维普资讯 http://www.cqvip.com 第20卷第7期 传感 技术 报 Vo1.20 No.7 2007年7月 CHINESE JOURNAL OF sENS0RS & S JUL.2007 ZOU Shao一知ngH,FAN Ying—le ,WANG Ping。 ,1.Institute of Biomedical Engineering and Instrument,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China.、 \2.BiosensorNational Special Laboratory,Zh iang University,Hangzhou 310027,China / Abstract:A microfabricated electronic tongue has been developed for the determination of six trace heavy meta1 ions in aqueous media.It combines an Au microelectrodes array(AuMEA)with two light—addres— sable potentiometric sensors(LAPS)on a silicon substrate.The AuMEA contains 8×8 individuaI 10 m diameter Au disk microe1ectrodes.Square wave anodic stripping voltammetry(SWASV)is used for simul— taneous analysis of Zn(II),Cd(II),Pb(II)and Cu(II)with AuMEA.Paralle1 detections of Fe(III)and Cr (VI)are based on two LAPSs with ion-selective chalcogenide thin films which are formed on two 2 mm X 2 mm Au surfaces respectively.Measure results show parts—per-billion sensitivity of the six ions mentioned above. Key words:heavy metals detection;electronic tongue; microe1ectrodes array;light—addressable potentiomet一 ri学 c sensor;square wave anodic stripping voltammetry EEACC:7230J 集成多传感器的环境监测电子舌的研究 * 邹绍芳 ,范影乐 ,王 平 ,1.杭州电子科技大学生物医学工程及仪器研究所,杭州310018;、 \2.浙江大学生物传感器国家专业实验室,杭州310027 / 摘 要:研发了一种基于硅基底的环境监测新型电子舌,用于在线检测锌、镉、铅、铜、铁和铬6种痕量重金属元素.系统由一 个电化学微电极阵列和两个光寻址电位传感器组成.其中微电极阵列由8×8个直径为10 ttm的金微电极组成,采用方波阳 极溶出伏安法实现锌、镉、铅和铜4种元素的快速检测.另外在硅基底的两个2 mmX2 rnrn的金膜表面,分别沉积铁离子和铬 离子选择性薄膜,实现光寻址电位传感器,用来实时检测铁和铬2种元素.实验结果表明,本文方法具有所需样品少、操作方 便、检测速度快以及灵敏度高等优点,检出限可达到微克/升级. 关键词:重金属检测;电子舌;微电极阵列;光寻址电位传感器;方波阳极溶出伏安法 中图分类号:TP212.2 文献标识码:A 文章编号:1004—1699(2007)07-1457-04 重金属污染是影响生态环境的重要因素,如锌 过程中的污染都会影响到检测结果的客观性.采用 Zn(II)、镉Cd(II)、铅Pb(II)、铜Cu(II)、铁Fe(III)、 轻便的仪器进行现场实时检测可以提高测量准确 铬Cr(VI)等.