用于气体传感器的多孔硅的制备方法研究

分别采用化学刻蚀法、电化学腐蚀法和铂助腐蚀法在室温下制备了应用于气体传感器的纳米级多孔硅,并且对其表面形貌及厚度进行了表征。结果表明,3种方法制备的多孔硅孔径从5～100nm不等,并且3种制备方法各具优缺点,可根据实际需要来选择合适的制备方法。     

优化金属辅助法腐蚀液组分制备多孔硅

金属辅助化学腐蚀法可以在无外加电路的条件下,在40%HF/30%H2O2/乙醇的混合溶液中完成多孔硅的制备,该方法简单快速。本文研究了金属辅助法腐蚀液体系各组分(HF、H2O2、乙醇)含量对多孔硅表面的SiHx成分和多孔层结构的影响,根据Si-H和Si-O的红外吸收峰强度的变化曲线优化了腐蚀液体系中各组分含量。在腐蚀液各组分体积比为V40%HF∶V30%H2O2∶V乙醇=2∶2∶1和腐蚀时间为4 min的条件下制备了形貌均匀、化学活性(SiHx成分)和多孔结构稳定性较好的多孔硅,并对金属辅助法与阳极蚀刻法制得的两种多孔硅进行比较,结果显示金属辅助法制备的多孔硅的化学活性和稳定性在后续的生物技术应用中具有明显的优越性。     

多孔硅的电化学制备

单晶硅在氢氟酸溶液中阳极氧化可制得多孔硅, 多孔硅是一种以新形态存在的硅, 与单晶硅相比, 它表现出独特的物理性质和化学活性。荧光光谱峰的蓝移表明, 在p-型低掺杂衬底硅上形成的多孔硅中存在量子尺寸效应, 新近获得的Raman光谱也证实了这一点。     

发光多孔硅的光谱及电化学研究

单晶硅是E_g为1.1eV的间接带隙半导体材料,在可见光区不发光,不能应用于光电子领域.但是,Canham 1990年首次发现^[1],适当条件下形成的多孔硅在室温下就可发出强度能与Ⅲ-Ⅴ族半导体发光二极管相媲美的可见光。     

多孔与平面硅电极界面的电化学行为

研究了重掺杂n-型单晶硅(CSi)在氢氟酸体系中生成多孔硅(PSi)的电化学行为,根据线性极化曲线,选取不同的电流密度,采用恒电流阳极极化法,制备了一系列多孔硅层。利用扫描电子显微镜对其进行了表面和断面形貌的表征,通过线性扫描极化技术和计时电位法,比较了单晶硅电极和多孔硅电极的电化学行为,分析了多孔硅形成前后的塔菲尔曲线和计时电位曲线,给出了多孔硅形成过程中的重要电化学参数,如腐蚀电流、开路电位、塔菲尔斜率等。并对其进行深入分析,根据实验结果,提出了单晶硅电极/电解质界面和多孔硅电极/电解质界面的结构模型,并利用该模型讨论了两种电极界面的电化学特性。     

新型甲醛多孔硅复合传感器的制备

构建了一种简便、快速检测甲醛的新型钯-多孔硅(Pd-PS)复合传感器.采用水热腐蚀法制备多孔硅,通过扫描电镜表征其表面微结构.对多孔硅腐蚀条件进行了优化,得出多孔硅的最佳制备条件.多孔硅经化学浸渍法在其表面掺杂金属钯,进而制成了钯-多孔硅复合传感器.当此传感器被置于含甲醛的混合气体中时,可高选择性结合甲醛气体分子,并产生电信号,其强度与甲醛浓度相关,通过万用表检测其电信号,进而分析其气敏性能.检测结果表明,此传感器对甲醛气体敏感,且表现出良好的选择性,对乙醇、氨气、甲醇和丙酮不敏感.此传感器对甲醛浓度的检测范围在0.1～ 6.0 mg/m3之间,检出限为0.1 mg/m3,检测时间为3 min.     

