摘要

叉指微電極因其微小的電極間距結構可用于各種小型化傳感器。對于傳統(tǒng)分析檢測，包括色譜法、光譜法、質譜等方法，大多都需要昂貴的儀器和多種操作步驟，使得許多實際問題仍面臨困難。開發(fā)高靈敏度、低成本，小型化的傳感器尤為重要。本文綜述了叉指微電極的研究進展，重點介紹了基于叉指微電極的傳感器在各領域的廣泛應用。

1.引言

最開始制造叉指微電極結構是為了通過增加有效長度從而增加電極間的電容[1]。后來由于其叉指微電極在檢測時加快了檢測速率、提高了靈敏度和信噪比，并減少了被測物的使用量，因此被用作各生物傳感器的核心部件[2]；在這篇綜述中，我們簡要討論了叉指微電極的基本結構形狀、分類、制備及其應用。然后，我們介紹了基于叉指微電極的各傳感器在不同領域的應用，展望了叉指微電極在未來發(fā)展微型傳感器的前景。

2.叉指微電極

2.1.叉指微電極的結構及形狀

叉指微電極結構如圖1所示，具有微小的電極間距結構。該裝置的便攜性和低成本使其適用于實際生活的使用。

(a)(b)

Figure 1.(a)Schematic diagram of interdigital microelectrode structure;(b)physical diagram of interdigital microelectrode

圖1.(a)叉指微電極結構示意圖；(b)叉指微電極實物圖

不同領域對叉指微電極的結構參數(shù)有不同的要求。如圖2所示，列出了幾種常見的叉指微電極結構，其形狀主要有圓形、矩形。

圓形叉指微電極又包括螺旋叉指結構和同心叉指結構，如圖3所示。與矩形叉指微電極相比，螺旋和同心叉指微電極具有旋轉對稱性，因此產(chǎn)生的電容對傳感器和被測材料的相對取向不太敏感。

螺旋和同心的叉指微電極的每個電極與其相鄰的帶相反電荷的指相互作用，與先前開發(fā)的圓盤和圓環(huán)結構相比，圓形叉指結構比圓盤和環(huán)形結構的電極具有更大的敏感區(qū)域，覆蓋了更多的電極總表面積，其相互作用面積與微電極表面積之比大得多，具有更高的信噪比和更好的材料特性描述精度。因此，在電極直徑相同的情況下，叉指結構的電容比簡單的盤環(huán)結構的電容大得多，靈敏度也高許多[3]。

Figure 2.Several common interdigital microelectrode structures 圖2.幾種常見的叉指微電極結構

Figure 3.Helical interdigital microelectrode and concentric interdigital microelectrode 圖3.螺旋叉指微電極及同心叉指微電極

2.2.叉指微電極的分類

叉指微電極大體上可分為剛性電極和柔性電極。在非接觸測量中，剛性基底或剛性電極設計是有利的，在這種情況下，為了能夠利用基于模型的參數(shù)計算法，保持電極結構的良好幾何結構是很重要的。

細分的話，按照基底材料的不同，叉指微電極大體可分為：氧化鋁陶瓷基底叉指微電極、聚合物叉指微電極、多孔金修飾叉指微電極、二氧化硅叉指微電極、石英玻璃叉指微電極。

陶瓷基底叉指微電極較穩(wěn)定，有良好的惰性，具有高導熱性和高介電常數(shù)的特性，可耐酸堿、耐腐蝕、耐高溫，很多條件下都比較適用[4]。

聚合物叉指微電極種類多，價格低，介電性、透明性良好。以目前發(fā)展應用來看，其在一次性芯片的應用中占據(jù)主導性。以聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)/聚酰亞胺(PI)48柔性叉指微電極為例[5]，柔性基底是高分子基底，PET為半透明材料基底，PI為黃色基底；柔性叉指微電極可拉伸可彎曲，PI基底相對比較柔軟，可以貼合人體皮膚，實時傳輸檢測信號，具有多層卷繞、性能倍增的特性，可大幅度提高電池和超級電容器的整體性能，提高體積比容量。還可用于柔性醫(yī)療傳感器、可穿戴式傳感器。但是在耐高溫，耐腐蝕方面相對弱一些，PI柔性叉指電極使用溫度最高可達150℃，PET柔性叉指電極則為80℃。