随着城市的扩大和大规模工业的发 度,降低分析成本.大部分现代重金属分析系统,如 展,重金属广泛分布于各种水体,通过饮水、食物链 原子吸收光谱、电感耦合等离子体原子发射光谱等, 以及生物富集等方式正在严重危害人体健康.重金 仪器价格昂贵、功耗大、体积大、结构复杂且需要较 属的监测迫在眉睫¨1].传统检测重金属,需要现场采 长的分析时间、复杂和多步骤的分析过程,不适合现 样后送到实验室进行分析,成本高,效率低,而且由 场检测_2].电化学方法检测重金属,具有仪器体积 于没有及时检测,水样中途发生变化,以及水样传输 小,价格低,检测快速方便和灵敏度高的优点,易于 基金项目:浙江省科技计划重点项目资助(2oo7c23o74);浙江省自然科学基金资助(602127) 收稿日期:2006一10—17 修改日期:2006—11—16 维普资讯 http://www.cqvip.com l458 传感技术学报 2007丘 实现现场检测. 在过去20多年里,电化学传感器向着小型化、 微型化、集成化的方向蓬勃发展,成为研究的热点. 氧气,炉温升高到l 200℃,加热18 min,则可以得 到厚约3O nm左右的SiOz层.用磨片机磨去硅片背 面的SiO2,并溅射一薄层A1(100 nm)作为LAPS 欧姆接触的引线层.为保证金属Au层可靠黏附在 硅片表面,在金沉积之前先沉积一薄层Cr金属层作 为黏附层.采用真空蒸发的方法,分别沉积100 nm 厚的Cr和250 nm厚的Au在硅片的SiOz表面作 为黏附层和电极层.通过光刻和湿法腐蚀工艺保留 电极.采用化学气相沉积方法先后沉积500 nm SiOz和500 nm Si。N 作为钝化层.最后应用反应离 子刻蚀法干法腐蚀SiOz和Si。N ,暴露出相应电极 图形.在2 mm ̄2 mm的硅片表面上分别激光脉冲 沉积Fe(III)敏感膜和Cr(VI)敏感膜l_1 ,沉积过程 微电极阵列(microelectrodes array,MEA)被广泛应 用于电化学检测.与传统普通电化学电极相比,微电 极阵列不仅体积小,批量生产一致性好,所需试剂量 少,而且具有更高的电流密度和更好的信噪比.微电 极阵列与电化学溶出伏安法相结合,具有分析成本 低,仪器简单轻便,响应时间快,检测下限低(达ppb 甚至ppt级)等优点,适用于现场快速在线检测[3]. 1995年德国A.Uhlig等就采用微电极阵列成功检 测了10-100×i0 的Cu、Pb和Cd.1996年瑞士C. Belmont等检测出了l~10 nmol/I 的Pb和Cd. 1997年美国塔夫茨大学Rosemary Feeney等检测 了0-100ppb的Cd.1999年美国华盛顿大学Stevan B.Saban等同时测定了l0×l0 ~l0×l0 的 中用薄铝片遮住器件的其他部分.实验证明在硅片 相应区域上预沉积一层Au,然后激光脉冲沉积沉积 敏感膜,得到的敏感膜不易脱落,更加稳定可靠.所 以在沉积、光刻形成AuMEA的同时,在相应的 Cu,Pb,As,Hg等四种元素 . 光寻址电位传感器(1ight—addressable potentio- metric sensor,LAPS)是一种高灵敏的光学式电化 学传感器件.它于1988年由Hafeman等人在《Sci— ence}上首次提出后,立即引起广泛关注l_5j.Hafe- man指出:凡是能通过氧化还原反应、免疫反应、酶 LAPS区域也沉积了Au薄膜.沉积得到的Fe(III) 敏感膜厚度约为500 nm,得到Cr(VI)敏感膜厚度 约为400 nm.硅片划片后,打线到定制的PCB板 上.硅片背面用导电胶引出欧姆接触.然后用环氧树 脂密封焊盘、引线及硅片四周,并安装到腔体上,同 时固定两个LAPS光源在LAPS敏感膜上方.最后 采用电镀的方法,在相应区域的Au表面电沉积 促反应等引起表面电位幅值和相位变化的各种参数 均可用LAPS测量,大到细胞、孢子,小到通道、 DNA、离子等,都可以用LAPS来检测.德国和俄罗 斯合作,于2001年首度应用PI D技术在LAPS上 沉积Pb离子选择性硫系玻璃薄膜,检测Pb取得了 成功,检测下限为l×10~mol/I _6j.2005年浙江大 Ag/AgC1和Pt,制备微型参比电极和对电极,工艺 简单,成本低廉. 