生命分析化学的重要领域——电化学微阵列芯片

生命分析化学是研究与生命活动相关的化学分子检测原理与方法的新兴交叉科学领域。将电化学分析方法与生物芯片相结合形成的电化学生物芯片正在向集成化、通量化、微型化和自动化等方向迅速发展。本文介绍近年来电化学检测在DNA芯片、蛋白质芯片以及适配体芯片等方面有代表性的研究进展。文中阐述了高、低密度电化学DNA芯片的制备与多种伏安检测方法;讨论了多酶电极芯片结构与测定干扰之间的关系,介绍了伏安法、阻抗法等电化学方法在蛋白芯片中的应用进展。此外,还简要介绍了电化学适配体芯片的制备及检测方法,并展望了电化学生物芯片的发展前景。     

用STM研究电化学阳极氧化制备的多孔硅

本文利用扫描遂道显微镜(STM)并辅以快速富立叶变换(FFT)和数据拟合等数学方法对电化学阳极氧化法制备的多孔硅(PS)的微结构及形貌进行了研究。同时研究了多孔硅的微结构与其发光性质和电化学性质的相互关系。研究表明,在其他条件不变情况下,随阳极氧化电流密度的增大,所形成的多孔硅的微孔向纵深延伸,多孔硅层增厚,微孔相连后形成的硅柱变细,发光强度增大,发光峰位明显蓝移,与单晶硅相比,多孔硅电极的平带电位明显负移,而电极电流在两极区内均增大。     

微流控芯片中超微电极的制作及其在芯片-电化学检测中的应用

设计并制作了集成有超微电极的玻璃微流控芯片.在电化学检测芯片1(EC-1)中,以光刻方法制作13μm宽的Pt超微电极,距分离管道末端30μm,优化电极体系和分离电压,检测了电泳分离的神经递质.在电化学检测芯片2(EC-2)中,制作7μm宽的超微电极,在其上游集成城墙式的膜结构,进一步腐蚀后的膜厚度为10μm,具有良好的导电性和散热性能,成功地将高压电场截至在超微电极之前,具有进一步应用于电化学检测的能力.     

用于识别不同细胞蛋白质组的噬菌体抗体芯片

将4个鼠源噬菌体抗体克隆和1个人源噬菌体抗体克隆偶联到羧基终止的硅片表面,制成分析型模型芯片.挑选健康人体淋巴细胞为正常细胞的代表, HeLa细胞为肿瘤细胞的代表,提取细胞的全部蛋白质并用荧光染料Cy3标记,与制成的分析芯片反应,得到了不同的结合图谱.实验结果表明,以噬菌体抗体为分子感受器的分析芯片可用于识别不同细胞的蛋白质组.     

电化学制备P型硅基二维光子晶体优化参数

利用光刻技术与碱性腐蚀等工艺预写晶格图样,采用电化学腐蚀方法在P〈100〉型硅基底制备二维大孔硅光子禁带结构.结果表明:在预写有晶格图样的P〈100〉型硅基底上由电化学阳极氧化制备的二维大孔硅,其孔洞的生长速率、深宽比及表/侧面形貌与电解质配比方案及阳极电流密度均密切相关.在优化的电化学工艺参数下得到的空气洞阵列,具有近乎完美的二维四方晶格,晶格常数为3.8μm,孔洞直径约3.0μm,孔洞深宽约90μm,深宽比达30.该方法可用于制备在中红外或近红外波段具有完全二维光子带隙的光子晶体.     