多孔金修飾叉指微電極能夠增加電極活性材料的負載量，電極比表面積的增大可以使化學傳感器的檢測更加靈敏。應用于電池、超級電容器和燃料電池領域中電池活性材料的評估。

二氧化硅叉指微電極：跟陶瓷基底類似，但二氧化硅易寄生電容，不利檢測。如果用在傳感器中不需要用到銅層和鎳層的情況下，可選擇硅基叉指電極，可以在硅基上直接濺射鈦氫，可直接避免銅層和鎳層的干擾，因此提高檢測靈敏度[6]。

石英玻璃也是叉指微電極中常用的基底材料，電滲及光學特性良好，在制作微流控芯片領域應用尤為廣泛，但價格較高。

2.3.叉指微電極的制備

叉指微電極的制備最重要的是保證靈敏度，基于此選取電極和基底的材料是十分重要的，不同應用領域對于材料的選取有所不同。由于制作基底材料常見為石英玻璃，以其為例介紹石英玻璃叉指微電極的制作流程。

生長在石英玻璃基底上的薄膜的黏附性取決于玻璃的潔凈度。由于后續(xù)工藝流程中含有在酸性溶液中的濕法腐蝕等工藝[7]，所以在第一步工藝中希望能盡量把玻璃基底清洗干凈。先在食人魚刻蝕液中進行搖晃浸泡20秒左右，徹底清除附著于石英玻璃基底上的幾乎所有有機質；接著依次放入各酸堿性溶液、有機溶液中進行超聲清洗，以將其顆粒污染及金屬離子污染去除，之后用干凈的高純N2吹去玻璃片上的水分，最后放入干燥箱中充分干燥。

叉指微電極結構最為常見的是用鉻、金材料制作，此外，氧化銦錫材料具有電阻率低、透光率高、加工性能好、耐化學腐蝕等特點，也是一種良好的電極材料[8]。首先需要在玻璃基底上濺射生長一層均勻覆蓋的薄膜。將上一步工藝過程中清洗好的玻璃片放入電子束蒸發(fā)鍍膜機中，抽真空后，先蒸鍍50厚度的鉻金屬層，再蒸鍍1000厚度的金層，最后升溫到300℃進行熱處理，這樣可以提高金電極和基底之間的黏附性。然后使用簡單的單掩模光刻工藝進行結構構圖和器件的顯影。簡而言之，將雙層負性光致抗蝕劑旋涂到基底和掩模上[9]，光刻結束后，光刻膠的電極圖案就在鉻金金屬薄膜表面上形成了。

通過標準光刻法制造了具有不同間隙尺寸和幾何形狀的叉指金微電極如圖4所示。

Figure 4.Interdigital gold microelectrodes with different gap sizes and geometries 圖4.具有不同間隙尺寸和幾何形狀的叉指金微電極

3.叉指微電極的應用

3.1.生物傳感器

生物傳感器能夠檢測出與神經(jīng)性疾病和幾種不同類型癌癥相關的特定分子。如帕金森氏病、阿爾茨海默病、宮頸癌，乳腺癌等。叉指微電極已用于生物傳感器的構建，下面列舉幾例。

3.1.1.檢測多巴胺

鑒于世界范圍內老年人口的增長，近年來，老年人大腦和神經(jīng)系統(tǒng)的疾病引起了極大的關注。每年有5000多萬人被診斷患有神經(jīng)系統(tǒng)疾病。由于神經(jīng)系統(tǒng)疾病使人類健康變得相當復雜，因此十分需要與這些疾病相關的預防和治療方案。為了滿足這一要求，在神經(jīng)科學研究的各個方面開展了大量工作，以開發(fā)先進的治療和預防策略。神經(jīng)元的細胞培養(yǎng)物多巴胺是一種簡單的兒茶酚胺類化合物，被認為是與精神健康問題直接相關的重要神經(jīng)遞質之一。神經(jīng)系統(tǒng)的明顯功能障礙與多巴胺的缺乏(如帕金森氏病)或過量(精神分裂癥)有關。電化學利用了多巴胺的易氧化性，為提高靈敏度和選擇性需要對電極進行修飾。利用碳纖維作為檢測探針或微透析取樣，需要復雜的準備和工具。一種多功能微電極芯片就可以克服這些限制，它能夠同時記錄電信號和化學信號，從而獲得最佳的時間和空間分辨率。據(jù)這是第一個以電子和生物化學方式被賦予多種記錄形式的復雜芯片，見圖5。芯片的制造產(chǎn)生了一種有利于細胞粘附和神經(jīng)化學檢測的微結構[10]。