学生物传感器国家专业实验室基于PI D技术在 LAPS表面上制备了Fe离子选择性硫系玻璃薄膜, 检测下限为5×10一 mol/I l_7J.由于LAPS的原理 是基于半导体的光电效应【8],本文充分发挥半导体 微加工技术的优势,把MEA和LAPS两种传感器 集成在一个硅片上,实现了多元素重金属的快速同 时检测.MEA镀汞膜后与方波阳极溶出伏安法结 合检测Zn(II)、Cd(II)、Pb(II)和Cu(II)4种元素, 同时基于铁离子和铬离子选择性薄膜的LAPS分 别检测Fe(III)和Cr(VI)元素. 图1 电子舌结构示意图 2电子舌的预处理 在使用电子舌之前均需清洗活化AuMEA表 面.在0.1 mol/I 的硫酸溶液中,在0 V至+1.5 V 1 电子舌的加工(图1) 电子舌采用硅微加工工艺制作l_g].选择晶向 <i00>的直径为4 in的N型硅片作为基底,经过 标准清洗后甩干,在Si片上沉积SiO。介质层.由于 范围内进行循环伏安扫描,直到获得可重复的电化 学响应.然后在AuMEA上电镀汞膜,镀汞液的浓 度对测量有影响.实验结果表明,金属的溶出峰电流 值随镀汞液浓度的增大而上升,但当镀汞液的浓度 大于1.0×10 mol/I 时,峰电流开始下降.其原因 可能是汞的浓度过大,导致镀汞膜厚度增加,使灵敏 集成了LAPS器件,SiO 氧化层不宜太厚,我们采 用干法氧化的方法,将Si片放人高温氧化炉,通入 维普资讯 http://www.cqvip.com 第7期 邹绍芳,范影乐等:集成多传感器的环境监测电子舌的研究 1459 度下降.所以选用1.0×10一mol/I 的Hg(II)溶 液.电镀汞时把电子舌置于含1.0×10 mol/L Hg (II)的0.1mol/L的HC10 溶液中,施加电位一0.3 V,电镀时间3 min.电镀后取出电子舌,可观察到 AuMEA表面均匀地附着上了一层汞膜.每天实验 结束后,采用线性扫描伏安法在1 mol/L的KSCN 溶液中以20 mV/s的扫描速率从一0.3 V扫描至 +0.3 V,使AuMEA表面的汞充分溶出.电子舌不 使用时,干燥保存在聚四氟乙烯容器内. 3检测方法 电子舌上的镀汞AuMEA与方波阳极溶出伏 安法结合,同时快速检测Zn(II)、Cd(II)、Pb(II)和 Cu(II)4种元素.以一1.5 V为富集电位,富集5 min后,在一1.5 V~一0.1 V电位范围内在线性变 化的电位上迭加高频小振幅的连续方波电位,电位 增量4 mV,方波周期70 S,方波幅度20 mV,记录方 波溶出伏安曲线,依次测出Zn、Cd、Pb和Cu的峰 高,由此进行Zn、Cd、Pb和Cu 4种离子的定量分 析. 在镀汞AuMEA进行溶出伏安检测Zn、Cd、Pb 和Cu的同时,电子舌上的两个LAPS采用红外发光 二极管正面光照,激活硅片上相应部位的固态硫系玻 璃敏感膜,检测出相应(III)和Cr(VI)的浓度,从而可 以实现溶液中的Fe(III)和Cr(Ⅵ)的同时测量.光在 透过溶液时要被反射和折射,被半导体吸收的光只能 是部分,若溶液采用流动方式或搅拌,会使得有效的 激发光源变得不稳定.我们所需的样品量只有100 I ,故测试时采用的是溶液静止方式,保证了有效的 激发光源稳定.图1示意光源在器件背面,实际采用 正面光照,方便对准.光源波长为940 nm,采用频率 为3 kHz的正弦信号驱动,光电流为20 n . 4实验结果和分析 由于环境水样中不同重金属离子的浓度高低不 同,为满足实际测量的需要,本文配制了不同浓度配 比的Zn、Cd、Pb和Cu的混合溶液,得到的溶出伏 安曲线如图2所示.其中五条伏安曲线从下到上对 应zn的浓度分别为50 g/I 、100 g/I 、150 t ̄g/I 、 200>g/I 、250 ttg/I ,Cd的浓度分别为5/ ̄g/I 、15 t ̄g/I 、25 g/I 、35 t ̄g/I 、45 t ̄g/I ,Pb的浓度分别 为10/ ̄g/I 20/ ̄g/I 30/ ̄g/I 40/ ̄g/I 50/ ̄g/I , Cu的浓度分别为40 g/I 、80 t ̄g/I 、120 g/I 、160 g/I 、200 t ̄g/I .