光照强度和掺杂浓度对多孔硅形貌和电化学行为的影响

测试分析了光照强度和掺杂浓度对n型硅电极电化学特性的影响。采用电化学阳极腐蚀法在光照辅助下制备多孔硅(PS),通过扫描电镜研究掺杂浓度对PS表面微观形貌的影响,通过积分球测试仪测试研究了PS对光的反射率。结果表明,对于n型硅,光照是激发空穴的必要手段,光照强度越强,硅/电解液界面的电荷转移阻抗越小,更利于反应的进行;掺杂浓度越高,电化学极化阻力越小,促进PS孔密度增加。本实验条件下,形成的PS是微米级孔,随着掺杂浓度的增加,形成的PS孔径越小,孔深存在一个极值;电阻率为0.35Ω·cm的硅片拥有最大的孔深13μm;PS的孔结构大大提升了硅基对光子的捕获能力,相比于单晶硅,在可见-近红外范围,电阻率为0.0047Ω·cm的硅片制备的n-PS对光的反射率已经从30%降低到了5%。     

基于多肽的电化学传感器在蛋白质检测中应用的研究进展

生物体内的细胞通常会分泌各种各样的蛋白质,这些蛋白质在生物体中发挥着重要作用,尤其是可被用于诊断各种疾病的发生和发展。多肽具有良好选择性、空间适应能力和识别灵活的特点,可与不同类型的蛋白分子形成非共价键,用于蛋白质的生物检测。将多肽与电化学生物传感器结合用于蛋白质的广谱检测具有良好的发展前景。本文介绍了多肽修饰的电化学传感器在不同蛋白质检测方面的研究进展,分析了待测蛋白质的不同对多肽修饰的电化学传感器分类的影响及其优缺点,提出了基于多肽的电化学传感器在不同蛋白质检测中存在的问题,并展望了其未来发展。     

硅基芯片表面化学性质对蛋白质固定化的影响

制备蛋白质芯片的关键在于将蛋白质固定到芯片表面并保持其生物学活性.本实验中,我们分别采用物理吸附、直接化学固定、加入间隔臂化学固定和生物亲和作用固定的方法将癌胚抗原(CEA)抗体固定到硅基芯片的二氧化硅表面.基于抗原-抗体的特异性相互作用,利用双抗体夹心酶联免疫法(ELISA)评价各种方法固定抗体的效果.实验结果表明,在修饰有氨基的表面采用戊二醛作为偶联试剂固定CEA抗体具有最高的偶联效率,引入多聚赖氨酸(poly-L-lysine)作为间隔臂可以显著增强固定效果,并可进一步降低非特异性吸附.而利用生物亲和作用固定CEA抗体也可获得较好的固定效果,但是非特异性吸附较严重.     

基底材料对脉冲电流法制备的聚苯胺膜性能的影响

本文采用脉冲电流法(PGM)在不同的基底材料表面沉积PANI, 通过平均电位\|时间曲线及扫描电子显微镜(SEM)等方法研究了基底材料对PGM法制备PANI的影响; 并采用循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(EIS)研究了不同电极材料表面PANI的电化学性能.     

芯片毛细管电泳电化学发光法快速测定盐酸普鲁卡因的含量

建立了芯片毛细管电泳电化学发光法快速测定盐酸普鲁卡因含量的新方法。采用三联吡啶钌(Ru(bpy)2+3)为电化学发光试剂,三电极体系(直径300μm的铂圆盘电极为工作电极,集成在铂圆盘工作电极外的钛管为对电极,Ag/AgCl丝为参比电极)进行检测。分别考察了运行缓冲溶液pH值、检测缓冲溶液pH值、检测电位以及分离电压对分离和检测性能的影响。在优化条件下,即运行缓冲溶液为10mmol/L磷酸盐溶液(pH4.0),检测池缓冲溶液为含5mmol/LRu(bpy)2+3的50mmol/L磷酸盐缓冲溶液(pH7.0),检测电位为1.25V,分离电压为300V/cm时,盐酸普鲁卡因可在40s内实现较好的分离与检测,其线性范围为10~2000μg/mL(r2=0.9991),检出限(S/N=3)为3.0μg/mL,加标回收率为97%~99%,相对标准偏差为1.8%~2.2%。该方法简便、快速、准确,可用于盐酸普鲁卡因注射液的质量控制。     

