流ｉｃ的衰減速率變得更快，因而增加信噪比，可提高測定的靈敏度。相比之下，常規電極的尺寸大，導致信噪比降低，并不適合于快速的電化學反應研究［２９］。

傳質速度快且易達到穩態

超微圓盤電極的擴散傳質速率Ｍ可以用式２［３０］表示：

Ｄ為擴散系數，ｒ為電極半徑。ｒ越小，擴散速率越快。與此同時，當電極表面傳質速率快時，反應物向電極表面傳輸的過程中不受干擾。因此，可使用微電極研究速率較快的電化學反應［２８］。基于上述微電極傳質規律可得到微電極的穩態擴散電流，公式如下：

式中，電流為穩態電流，與氧化態物質在溶液中的濃度（ｃｏｘ），擴散系數（Ｄ），電極半徑（ｒ０）有關［２８］。另外，微電極的循環伏安圖呈現典型的Ｓ形，而不出現常規電極所形成的峰形。

簡化測量裝置

在常規電極的伏安實驗中，為了達到體系的穩定，常采用三電極體系進行測量。而在微電極的體系中，對電極比微電極的面積大１０４～１０５倍，對電極上電流密度極低、基本不發生極化，因此，參比電極可同時作為對電極來使用，即在微電極體系中采用二電極體系，從而簡化實驗裝置。

存在的不足

因為微電極尺寸小，所以制備難度大，成本較高，成功率和重現性也是一大難題。通過微電極的電流很小，電流大小達到ｎＡ甚至ｐＡ級別，所以檢測系統應具有更高的信號檢測靈敏度。另一方面，由于微電極體系電流信號小，受到環境干擾大，因此，對實驗條件的要求比常規電極體系高。目前，加工技術越來越精細，電子技術也有所提高，針對以上這些問題，得到了較好的解決策略。

3.微電極的類別與制備方法

按照不同的電極制作材料，伏安法或者安培法用的微電極主要分為非金屬微電極和貴金屬微電極兩類。非金屬微電極中多以碳超微電極、碳纖維微電極［５］和碳納米管功能化微電極為主；在貴金屬微電極中，鉑微電極和金微電極［２９］最為廣泛。最常用的電極材料中，碳纖維微電極電勢窗口寬，多應用于水溶液體系的電分析。與貴金屬微電極相比，碳纖維微電極雙電層電容大、背景電流高，因而在檢測中信噪比較低［３１，３２］。根據微電極的形狀特點，微電極包含微盤電極、微圓盤電極和微環電極等［２９］。按照電極的尺寸大小，可將電極分為微電極（１００ｎｍ～２５μｍ）［１］、超微電極（１００ｎｍ～１μｍ）和納米電極（＜１００ｎｍ）［３３］。

微電極具有諸多優異性能，越來越多的研究者對微電極產生了濃厚的興趣。制備微電極的傳統方法中多以電沉積法［７］和電化學刻蝕法［８］為主。電沉積法即為在基底上沉積電極材料或包覆層［７］。通過電沉積法制備微電極的幾何形態主要呈現圓錐形、半球形、球形。最近，Ｚｈａｎｇ等［３４］基于電沉積法制備不同金屬材料的電極，如金、鉑、銀和銅微電極，其電極尺寸小于１００ｎｍ，對比之前的制備方法，利用該制備方法可控制電極尺寸大小。電化學刻蝕法多以制備半球型微電極為主，如Ｐｅｎｎｅｒ小組［８］使用電化學刻蝕法制備尖端尺寸為１ｎｍ左右的電極。具體操作過程如下：首先，在一定的電位下將放置在溶液中的金屬絲進行電化學刻蝕之后，可得到錐形的納米尖端。尖端表面填涂電泳漆、熔融玻璃、環氧ＡＢ膠等絕緣物質之后，即可制備出半球型微電極。電化學刻蝕法成本低、儀器簡單、重現性好，經過多次絕緣之后方可得到尺寸更小的微電極，因此制備過程較為繁瑣。目前，還有一些制備微電極的技術，如自組裝技術、離子束刻蝕技術［３］、絲網印刷術［９］、化學鍍層技術［１０］等，這些都是快速制備微電極的方法。

碳超微電極

在非金屬微電極中，碳超微電極由于其尺寸易于調控，應用廣泛，因而引起有關研究人員的廣泛興趣。Ｕｎｗｉｎ課題組［１８］將石英毛細管拉制呈尖銳的納米尖端，外壁熱解丁烷沉積碳形成柱狀電極，其電極尺寸易于調控。該方法簡單、快速，得到的電極尺寸相對較小且靈敏度高，可應用于掃描電化學顯微鏡的探針。隨后，該課題組［３５］制備了一種半徑在５～２００ｎｍ的圓盤狀碳納米電極。將石英毛細管拉制呈尖銳的納米尖端，使用從上至下的方法制備碳納米電極，在其尖端高溫熱解后沉積碳，制成內徑在５～２００ｎｍ的碳超微圓盤電極，這種電極由于尺寸易于調控，可用于單細胞檢測。在此電極上沉積鉑后可用來監控腦片外部和內部中的耗氧量。另外，這些納米電極可以作為掃描離子電導顯微鏡的探針［１７］，使得活細胞中的成像具有很高的分辨率。