实验结果表明随着浓度增高,Zn、 Cd、Pb和(、u的峰电流均呈线性增大,线性范围分 另4为10 ̄200 t ̄g/I ,1 ̄100 g/I ,5 ̄100 g/I ,10 ~2OO/ ̄g/L.测定试剂空白11次,以3倍空白样品 的标准偏差计算检出限,得到Zn、Cd、Pb和Cu的 检出限分别为3/ ̄g/L,0.3/ ̄g/L,1/ ̄g/I ,2/ ̄g/I . 曲线显示 图2不同浓度下Zn、Cd、Pb、Cu的方波溶出伏安曲线 Fe_I APS和Cr-LAPS的响应时间均不超过2 min.实验证明溶液中Cr(VI)的浓度变化对Fe— LAPS信号没有影响,溶液中Fe(III)的浓度变化对 Cr-I APS信号也没有影响.取不同浓度的Fe(III) 和Cr(VI)混合溶液进行LAPS检测.对于Fe— LAPS,I—V曲线如图3所示.固定偏压为300 mV 不变,测量不同Fe浓度溶液中LAPS的电流响应, 得到Fe—I APS的线性区间为1~104 t ̄g/I ,检出限 为3.6#g/I 对于Cr-I APS,I-V曲线如图4所示. 固定偏压为50 mV不变,变化Cr(VI)溶液浓度测 量LAPS的电流响应,得到Cr-LAPS的线性区间为 0.1 ̄103 t ̄g/I ,检出限为0.8 t ̄g/I . Laps ‘ i! ii妻i i i i i i i; i 篓 ・ijij ・ ; .审 _- … 4 偏匝/mV 图。 Fe-LAP8的I~V曲线(曲线从左到右对应Fe的浓 度分别为1,10,10。,lO。,10  ̄g/L) Laps ~ 褰S i ii … - 塞 ≥ 萎i塞j薹i; i至j薹j 偏压/mV 目 Cr-LAPS的I_V曲线(曲线从左到右对应Cr的浓 度分别为0.1,1,1O,lO ,10。 ̄g/L) 维普资讯 http://www.cqvip.com 60 传感技术学报 2007丘 由于水样中的Ag(I)和Hg(II)会严重影响Fe— PS和Cr-I APS的测量,在测量时应该避免溶液 Ag(I)和Hg(II)的存在.所以电子舌上的  ̄IEA必须采用预镀汞的方式,并且电化学溶出 扫描终止电位不能太正,以免汞的溶出. 讨 论 目前溶出伏安法微电极阵列检测痕量重金属已 }到广泛应用,通常在微克/升到毫克/升的数量 然而采用光寻址电位传感器检测重金属离子尚 见.本文结合溶出伏安法微电极阵列和多光源 }址电位传感器,采用半导体硅微加工工艺加工 :舌,同时检测6种重金属元素,实现了传感器的 !化、集成化和多功能化.该电子舌用于测量微量 !属元素所需样品少,操作方便,检测速度快,灵 高. }文献: Eric P.Achterberg,Charlotte Braungardt.Stripping Voltam— metry for the Determination of Trace Metal Speciation and In— Situ Measurements of Trace Metal INstributions in Marine Waters[J].Analytica Chimica Acta,1999,400(2):381—397. 邹绍芳(1978一),女,江西赣州人.1999 年和2002年分别获得南昌大学机电工 程学院学士和硕士学位,2006年获得浙 江大学生物医学工程与仪器科学学院 博士学位,导师王平教授.2006年6月 进入杭州电子科技大学自动化学院生 物医学工程及仪器研究所工作,讲师. 研究方向为生物、化学、医学传感器及其检测、控制仪器 究,zsf@hdu.edu.cn I-2]Richard J.Reay,Anthony F.Flannery,et a1.Microfabricat— ed Electrochemical Analysis System for Heavy Metal Detection I-J].Sensors and Actuators B,1996,34(3):450—455. 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