卞賀明 邊 超 佟建華 孫楫舟 張 虹 韓涇鴻 夏善紅(中國科學院電子學研究所傳感技術國家重點實驗室 北京 100190)

②(中國科學院研究生院 北京 100190)

1 引言

氨氮是水體中的常見物質，當水中氨氮濃度較高時，對水生生物和人類健康都會造成危害。氨氮一直是水質分析和監(jiān)測的重點。氨氮指水體中氨氣和銨離子的總和，氨氣和銨離子的比例受 pH值和水溫控制。目前氨氮檢測的常見方法有分光光度法、離子選擇電極法、氨氣敏電極法。分光光度法是使特定試劑與氨氮發(fā)生顯色反應，通過吸光度變化來測定氨氮，但易受濁度影響，且所用試劑難免受水中一些物質的影響而失效[1]。離子選擇電極法測定氨氮時，需使用多個傳感器分別檢測銨離子、pH值和水溫以確定氨氮的含量，且鈉、鉀等離子會嚴重干擾銨離子傳感器的檢測[2]。電位型氨氣敏電極法是使用 pH值電位傳感器來識別全部轉化為氨氣的氨氮對溶液 pH值的改變，進而確定氨氮濃度。但該方法一般需要較長的響應時間，且漂移較嚴重[3,4]。

安培型氣體傳感器探測氣態(tài)被測物時，其電極可不與被測樣品直接接觸。如果使用這種傳感器來實現對氨氮的檢測，可像氨氣敏電極法一樣有效克服離子干擾；同時與電位型氨氣敏電極相比，氨到達電極表面即發(fā)生電化學反應產生電流，無需太長的平衡時間，因此其響應速度較快。Chou等人[5]報道了利用微電極傳感器來檢測液體中揮發(fā)出的甲醛的研究，但使用安培型氨氣微傳感器對氨氮進行檢測的研究尚未見報道。近年來，有關安培型氣體傳感器微型化的研究受到了很多關注[5-10]，與傳統(tǒng)制造工藝相比，微型化的批量制造工藝可以有效降低生產成本。此外，傳感器的微型化還可降低化學試劑的使用量，提高檢測設備的便攜性。然而，目前這些微傳感器大都集中于 Clark電極型的結構，Clark電極型的傳感器結構簡單，便于微型化，但其靈敏度、穩(wěn)定性等方面的性能遜色于基于氣體擴散電極的傳感器?；跀U散電極的傳感器的特定結構意味著：如果要在芯片上實現其結構和功能，就需要構建電極及引線的多層互聯結構。Achmann等人[8]報道了基于氣體擴散電極的微傳感芯片。但此芯片采用低溫共燒陶瓷作為多層立體器件的主體材料，加工溫度較高，達 800℃-900℃。常用的聚合物透氣膜難以承受如此高的加工溫度，而Achmann等采用的陶瓷膜材料又會影響傳感器的整體性能。如能使用低溫工藝實現基于氣體擴散電極的微傳感芯片制備，將有效減少制備過程中工藝及材料所受的限制，以便提高微傳感芯片的性能。

本研究設計并制備了一種多層結構的安培型氨氣微納傳感芯片，該芯片采用微納加工工藝制備?；贛EMS技術制作芯片，選擇納米銥作為傳感器的敏感材料，使用 AgCl漿制備參比電極，利用聚合物鍵合工藝在較低溫度下實現了微傳感器多層結構的封裝。傳感器具有較高的靈敏度，并具有良好的抗干擾性。另外，構建了以此安培型氨氣微納傳感芯片為敏感單元的氨氮檢測系統(tǒng)，實現了對氨氮的檢測。

2 氨氮檢測原理

在含有氨氮的水體中，氨氣和銨離子共存，其離解反應是可逆的，由式(1)表示[11]。

維系這種平衡的關系為

式中Ka為酸離解常數，且在室溫為25℃時其值為10-9.25。根據式(2)，將氨氣和銨離子的濃度關系表述為由溶液pH值約束的形式。

由式(3)可見，當樣品溶液pH值＞12時，溶液中絕大多數的氨氮將以氨氣的形式存在。此時，以一定的流速向溶液中通入空氣，氨氣就立即會向氣相環(huán)境中析出。當氨氣被輸送至氨氣微傳感器時(微傳感芯片的原理圖如圖1所示)，氨氣將透過傳感器的聚四氟乙烯膜(PTFE)，接觸到傳感器的銥黑工作電極，并在工作電極表面發(fā)生式(4)所示的電催化氧化反應，相應地在環(huán)狀的Ag/AgCl對電極表面發(fā)生式(5)所示的還原反應。為維持參考電勢的穩(wěn)定，在芯片上單獨制作了Ag/AgCl參比電極。由于電流的變化量與水中氨氮的濃度成正比，所以可利用氨氣微傳感器來實現對氨氮的檢測。