碳材料电化学腐蚀的质谱-电化学循环伏安(MSCV)法研究 II:催化剂的影响

用MSCV法研究了Pt催化剂作用下, 碳材料在PH0.3～11.8范围内的阳极腐蚀.Pt催化剂明显加速了活性炭及乙炔黑的腐蚀速度, 使这两种电极上CO2开始析出的电位ΦO2/H2O。因此两种碳电极无论作为阳极还是氧阴极工作时均会被腐蚀。Pt对乙炔黑的催化活性明显强于活性炭, 对于活性炭, Pt并不改变CO2的ΦS-PH曲线的形状(ηS-CO2如析出的超电势)(即无论有无Pt它们均为折点在PH～7折线)。然而乙炔黑的情况更为复杂, Pt使CO2的ΦS-PH及ηS-PH形状从折线变为直线; 在CO2的IM-Φ曲线上出现两个波。它们似与乙炔黑上两种表面氧化物相对应。     

碳材料电化学腐蚀的质谱-电化学循环伏安(MSCV)法研究 II:催化剂的影响

用MSCV法研究了Pt催化剂作用下, 碳材料在PH0.3～11.8范围内的阳极腐蚀.Pt催化剂明显加速了活性炭及乙炔黑的腐蚀速度, 使这两种电极上CO2开始析出的电位ΦO2/H2O。因此两种碳电极无论作为阳极还是氧阴极工作时均会被腐蚀。Pt对乙炔黑的催化活性明显强于活性炭, 对于活性炭, Pt并不改变CO2的ΦS-PH曲线的形状(ηS-CO2如析出的超电势)(即无论有无Pt它们均为折点在PH～7折线)。然而乙炔黑的情况更为复杂, Pt使CO2的ΦS-PH及ηS-PH形状从折线变为直线; 在CO2的IM-Φ曲线上出现两个波。它们似与乙炔黑上两种表面氧化物相对应。     

碳材料电化学腐蚀的质谱-电化学循环伏安(MSCV)法研究 Ⅱ.催化剂的影响

用MSCV法研究了Pt催化剂作用下,碳材料在pH 0.3～11.8范围内的阳极腐蚀.Pt催化剂明显加速了活性炭及乙炔黑的腐蚀速度,使这两种电极上CO_2开始析出的电位φ_s明显负移,以致均负于φ_(O_2/H_2O).因此两种碳电极无论作为阳极还是氧阴极工作时均会被腐蚀.Pt对乙炔黑的催化活性明显强于活性炭.对于活性炭,Pt并不改变CO_2的φ_s-pH及η_s-pH曲线的形状(η_s-CO_2开始析出的超电势)(即无论有无Pt它们均为折点在pH～7的折线).然而乙炔黑的情况更为复杂.Pt使CO_2的φ_s-pH及η_s-pH形状从折线变为直线;在CO_2的I_(M-φ)曲线上出现两个波.它们似与乙炔黑上两种表面氧化物相对应.     

金属改性与碳包覆的多孔硅微球复合材料的制备及其电化学储锂性能

以工业级SiAl合金微球为前驱物,采用多步刻蚀-热处理策略,制备了金属(Sb-Sn)改性与碳包覆的多孔硅微球复合材料(pSi/Sb-Sn@C)。pSi/Sb-Sn@C具有以 Sb-Sn改性的多孔硅微球(pSi/Sb-Sn)为核、碳包覆层为壳的三维结构。碳外壳可以提高多孔硅微球的电子导电性和机械稳定性,有利于获得稳定的固体电解质界面(SEI)膜;而三维多孔核可以促进锂离子的扩散,增加嵌/脱锂活性位,缓冲嵌锂过程中的体积膨胀。此外,活性金属(Sb-Sn)的引入能够提高复合材料的导电性,并可以贡献一定的储锂容量。由于其特殊的组成和独特的微观结构,pSi/Sb-Sn@C复合材料在1.0 A·g^-1电流密度下充放电300次后的可逆容量为1 247.4 mAh·g^-1,显示了良好的高速率储锂性能和优异的电化学嵌/脱锂循环稳定性。