此文獻課題組［３６］通過將中空的多根石英毛細管纏繞拉制形成微電極陣列支撐體，然后通過熱裂解乙炔將碳沉積于石英管內壁形成碳的微環狀電極，構筑了尖端為１０～５０μｍ、數目可達１５個微電極的陣列，應用一個含有８個微電極的微電極陣列可進行單個嗜鉻細胞瘤細胞胞吐過程中不同位點釋放的電化學成像研究，初步檢測到亞細胞層次的胞吐空間分布不均勻性。這一方法為單個可尋址微電極陣列的制備提供了一個全新的思路，為高通量活體分析奠定了堅實的平臺基礎。

碳納米管微電極

碳納米管微電極具有高機械強度、高長徑比、良好的導電性等特點使得碳納米管已經廣泛應用到不同的電化學檢測中［３７，３８］。研究表明［３９］，碳納米管修飾碳纖維微電極用于神經遞質檢測時，該電極上電子轉移的動力學得到提高并且對有吸附作用的物質的靈敏度有所提高（如多巴胺），而且電極不易受普通生物物質的影響，例如５?羥吲哚乙酸。此外，將碳納米管固定在碳纖維微電極上，并將此電極浸泡在碳納米管?全氟磺酸的懸浮液中首次制備出了碳納米管微電極［３９］。不過，此方法重現性較低。進一步的工作證明單壁碳納米管化學自組裝是在碳纖維圓盤電極上形成均勻排列的碳納米管層的一種有效方法［４０］。體內和體外的實驗證明碳納米管修飾的電極檢測多巴胺時靈敏度可提高３６倍。

碳纖維微電極

碳纖維微電極的傳統制備方法是將碳纖維插入到絕緣性能良好的玻璃或者石英毛細管內，高溫拉制成兩個具有尖端的電極，利用環氧液滴對尖端進行密封，并暴露出尖端碳纖維，對尾端碳纖維用導線連通，即可成功制備。該微電極直徑（１００～６００μｍ）較小。因此，它在植入過程中對組織損傷很小，使其得到廣泛的應用［５］。Ｔｉａｎ課題組［３２］第一次在碳纖維微電極上電沉積金納米粒子進而檢測超氧根離子，該檢測方法具有一定的選擇性、靈敏性和穩定性。另外，由于碳纖維微電極的生物相容性好有利于增強活體中超氧根離子的響應信號。Ｍａｏ課題組［４１］制備碳纖維微電極在活體中選擇性檢測氧氣，在碳纖維表面高溫熱解酞菁鐵然后電沉積上鉑納米粒子，此電極展現出快速的動力學過程，氧氣通過四電子轉移過程發生還原反應而不形成過氧化氫。這項研究提供一種新穎、可靠的制備方法，用于高靈敏、高選擇性地監控在不同生理過程中體內的氧氣含量，微電極可用于活體測定氧氣含量。

鉑微電極

在貴金屬微電極中，常使用到的是鉑微電極或者金微電極。Ｂａｒｄ小組［４２］已經運用電沉積法制備Ｈｇ／Ｐｔ半球電極。Ｃｈｅｎ等［４３］通過電沉積方式使得金納米粒子整齊地包被在鉑盤表面，進而制備出鉑微電極，從而實現紋狀體中多巴胺含量的檢測，響應時間短（＜２ｓ），靈敏度提高了２?６倍。Ｚｈａｎｇ等［４４］將直徑為２５μｍ的鉑線通過拉制、密封、刻蝕等操作成功制備了鉑微圓盤電極。另外，該課題組［４５］還

在較低的陽極電位下，快速地制備出覆蓋有薄層氧化鉑的微電極。Ｕｍｅｄａ等［４６］將直徑為５０μｍ的鉑線進行高溫熱封、拋光和覆蓋一層全氟磺酸膜操作之后，制備出鉑微圓盤電極用于檢測氧還原反應（ＯＲＲ）中產生的過氧化氫總量。Ｌｅｅ課題組［１５］將鉑線熱封在已經拉制好的玻璃毛細管里，在氯化鈣溶液里進行刻蝕操作，之后電沉積上鉑黑形成鉑微圓盤電極用于檢測一氧化氮含量。因此，將鉑絲進行拉制、密封、刻蝕、修飾等操作之后，鉑微電極即可制備而成。

金微電極

圖１金環微電極的制作步驟［１２］。（Ａ）拉制好的空玻璃毛細管；（Ｂ）毛細管內壁羥基化；（Ｃ）毛細管內壁自組裝上聚多巴胺層；（Ｄ）內壁生長金納米粒子；（Ｅ）形成金膜；（Ｆ）金環微電極尖端修飾３?巰基丙酸