(a)(b)(c)

Figure 5.(a)optical micrograph of a multifunctional multi electrode neural chip composed of 40 electrical recording points,8 interdigital microelectrodes and 4 grounding ports;(b)an enlarged top view of the central part of the chip;(c)an enlarged view of the integrated circuit containing the gold generator and platinum collector interdigital microelectrode

圖5.(a)由40個電記錄點、8個叉指微電極和4個接地端口組成的多功能多電極神經(jīng)芯片的光學顯微照片；(b)芯片中央部分的放大俯視圖；(c)包含金發(fā)生器和鉑集電極叉指微電極的集成電路的放大圖

3.1.2.檢測細胞

細胞附著是組織或腫瘤形成過程的初始步驟，包括細胞生長、遷移、代謝、分裂、分化、轉移和凋亡。測定細胞附著，通常使用直接細胞計數(shù)和比色方法，甚至原子力顯微鏡也曾試圖研究細胞和底物之間的微觀相互作用，這些方法是費力的。一種基于阻抗測量的實時技術的開發(fā)建立了細胞/基質界面的電模型。界面阻抗反映了細胞狀態(tài)，如微電極上的擴散和形態(tài)變化。同時叉指微電極的設計用來獲得細胞生理狀態(tài)的阻抗數(shù)據(jù)，使用阻抗測量系統(tǒng)和具有叉指微電極的細胞培養(yǎng)室來監(jiān)測細胞在電極上附著過程中的阻抗響應，見圖6。發(fā)現(xiàn)較低頻率下的電導變化有助于量化細胞附著的程度，有助于確定初始和最終狀態(tài)的時間，也有助于研究細胞附著材料的生物相容性。從導納變化判斷，當電極用RGD-C肽修飾時，細胞附著變得容易，該肽是一種對纖維素表面具有高親和力的人工肽。該系統(tǒng)可用于估計接種細胞的密度和表征具有合適細胞親和力的生物相容性材料[11]。

3.1.3.血清中前列腺癌生物標志物的檢測

前列腺癌占所有癌癥病例的29%，全世界有13%的死亡記錄。它的“沉默”性質意味著癥狀很難被檢測到，因此當癥狀占優(yōu)勢時，它就已經(jīng)意味著癌癥的轉移。

目前實踐中多依賴于常規(guī)酶聯(lián)免疫吸附試驗檢測前列腺特異性抗原(PSA)標記物濃度，酶聯(lián)免疫吸附試驗的高靈敏度和可靠性是不可否認的；然而，其對標簽的要求、高復雜性、所需勞動力、成本和非便攜式特征已經(jīng)形成了需要填補的技術漏洞。因此，需要一種更簡單、更便宜、更可靠、更可靠和快速的技術來檢測血液中的癌癥生物標志物。消除標簽或標記可以導致生物標記檢測的更簡單、更便宜的替代方法，但是它會在復雜的樣品中產(chǎn)生非特異性的相互作用而降低了設備的性能。

Figure 6.(a)Schematic diagram of interdigital microelectrode;(b)photo of MDCK cells growing on the microelectrode plate 圖6.(a)叉指微電極示意圖；(b)在微電極板上生長的MDCK細胞的照片

利用氨基硅烷化技術、有效的自組裝單層(SAM)，提出了一種簡單的單掩膜金叉指三微電極生物傳感器，用于早期檢測前列腺癌的生物標志物——前列腺特異性抗原(PSA)[12]。與大多數(shù)叉指電極生物傳感器不同，生物識別發(fā)生在叉指電極之間，這提高了傳感器的靈敏度和檢測限。所開發(fā)的傳感器具有作為便攜式前列腺癌生物傳感器的巨大潛力，也是生物分子傳感的通用平臺，具有實現(xiàn)納米粒子和其他表面化學用于各種應用的多功能性。