圖1 氨氣微傳感芯片的原理圖

3 實驗部分

3.1 儀器與試劑

Gamry reference 600電化學分析儀(美國Gamry公司)；電子天平(德國Sartorius公司)；超純水機(北京盈安美誠科學儀器有限公司)；玻璃瓶、聚四氟乙烯導管等(北京大祥塑料制品有限公司)。

聚四氟薄膜，孔徑約為1 μm(北京龍吟國際貿易有限公司)；銥黑，粒徑約為8～10 nm (上海河森電氣有限公司)；氯化銀漿(徐州英劍納米科技有限公司)；氯化銨、氫氧化鈉、甲醇、乙醇、丙酮等(分析純，國藥集團北京化學試劑公司)；微型氣泵(格蘭登福托瑪斯氣動系統(tǒng)有限公司公司)；實驗用水為超純水(實驗室自制，＞15 MΩ cm)。

3.2 氨氣微納電極傳感芯片的設計與制備

氨氣微納電極傳感芯片的結構設計如圖2所示，其結構由4部分組成：微池結構層A和B，膜電極C及聚碳酸酯上蓋D。其中，結構層A和B均為帶有SU-8微池的玻璃片。A層的微池內有在鉑連接線表面覆蓋Ag/AgCl膜的參比電極和對電極；B層設有工作電極的連接線；膜電極C為傳感芯片的工作電極，由聚四氟薄膜和銥黑構成；D層為帶孔的聚碳酸酯上蓋。4部分通過鍵合工藝可形成僅有電解液進出通道的腔體。向腔體內注入電解液即構成完整的微傳感芯片。檢測時，氨氣透過上蓋中間的孔接觸到工作電極發(fā)生反應，產生電流信號。氨氣微納電極傳感芯片的具體制備過程如下：(1)首先用玻璃洗液將玻璃基底材料清洗干凈；(2)在玻璃基底上正膠光刻出電極連接線(如圖2左側的A,B兩層)，濺射30 nm Cr/300 nm Pt的電極材料，使用lift-off工藝形成電極；(3)使用SU-8膠在A,B兩層玻璃片上形成所需的微池結構；(4)使用氧等離子體清潔A,B兩層玻璃片表面，并在A層的鉑連接線表面滴涂 Ag/AgCl漿，形成圓形及環(huán)形的Ag/AgCl微電極，80℃烘烤 30 min；(5)制作膜電極C，制備過程類似于文獻[12]中的報道。將一定量的銥黑與聚四氟乳液加入1 mL去離子水中，超聲混合10 min，然后將混合物沉積在聚四氟薄膜上。自然晾干，在250℃的條件下烘烤1 h；(6)在各結構層邊緣刷涂環(huán)氧樹脂膠薄層，將傳感器的微池結構層A,B，膜電極C及聚碳酸酯上蓋D按圖中順序排列，然后壓緊固定，置于60℃烘箱加熱30 min；(7)將器件冷卻至室溫，焊接電極導線，注入 KCl電解液，用直徑2 mm的橡膠塞將電解液的注入及流出口密封。制備完成的微傳感器芯片如圖3所示。

圖2 氨氣微傳感芯片的結構示意圖

如上所述，氨氣微納電極傳感芯片的三維結構采用多層結構來實現其結構和功能。多層結構器件一般需要利用鍵合工藝實現封裝。然而，傳統(tǒng)的鍵合工藝存在著一些不足，例如鍵合溫度較高、對鍵合表面的要求高、可實施鍵合的材料種類有限等。粘性鍵合工藝可有效降低鍵合溫度、拓展鍵合工藝的使用范圍[13]。本研究中采用一種無溶劑的環(huán)氧樹脂膠來實現多層器件的鍵合，在降低鍵合溫度的同時，無溶劑的膠也避免了環(huán)氧樹脂自身組分對工作電極催化性能的影響。