圖２在聚苯乙烯薄片上制備電極的步驟圖解［１０］。（ａ）紫外照射；（ｂ）氨基；（ｃ）金納米粒子；（ｄ）金層

金微電極的制備主要是通過在絕緣條件下埋藏一根金導線，并用絕緣材料密封。隨后通過電化學的刻蝕［４７］、拋光［４８］、激光拉制［４９］的方法制備成微米大小的微電極。Ｍｉｒｋｉｎ課題組［４９］通過激光拉制器減小電極尺寸，他們制備的金微電極直徑為４０ｎｍ。到目前為止，涌現出許多制備金微電極的方法，主要包括電沉積法、自組裝技術和化學鍍層技術。 ＤｉＬｏｒｅｎｚｏ［５０］報道了一種快速、簡單、高效的電沉積方法制備金微電極，即在０.１ＭＨＡｕＣｌ４和１ＭＮＨ４Ｃｌ溶液中使用簡單的電沉積方法，將該電極用于葡萄糖的檢測。Ｂａｒｄ等［２０］報道了基于金納米顆粒的自組裝功能（金納米顆粒通過二硫鍵實現自組裝），通過自組裝技術成功制備金球形電極。其制備過程簡單，首先向拉制好的毛細管尖端空腔內注入１，９－壬二硫醇，然后把尖端浸入金納米顆粒溶膠中，最后調節毛細管尖端大小，即可得到直徑為１～３０μｍ的球形電極。該方法反應溫和且成本低廉。

該文獻課題組［１２］采用無毒聚多巴胺多功能材料代替常用的（３?氨基丙基）?三乙氧基硅烷，發展了一種新穎、簡便、快速的化學鍍層技術自下而上制備金環微電極的方法。如圖１所示，此金環微電極制備過程為在毛細管內壁羥基化，毛細管內壁自組裝上聚多巴胺層，鹽酸羥胺還原氯金酸形成金納米粒子，促使金納米粒子生長并形成金膜。最終制備而得的金環微電極頂端最小直徑達到１０μｍ，可控制的金膜厚度達到２００ｎｍ～３μｍ。通過金納米粒子與巰基的自組裝可實現對活體中多巴胺的檢測。

Ｈｅ等［１０］提出一種制備金微電極的化學鍍層方法，主要是通過紫外照射的方法使得在聚苯乙烯板上沉積金納米粒子從而形成金微電極。如圖２所示，從低壓力汞燈發射的高能量的紫外光照在聚苯乙烯的表面上，使得在照射條件下產生光化學催化的羧基官能團進而與金納米粒子結合，最終通過化學鍍層技術形成金膜。通過在聚苯乙烯上形成金微膜，能夠準確控制電極尺寸，制造成本低廉。該電極具有良好的穩定性和優良的電化學性能，他們將此電極應用于多巴胺和兒茶酚胺含量的檢測和分離。

在多樣化微電極發展的基礎上，微電極陣列由于具有高時空分辨率，可以在同一時間從微小的空間如組織和細胞上記錄到更多的化學物質代謝變化過程，也引起研究者廣泛關注［４］。通過單獨控制每個電極的電位可以同時檢測到不同的分析物，或者可以記錄到單個細胞表面不同空間位點同一化學物質的釋放。

捕捉亞細胞水平的細胞胞吐的變化時，微電極陣列測量尺寸和電極間距必須小于細胞（一個神經元直徑約為４～１２０μｍ）直徑大小。通過將碳纖維插入到多管玻璃中制備出碳圓盤微電極陣列和在石英毛細管內熱解乙炔沉積碳，可分別形成７和１５個碳環微電極陣列［３６，５１］，用于檢測單細胞釋放的物質。研究人員還利用各種微制作的方法來制備可增加電極數量的微電極陣列。此類微電極陣列可應用在單細胞和細胞網絡中［５２，５３］。Ｗａｎｇ課題組［５２］報道了一種制備單個可尋址微電極陣列的方法，可用來檢測單個嗜鉻細胞瘤細胞釋放的神經遞質物質。他們發展了一種在鉑微電極陣列上修飾Ⅳ型膠原的方法，可以促進細胞黏附和生長。他們設計的新裝置包含３６個微電極，微孔大小為４０μｍ×４０μｍ，此裝置可直接將體外培養的腎上腺嗜鉻細胞瘤細胞定位在傳感器的正上方。ＭｃＣａｒｔｙ等［５４］在三個凹槽里通過裂解、光刻等技術制備微電極陣列，制備方法重現性好，穩定性良好，該課題組將微電極陣列簡單地移植到體內中可實時記錄紋狀體中多巴胺的釋放信號。該課題組［５５］還報道了碳超微電極陣列的制備方法。裝置包括４～１６個通過熱解光致抗蝕劑制備而來的微電極，此裝置易受光刻控制，并且已經在性能方面類似于玻碳電極。Ｃａｉ課題組［５６］構筑了一種高靈敏的微電極陣列，并在微電極陣列上電沉積聚吡咯石墨烯，用于檢測嗜鉻細胞瘤細胞釋放的多巴胺含量。該檢測方法具有高靈敏性、特異性良好、檢出限低和響應快速等特點。

文獻來源：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｒｏｇｃｈｅｍ．ａｃ．Ｃｎ化學進展，２０１７，２９（１０）：１１７３～１１８３ＤＯＩ：１０.７５３６／ＰＣ１７０６２０

作者：趙旭?王克青?李博李長青林雨青??

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