3.1.4.檢測蛋白質

在過去的幾十年里，糖尿病已經(jīng)成為一個嚴重的全球性健康問題，根據(jù)2010年全球預測統(tǒng)計，糖尿病患者超過2.2億，其中大多數(shù)患有2型糖尿病。因此，對糖尿病的研究，如對其發(fā)病機制的理解以及對其長期并發(fā)癥的預防或改善，變得越來越重要。糖化血紅蛋白(HbA1c)的檢測是糖尿病長期血糖控制指標中最重要的診斷檢測之一[13]。一種基于阻抗測量的無標記親和生物傳感器被用于HbA1c檢測(如圖7所示)，具有價格經(jīng)濟、樣品體積小、實驗中不需要額外試劑的優(yōu)勢。該傳感器中環(huán)形叉指微電極的設計不僅有利于促進HbA1c的均勻分布以及提高它的固定效率，還能被進一步用于表征阻抗變化和識別HbA1c的各種濃度。用噻吩-3-硼酸(T3BA)自組裝單層膜修飾金電極表面。然后，HbA1c和T3BA在電極表面上發(fā)生酯化反應使得阻抗相對變化。T3BA自組裝單層的環(huán)形叉指微電極傳感器具有檢測范圍寬(100到10 ng/mL)，產(chǎn)生阻抗的近似對數(shù)下降，檢測限低(1 ng/mL)的特點，在檢測HbA1c時，它具備良好的選擇性和短期穩(wěn)定性。小型化和低成本的顯著優(yōu)勢填補了便攜式傳感器的點護理診斷的空白。

環(huán)形叉指微電極已被用于使薄層徑向流動池小型化以提高檢測靈敏度。環(huán)形叉指微電極通過在電極和分析物之間保持一個薄的擴散層，使細胞在工作電極表面均勻分布。環(huán)形叉指微電極具有叉指陣列和微電極的所有優(yōu)點，例如高法拉第電流。環(huán)形叉指微電極可應用于高效液相色譜電化學檢測器、不同生物分子的選擇性檢測和微球液相色譜檢測等。其各項應用基于不同理論的各種檢測技術，包括光學、電化學、放射性和壓電原理。

與平行面對電極相比，叉指微電極更方便。此外，叉指微電極的主要優(yōu)點是電場集中在電極表面。為了實現(xiàn)HbA1c的集中化，環(huán)狀叉指結構的應用是必要的。因此，普通矩形結構的叉指微電極被環(huán)形結構代替，這改善了非均勻電場問題，有效地減少了電場分裂并提高了檢測穩(wěn)定性。環(huán)形叉指微電極結合了量子點的主動操控和雙螺旋電極的優(yōu)點，這種結構能夠將HbA1c集中在電極表面測量，并在同一電極上完成集中捕獲和檢測。

(a)(b)Figure 7.(a)Ring interdigital electrode based on PDMS;(b)Microscopic image of impedance measurement chip 圖7.(a)基于PDMS的環(huán)形叉指電極；(b)阻抗測量芯片的顯微圖像

3.1.5.檢測生物膜的形成

生物膜的形成是一個動態(tài)過程，可分為幾個階段，主要包括細菌細胞的表面附著、生物膜的成熟和生物膜的分散。生物膜的結構和細菌代謝在不同的生長階段有很大不同，需要密切監(jiān)測生物膜中的細菌存活條件，并表征生物膜形成過程的轉折點。生物膜的常規(guī)檢測方法有結晶紫染色和使用共聚焦激光掃描顯微鏡的熒光成像方法，這些方法的預處理過程需要破壞生物膜結構，并且僅用于在特定時刻的檢測和觀察生物膜[14]。

Figure 8.Biosensor chip for detecting biofilm formation process.(a)Schematic diagram of biofilm impedance detection system;(b)physical diagram of bio sensing chip 圖8.用于檢測生物膜形成過程的生物傳感器芯片。(a)生物膜阻抗檢測系統(tǒng)示意圖；(b)生物感應晶片實物圖

