Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
поддерживали плотность тока ниже 1 мкА/мм2.
Рис. 21.5 демонстрирует сильную частотную зависимость Z, R и С
тонкопленочных золотых электродов с площадью поверхности 0,25 мм2; 0,01
мм2 и 2500 мкм2. Из приведенных зависимостей видно, что, как и
предсказывает теория, импеданс обратно пропорционален площади электрода.
Емкостная составляющая импеданса почти не зависит от частоты; это
свидетельствует о том, что для металлического электрода она определяется
емкостью двойного слоя. Однако омическая составляющая импеданса
10е
107
10е
10s
10 *
Рис. 21.5. Частотные зависимости Z, R и С тонкопленочных золотых
электродов площадью 0,25мм2 (Zx, Rx, Сх); 0,01мм2 (Z2, R2, С2) Z
5 10 100 1000
и 2500 мкм2 (Z3, R3, С3). Гц
310
Г.чти 21
10 -9 O'-
Рис. 21.6. Частотные зависимости Z, R и С механически и электрически
устойчивого Ag/AgCl-электрода с площадью рабочей поверхности 2500 мкм2
(фактическая площадь поверхности электрода намного больше).
2 5 10
100 1000
сильно зависит от частоты и, следовательно, определяется главным образом
диффузионным сопротивлением.
Высококачественные Ag/AgCl-электроды обладают совершенно иными
свойствами. Изготовление этих электродов обсуждается ниже. Из рис. 21.6
видно, что Z и R хлоридсеребряного электрода с площадью поверхности 2500
мкм2 почти не зависят от частоты, а емкостная составляющая импеданса
пренебрежимо мала. Кроме того, при частотах ниже 10 Гц импеданс Au
электродов в 100 и более раз превышает импеданс Ag/AgCl-электродов того
же размера.
Различные импедансные характеристики и определяют преимущества электродов
этих двух типов для разных приложений. Активность одного нейрона лучше
изучать с помощью миниатюрных золотых электродов, тогда как изменения
потенциала в частотном диапазоне ниже 100 Гц регистрируются с меньшими
искажениями при использовании Ag/AgCl-электродов.
Для того чтобы Ag/AgCl-электроды обладали электрической стабильностью,
необходимо прежде всего обеспечить их механическую прочность. Это
особенно важно, поскольку такие электроды могут использоваться также как
миниатюрные электроды сравнения. Поэтому мы вкратце рассмотрим основные
стадии изготовления Ag/AgCl-электродов. Участки тонкопленочного золотого
электрода сначала электролитически покрывают слоем серебра толщиной 1
мкм, который затем превращают в AgCl электролизом в 1%-ном растворе NaCl.
Амплитудная и частотная зависимость импеданса Ag/AgCl-электрода сильно
зависит от заряда, пропущенного через раствор в процессе хлорирования. На
рис. 21.7 показаны изменения импеданса Ag/AgCl-электрода, при
изготовлении которого плотность тока составляла 0,03 мА/мм2 в течение 10,
50, 100 и 180 с. Наблюдаемые изменения импеданса согласуются с
предположением о том, что рост Ag/AgCl начинается в энергетически
выгодных точках на поверхности серебра [9]. Тогда сильная частотная
зависимость при частотах ниже 100 Гц обуславливается оставшейся
серебряной поверхностью. При непрерывном достаточно длительном
электроосаждении образуется сплошной слой с минимальными значениями
импеданса (Z8). Дальнейший электролиз приводит к утолщению слоя Ag/AgCl и
^ з Z? 103 -
2П0г
Рис. 21.7. Изменение частотных зависимостей импеданса границы раздела
электрод-электролит для серебряного электрода, обработанного хлоридом в
течение 10 (Z5), 50 (Zb), 100 (Zn) и 180 с (Zg) при плотности тока 0,03
мА/мм2.
2 5 Ю
100 1000
Ги,
Тонкопленочные микроэлектроды
311
Рис. 21.8. Из мененин поверхности Ag/AgCl в зависимости от времени
электролиза: 2 с (а), 25 с (б), 35 с (в)-при плотности тока 0,15 мА/мм2.
На рисунке г показана поверхность Ag/AgCl-электрода после обработки
хлоридом при плотности тока 0,03 мА/мм2 в течение 200 с.
возрастанию его импеданса из-за того, что сопротивление хлорида серебра
составляет только 105 Ом/см2 [9].
Образование механически стабильных слоев Ag/AgCl зависит от используемой
в этом процессе плотности тока: полученные на сканирующем электронном
микроскопе (СЭМ) фотографии слоев Ag/AgCl, сформированных при плотности
тока 0,15 мА/мм2 в течение 2 с (рис. 21.8, а), 25 с (б) и 35 с (в),
показывают их существенное структурное отличие от механически весьма
стабильного слоя Ag/AgCl, который формировали по плотности тока 0,03
мА/мм2 в течение 200 с (г). Последний режим мы успешно использовали при
изготовлении всех миниатюрных Ag/AgCl-электродов.
21.3.3. Источники искажения сигнала и практические ограничения
Чтобы сигнал тонкопленочного многоэлектродного датчика не искажался,
датчик должен иметь соответствующую конструкцию. Значительные искажения
сигнала могут обуславливаться джонсоновским шумом [10] импеданса границы
раздела электрод-электролит, паразитной емкостью между тонкопленочными
металлическими соединительными дорожками через слой изолятора и утечками
между напыленными токоподводами. Размеры тонких металлических
соединительных дорожек и толщина изолирующего слоя определяются размером
датчика и материалом, из которого он изготавливается [19]. В этой связи