圖3 氨氣微傳感芯片

3.3 氨氮檢測系統(tǒng)設計

圖4是依據上述檢測原理設計的氨氮測試系統(tǒng)結構示意圖。系統(tǒng)主要包括：微型氣泵，流量為500 mL/min；反應腔，實現被測溶液與NaOH溶液混合；檢測腔，腔體內包含微傳感芯片；電化學分析儀，用于采集并記錄實驗數據；以及裝有0.1 mol/L稀H2SO4的燒杯，吸收氨氣，防止其污染空氣。其中，系統(tǒng)的氣體流路各部分使用聚四氟乙烯管連接，各管路接口處均設置開關閥，以便保證系統(tǒng)氣路的密封性。檢測腔中微傳感器的三電極通過導線與電化學分析儀相連。為排除氣流對傳感器電流信號的影響，系統(tǒng)設計了另一條不含氨氮樣品的空白溶液氣路，此氣路包含一個與反應腔結構、大小均一致的空白溶液腔，用此氣路的信號作為傳感器背景電流信號。測試時，通過一個三相閥實現兩條氣路的切換。

圖4 氨氮檢測系統(tǒng)結構示意圖

使用上述系統(tǒng)測試的實驗步驟如下：

(1)使用注射器向空白溶液腔內注入8 mL去離子水和2 mL 0.5M的NaOH溶液；

(2)三相閥轉向位置 1，將空氣通向空白溶液，待傳感器信號穩(wěn)定進行后續(xù)操作；

(3)將8 mL一定濃度的氨氮樣品溶液與2 mL 0.5 M的NaOH溶液注入反應腔，靜置2 min，待溶液混合均勻，三相閥轉向位置 2，空氣通向反應腔，將析出的氨輸送至檢測腔；

(4)電流達穩(wěn)態(tài)后，三相閥轉向位置 1，將空氣通向空白溶液氣路；

(5)將反應腔內溶液排出，注入 8 mL去離子水和2 mL NaOH溶液，三相閥轉向位置2，用空氣清洗檢測腔及氣路；

(6)清洗完畢，三相閥轉向位置 1，將空氣重新通向空白溶液氣路；

(7)待傳感器信號回到基線，即可重復上述步驟(2)至步驟(7)，檢測其他樣品。

3.4 實驗方法

參比電極的電勢穩(wěn)定性對安培型氣體傳感器輸出信號的穩(wěn)定具有至關重要的作用。因此在傳感器進行整體測試之前，先對片上參比電極的性能進行測試，包括微電極表面的形貌測試(SEM)以及電化學穩(wěn)定性測試，使用電化學分析儀(美國 Gamry reference 600)測量片上參比電極與飽和甘汞電極間的電勢差，以此來評估自制參比電極的電勢穩(wěn)定性。

為獲得明顯的響應信號，且防止電解液發(fā)生水解，本研究的測試中對微傳感芯片施加+700 mV的偏置電壓，并待背景電流穩(wěn)定后開始測試。所有測試均在室溫下進行(25±1℃)。

4 結果與討論

4.1 工作電極的材料選擇及形貌分析

相關研究表明，在鉑、銥、金等金屬中，鉑對氨的電化學催化氧化能力十分突出[14]。但鉑的電催化氧化能力過強，以鉑為工作電極對許多種無機和有機氣體均會產生響應。例如，Lee等人[15]曾報道過使用鉑釕為工作電極檢測甲醇的電化學微傳感器。De Vooys等人[14]的研究表明，銥與鉑對氨的電催化氧化能力相近，但銥的選擇性優(yōu)于鉑，以其為工作電極材料檢測氨，具有較好的抗干擾性。

圖5所示為納米銥制備的工作電極表面形貌的SEM照片。由電極的微觀形貌可看出，電極微觀結構中粒徑約為8～10 nm納米銥之間存在著尺寸為幾十至幾百納米的孔隙，且孔隙很多?？紫兜拇嬖诶诎睌U散至電極表面發(fā)生反應，產生電流。

圖5 工作電極表面形貌的SEM照片

4.2 Ag/AgCl微電極的性能測試結果

4.2.1 Ag/AgCl微電極的形貌及成分分析使用掃描電子顯微鏡(SEM)對Ag/AgCl微參比電極的表面微觀形貌進行了觀察(圖6)。由圖6(a)可以看出Ag/AgCl層盡管銀漿顆粒大小不同，但總體上分布比較均勻且致密，在1 M的KCl溶液中浸泡24 h，未見漿料脫落，表明漿料可穩(wěn)定附著在電極引線表面，從而保證了微參比電極物理結構的穩(wěn)定性。EDX分析(圖6(b))表明電極材料的成分確實含Ag和Cl。

4.2.2 Ag/AgCl微電極的電化學性能為了評估微參比電極的穩(wěn)定性，在1 mol/L KCl溶液中使用電化學分析儀測試微參比電極與飽和甘汞電極的電勢差，測試持續(xù)16 h，記錄測試曲線如圖7所示。由圖可見，微參比電極的電勢十分穩(wěn)定，16 h內最大的電勢漂移量僅有1.5 mV。因此，芯片所采用的微參比電極可滿足為傳感器提供穩(wěn)定參考電勢的需要。