叉指微電極的生物傳感器芯片，見圖8，可以應用于監(jiān)測沙門氏菌和大腸桿菌生物膜的形成過程[15]。該生物傳感器芯片由帶有叉指微電極的玻璃基片和帶有微腔的PDMS層組成。利用生物傳感器芯片，在1 Hz至100 kHz的頻率范圍內，用100毫伏的交流電壓對沙門氏菌和大腸桿菌生物膜進行了48小時的電化學阻抗譜測量，結果表明生物膜的阻抗譜隨培養(yǎng)時間而變化。此外，生物膜的阻抗譜由生物膜電容和生物膜電阻參數(shù)的等效電路模型擬合[16]。結果表明，隨著培養(yǎng)時間的延長，呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，而則相反。這些變化趨勢與生物膜的形成過程相一致，即細菌附著在電極表面，然后形成成熟的生物膜，最后從生物膜中逃逸出來。此外，沙門氏菌和大腸桿菌的和隨培養(yǎng)時間的變化趨勢也有很大差異。在相同的細菌培養(yǎng)條件下，阻抗檢測的結果與用結晶紫染色分析生物膜形成過程的結果一致。生物傳感器芯片具有實時性、連續(xù)性和非侵入性的獨特優(yōu)勢，為生物膜的進一步研究提供了一個良好的平臺。

對于生物膜的阻抗檢測，選擇合適的電極是提高檢測效率的關鍵，與傳統(tǒng)電極相比，由一系列平行微帶電極組成的叉指微電極陣列在快速建立穩(wěn)態(tài)、快速反應動力學和提高信噪比方面具有很好的優(yōu)勢。

3.2.化學傳感器

3.2.1.檢測毒死蜱

眾所周知，殺蟲劑在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和家庭應用中廣泛用于保護種子和作物中，有機磷農(nóng)藥是主要的膽堿酯酶抑制神經(jīng)組織內乙酰膽堿酯酶活性的抑制劑，可能影響人體健康。毒死蜱是一種普遍的殺蟲劑，用于控制農(nóng)業(yè)和蔬菜作物如谷物、堅果、棉花和水果上的昆蟲和節(jié)肢動物害蟲。然而，過量接觸毒死蜱可能會導致神經(jīng)功能紊亂。因此，檢測農(nóng)業(yè)中殘留的毒死蜱已成為公眾關注的問題。

一種基于叉指微電極的電化學免疫傳感器，用于靈敏、特異、快速地檢測毒死蜱，見圖9[17]。通過蛋白A將抗毒死蜱單克隆抗體定向固定在金微電極表面，然后毒死蜱被固定的抗體捕獲，導致叉指微電極表面的阻抗變化。

同樣采用電化學阻抗譜技術，通過與抗體的部分結合，蛋白A被用作結合材料，目標毒死蜱可以結合到微電極表面的抗體上，與對照樣品相比，引起阻抗的明顯變化。這種基于蛋白A固定叉指微電極的毒死蜱電化學檢測系統(tǒng)，將毒死蜱抗體定向結合用于毒死蜱的檢測。通過測試，其他非目標的呋喃丹、辛硫磷、西維因和3-羥基呋喃等小分子殺蟲劑很容易與毒死蜱區(qū)分開來，說明了該生物傳感器系統(tǒng)的特異性。這一結果表明，蛋白A是選擇性檢測小分子合適的生物受體。該生物傳感器系統(tǒng)經(jīng)進一步優(yōu)化后，可用于實際樣品中毒死蜱的檢測分析，如污染食品。

Figure 9.Schematic diagram of interdigital microelectrode chlorpyrifos sensor 圖9.叉指微電極毒死蜱傳感器示意圖

