基于有序非晶碳微/纳米棒阵列电极的研制及电化学活性研究

本项目采用磁控溅射和PLD沉积技术在硅基底上沉积掺杂非晶碳薄膜，通过两种方法制备尺寸均一的定向非晶碳微纳米棒阵列：(1)采用传统光刻技术制备非晶碳微米棒阵列；(2)以聚苯乙烯(PS)溶胶单层小球为模版，结合光刻技术制备非晶碳纳米棒阵列。通过调节掺入气体的种类和流量控制非晶碳阵列的成分和导电能力。通过改变掩模板或模版的孔径尺寸控制阵列的形状、尺寸和密度。借助扫描电镜和电化学检测等手段研究阵列电极的表面形貌、基本物性和电化学催化活性。通过溶胶－凝胶技术引入Au、Pt等贵金属纳米颗粒对阵列电极进行表面修饰，并以此为基础构筑有序生物活性层，提高非晶碳微纳米棒阵列电极的催化活性、响应灵敏度和选择性。探索不同尺寸阵列、不同表面终端对电极性能的影响，揭示尺度变化引起的物理和化学性能变化的本质。本项目为发展高性能生物传感器、研究与探测生命相关过程机理提供理论与实验基础。

具有良好生物相容性、化学稳定性和惰性的四面体非晶碳(ta-C)或类金刚石(DLC)薄膜已经引起极大的关注。通过掺杂的方式调节ta-C的导电能力使其更好的应用于光学设备、光伏器件和生物传感器是非常重要的。氮、磷、铂元素被选择掺入ta-C薄膜中以达到这个目的。首先，我们采用过滤阴极真空电弧技术，以PH3 或N2为掺杂源制备了掺磷ta-C(ta-C:P)和掺氮ta-C(ta-C:N)薄膜。结果显示，磷或氮的掺入增加了ta-C薄膜中sp2杂化碳的含量，提高了薄膜的导电能力。我们进一步采用电化学沉积法在掺杂的ta-C薄膜表面修饰金纳米粒子。金纳米粒子的尺寸、覆盖度和真实表面积可以通过改变沉积时间调控。另外通过改变沉积电位，我们也得到了半球状、树枝状和花状的金纳米粒子。其中花状金纳米粒子有更高的电化学活性。ta-C:P/Au或ta-C:N/Au电极对过氧化氢(H2O2)表现出很高的电催化活性，线性检测范围为0.2µM-1mM，检测限为80nM。对葡萄糖也有很高的催化电流信号，线性检测范围为0.25-30mM，检测限为60μM，表明该薄膜电极有望作为无酶葡萄糖传感器。另外，我们采用磁控溅射技术共溅射碳靶和铂靶，制备了掺铂DLC(DLC-Pt)薄膜。铂的掺入也明显增加了DLC中sp2杂化碳的含量。DLC-Pt电极也可以催化氧化葡萄糖，线性检测范围为2-22mM。为了进一步提高电极的时间和空间分辨率，增大信噪比(S/N)，我们采用光刻技术和氧等离子体刻蚀技术制备了ta-C微电极阵列。阵列的维数(尺寸、形状、分布)可以通过控制模板的尺寸调节。与薄膜电极和单个微电极相比，ta-C微电极阵列有更大的电流响应和更高的信噪比，适于在污水、生物体液等特殊环境下使用。ta-C微电极阵列轻便易携带，适于对痕量重金属离子(包括Cu、Cd、Pb等)进行现场监测，最低检测限为0.3µM，也可以对几种金属离子共存体系进行测定。我们的研究对发展高性能ta-C微电极阵列及其生物传感器和电化学传感器提供了理论与实验基础。