圖6 Ag/AgCl微電極形貌及成分分析

圖7 微參比電極穩(wěn)定性測試曲線

4.3 氨氮檢測的時間響應特性

圖8為氨氮檢測的時間響應曲線，由圖可見，0.5 mg/L,1 mg/L和5 mg/L的氨氮達90%響應的時間分別為6 min,4.5 min和4 min，經統(tǒng)計達90%響應的時間大都在3-6 min之間。此前報道的安培型微傳感芯片，使用陶瓷材料作為透氣膜，響應時間需要 6-14 min[8]?？梢娡笟庑粤己玫木鬯姆蚁┍∧び行ПＷC了傳感器的響應速度。

圖8 氨氮檢測的時間響應曲線

本研究中的傳感器恢復時間也較短，表明氨氣撤除后，殘余在電解液中的氨氣迅速被電化學反應消耗掉，從而也證明了納米銥對氨良好的電催化氧化性質。由圖8所示，每次檢測后出現的電流起伏是在管路清洗過程中出現的，表明殘余在管路中的氨氣可引起電流的改變。從而，證明了檢測后管路清洗的必要性，可避免殘留氣體干擾下一次的檢測結果。

觀察曲線可發(fā)現，在較高濃度范圍內(3-10 mg/L)，響應電流會在短時間內出現突增，然后逐漸達到穩(wěn)態(tài)。分析原因認為，當電極表面的氨氣濃度出現突增的情況，傳感器的電極體系需要一定的時間來重新構建電化學反應的平衡態(tài)。

4.4 氨氮檢測的濃度響應特性

根據微傳感器對0.5～10 mg/L氨氮被測液的電流響應值，可繪制出氨氮濃度與傳感器電流響應之間的關系(圖9)。在圖9中選取響應電流與基線電流的差值(即凈電流值)來指示不同濃度氨氮的電流響應值。在0.5～10 mg/L的濃度范圍內傳感器的響應與氨氮濃度成良好的線性關系，線性相關系數為0.995，靈敏度為 1.62 μA/(mg/L)。

4.5 重復性和選擇性

使用微傳感器對2 mg/L的氨氮樣品進行了連續(xù)6次測試，相對標準偏差為5.73%，體現出較好的重復性。

本研究采用將被測液中氨氮轉化成氨氣進行檢測的方法，避免了被測液中的離子干擾。潛在的干擾來源于被測液中的酸性物質和可揮發(fā)的有機物。在樣品溶液預處理時，加入強堿溶液，就是為了中和被測液中酸性物質，將有效地避免酸性氣體的干擾，因此對傳感器選擇性考察重點在含有揮發(fā)性有機物的溶液。研究中選取了甲醇、乙醇、丙酮3種常見的有機物為測試對象，使用去離子水配制與 2 mg/L氨氮濃度等摩爾濃度 (1 .43 × 1 0-4M)的甲醇、乙醇、丙酮溶液，測量這些干擾物溶液所對應的電流值，測量結果如圖10所示。干擾率RF%=ib/ia(ia：氨氮的響應電流值；ib：干擾物的響應電流值)。各干擾物的干擾率分別為丙酮 5.2%、甲醇 4.6%、乙醇6.9%。結果表明，干擾物未產生明顯的響應信號，各物質對電流響應不構成顯著干擾。從而證明了納米銥作為工作電極材料，具有良好的選擇性。

圖9 氨氮濃度與傳感器電流響應的關系

圖10 相同摩爾濃度 (1.43 × 1 0-4 M)的丙酮、甲醇、乙醇與氨氮響應電流值的比較

5 結論

本文提出一種具有多層微結構的安培型氨氣三維微納傳感芯片，尚未見報道。文中給出了傳感器的設計、制備方法及其以此微傳感器構建的氨氮檢測系統(tǒng)，探索了使用安培型氨氣微傳感器檢測氨氮的方法。對微傳感器的時間響應特性、濃度響應特性、重復性和選擇性進行了測試和分析。測試結果表明，納米銥電極對氨具有良好的電催化氧化能力，且對多種有機氣體表現出較強的抗干擾性。簡單可靠的 Ag/AgCl微參比電極制備工藝為微傳感器偏置電壓的穩(wěn)定提供了保證。通過對微結構的設計、敏感材料及鍵合工藝的選取，制備的安培型氨氣微傳感芯片實現了對不同濃度氨氮的準確區(qū)分，重復性較好，其在氨氮檢測方面具有很好的應用前景。

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