3.2.2.抗生素檢測

四環(huán)素類抗生素是一種普通的抗生素，不僅用于畜禽業(yè)動物疾病的預防和治療，還具有促進生長的作用。不幸的是，當它們被濫用時會表現(xiàn)出高急性的毒性，其中大多數(shù)對人體和環(huán)境有害。最近，許多分析方法用于四環(huán)素的檢測大多數(shù)都是耗時的，并且需要昂貴的設備。生物傳感器可以通過簡化或消除樣品制備來替代當前的分析方法，由于其快速響應和靈敏度，已成為檢測抗生素的一種有前途的替代方法。基于叉指微電極，研制了銻錫氧化物納米粒子–殼聚糖修飾的自適應傳感器，用于四環(huán)素的檢測[18]。將納米ATO-CS膜制備在微電極表面，然后將四環(huán)素適體修飾到膜上，制備成自適應傳感器。結果表明，殼聚糖能均勻分散納米ATOs，使其牢固地固定在微電極表面。將納米ATOs引入殼聚糖膜可以有效促進電子轉移反應，增強電化學響應。用電化學阻抗譜表征制備過程的電化學性能。該傳感器靈敏度高，重復性和穩(wěn)定性好。此外，該傳感器已成功應用于牛奶樣品中四環(huán)素的檢測。它有望成為食品分析和臨床診斷的有力工具。

3.2.3.硝酸鹽的檢測

水質嚴重影響環(huán)境和人們的健康。隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，水污染越來越嚴重。硝酸鹽是水中常見的污染物之一。水中硝酸鹽的積累會導致水體富營養(yǎng)化。亞硝酸鹽的還原產(chǎn)物也可能導致嚴重的人類疾病[19]。因此，為了防止水中過量的硝酸鹽對環(huán)境和人體健康造成危害，對水中硝酸鹽的檢測具有重要的必要性和意義。世界衛(wèi)生組織建議飲用水的硝酸鹽含量不應超過11毫克升。

許多種檢測硝酸鹽的方法[20]，例如光譜學、色譜法、毛細管電泳和電化學方法，雖然都可以實現(xiàn)不同要求下硝酸鹽的檢測，但由于儀器體積大、價格昂貴、操作復雜，前三種方法在快速檢測方面存在很多局限性。電化學方法在水質監(jiān)測方面具有優(yōu)勢，因為它的設備易于操作，集成和自動化。因此，電化學方法可以成為實現(xiàn)硝酸鹽濃度檢測的有效方法。鈀-金納米復合傳感膜修飾的叉指微電極芯片，用于中性水中硝酸根離子濃度的檢測[21]。微電極與復合金屬傳感膜結合，鈀和金納米粒子的協(xié)同作用增加了傳感膜的表面積，提高了催化活性。提高了中性水中硝酸鹽檢測的靈敏度和穩(wěn)定性。為中性水環(huán)境中硝酸鹽的靈敏檢測提供了一種可行的方法。

3.3.其他種類傳感器的應用

氣體傳感器：柔性傳感器對微量極性有機氣體，例如：丙酮、甲醇和乙醇等，具有高靈敏度(0.10~0.17 ppm?1)，低檢測限(50 ppb)，快速響應和脫附速率(小于2 min)，極寬的傳感范圍(從ppb級別至飽和蒸汽)，以及良好的重復性和可靠性。此外還有光電探測器、集總元件微波集成電路(MIC)、慢波設備、光聲表面設備、高溫超導體以及鐵電薄膜、濕度傳感器[22]等等應用，本文主要介紹叉指微電極在電化學生物醫(yī)療領域的應用，叉指微電極在其他領域仍有廣泛應用，在本文就不再做具體介紹。

4.總結與展望

本文介紹了叉指微電極的結構及優(yōu)勢，描述了叉指微電極傳感器在各領域中的應用，利用光刻技術大批量生產(chǎn)叉指微電極，使得傳感器的生產(chǎn)成本降低；此外，叉指微電極間介質的阻抗變化能夠直接檢測，省略了用酶、熒光、放射性物質等進行標記的過程，操作簡化，對研制非標記型生物傳感器十分有利。隨著人們對實時監(jiān)測需求的不斷增加，叉指微電極越來越受到關注，叉指微電極傳感器在各領域的應用也越來越廣泛。其中微型化傳感器在生物檢測中受到了極大的關注，尤其是它在環(huán)境監(jiān)測、食品安全以及醫(yī)療領域有廣闊應用前景。雖然有的生物傳感器已應用于生活實際中，但更多的應用前景正處于未被開發(fā)或正在開發(fā)階段。各類傳感器仍有許多需要攻克的地方：優(yōu)化傳感器設計，加大回收利用率，注重可持續(xù)環(huán)保等。隨著科學技術的發(fā)展進步，越來越多的新型設計將涌現(xiàn)，更多修飾電極的方法等著我們去探索研發(fā)。