原标题：Ag/AgCl microelectrodes with improved stability for microfluidics
摘要
提出了一种制造用于微流体应用的 Ag/AgCl 平面微电极的方法。微型参比电极可通过微型化学传感器进行精确的电位测量，但此类电极的使用寿命通常非常有限。我们的目标是可靠地构建 Ag/AgCl 微电极，提高电位稳定性，与表面贴装微流体通道兼容。几何表面积大于或等于 100 μm 的电极2通过在光刻图案化的薄膜金属电极上电镀大于 1 μm 的银，以阵列形式单独制造。电镀银表面经化学氧化成氯化银，形成 Ag/AgCl 微量参比电极。表征结果表明，与以前报道的许多器件相比，通过这种制造方法生产的 Ag/AgCl 微电极表现出更高的稳定性。电化学阻抗谱允许从等效电路模型中提取器件特定参数，这些参数用于描述微流体通道中微电极的性能。因此，通过光刻技术和电镀相结合制造的稳定 Ag/AgCl 微电极被证明可用于微流体系统内的电化学分析。
介绍
虽然用于化学分析的参比电极的理论和实践已经建立了几十年，但目前人们对微型参比电极在小型化学传感器上的实际应用仍然很感兴趣。特别理想的是 Ag/AgCl 电极的制造技术，它可以与互补金属氧化物半导体 （CMOS） 微电子电路制造兼容。同样有趣的是与微流体兼容的电极，用于芯片实验室系统中的分离。
与大多数报道的薄膜 Ag/AgCl 电极相关的一个棘手问题是它们的稳定性差。通常观察到开路电位在几分钟到几小时的时间内保持稳定。不稳定性通常归因于难溶性 AgCl 的极薄层（几纳米）的溶解以及随后在电极/溶液界面处产生的混合电位。氯化银的溶解度积常数 Ksp，为 1.8 × 10−10，这意味着，从热力学的角度来看，在室温下，大约 1.9 毫克的 AgCl 会溶解在一升水中。在微观尺度上，一块边长 100 μm × 100 μm × 1 μm 的矩形银片可以完全转化为氯化银，所得的 AgCl 可以溶解在不到 75 μL 的水中。
提高稳定性的一种常用方法是用凝胶或聚合物材料（如琼脂或聚氨酯）涂覆 Ag/AgCl 电极。涂层形成扩散屏障以减慢 AgCl 的溶解速度，同时在 Ag/AgCl 表面提供相对恒定浓度的氯离子。最近报道，在 Ti 粘附层和 Ag 面漆之间形成 Ni 缓冲层可以提高稳定性。然而，核心问题仍然存在：AgCl 涂层会相对较快地溶解。在局限于隔离溶液室的传统宏尺寸电极中，大导线中少量的 AgCl 溶解实际上通过用 AgCl 饱和填充溶液来提高温度波动时的电位稳定性。这种溶解对薄膜电极的性能是致命的，因为极少量的可用 AgCl 可能会完全溶解掉。
这个问题的一个简单解决方案是增加微电极表面的氯化银量，它不需要聚合物涂层。在 Ag 上形成AgCl 的典型方法包括在含氯溶液中阳极氧化、化学氧化以及在含氯气氛中进行热处理或等离子体处理。这些处理中的任何一种都可以产生质量相似的 AgCl，但涂在一层薄薄的银 （∼102 nm 厚），它们只能产生一层氯化银薄膜。因此，必须增加可用银的质量。增加质量的一种简单技术是电镀额外数量的银 （≈103 nm） 的电极上。电镀银形成准体相，随后形成更厚的氯化银层。此外，电镀银的表面比蒸发层粗糙得多，在与原始微电极相同的几何足迹中提供更大的电化学活性表面积。综上所述，该技术形成的大量 AgCl 和增加的表面积使 Ag/AgCl 微电极能够稳定。
在薄膜电极上电镀银的另一个优点是，可以选择阵列中的单个电极以转换为 Ag/AgCl，而其他电极保持不变。要使用金属蒸发或化学沉积实现相同类型的可配置性，需要额外的掩模步骤。
我们的目标是创建微米级的准参比电极和电极阵列，以提高稳定性和使用寿命，可用于微流体应用。这项工作讨论了单独和以阵列形式制造和表征稳定 Ag/AgCl 微电极的实际方面。用扫描电子显微镜和开路电位 （OCP） 测量对所得准参比电极与老化的市售 Ag/AgCl 宏观参比电极进行表征。通过用施加电场监测微流体通道中的电位，证明了 Ag/AgCl 微电极阵列的实用性。最后，对微流体通道中的微电极阵列进行电化学阻抗谱分析，等效电路建模有助于确定系统中的阻抗源。
实验部分
平面电极
所有电极均使用氧化硅 （1 0 0） 晶片作为衬底制造。通过使用剥离金属化技术将薄膜金属电极图案化到衬底上 [21]。金属通过热蒸发沉积。Cr （≈5 nm） 用作粘附层，Ag 或 Au （≈150 nm） 用作顶层。在银顶层的情况下，金的中间层 （≈50 nm） 被用作 Cr 和 Ag 之间的屏障。剥离后，整个样品表面涂有 SiO2.使用厚 （≈400 nm） 的 SiO2 涂层实现了良好的钝化绝缘用等离子体增强化学气相沉积 （PECVD） 沉积。通过移除 SiO2打开工作电极区域和接触垫使用稀 HF 或反应离子蚀刻 （RIE）。电极层的横截面示意图和制造的薄膜电极的自上而下的照片如图 1 所示。
镀银
表面清洁对于实现可重复的电镀至关重要。通过超声搅拌清洁电极样品，每个样品在异丙醇、稀释的实验室洗涤剂溶液和 1 M HCl （M， mol/L 中） 保持 5 分钟） 中间用去离子水冲洗。如果由于表面污染，电极在镀银槽中以零施加偏压时显示出明显的电流 （>10 nA），则重复清洁程序。
从 0.3 M AgNO3开始将电镀到干净的电极上3在 1 M NH3中（水溶液）通过在室温下使用三电极电池。银线用作准参比电极，铂丝线圈用作对电极。以下程序在测试的几种电镀程序中产生了最可重复的结果。平面电极上的电镀分两步进行。首先，在 +0.95 V 下进行氧化预处理 30 秒。氧化预处理后搅拌电镀溶液，以去除电镀前电极表面的任何微小气泡。然后以 13 mA/cm 的速度驱动电镀2持续 300 秒。在 40 μm × 160 μm 的电极足迹上，银层长到约 5 μm 厚，这是用测针轮廓测量法估计的。表面由直径为 1 μm 至 5 μm 的银微晶组成，如图 2 所示。
氯化银的形成
HCl 中的电化学阳极氧化和使用 FeCl3水溶液进行化学氧化作为生产 AgCl 的方法进行了研究。用三氯化铁处理的速度要快得多，并产生 ≈100 nm 的 AgCl 颗粒的均匀涂层，如图 2 所示。虽然无论采用何种氧化技术，电极稳定性都大致相同，但化学氧化电极在各种氯离子浓度的溶液中往往具有更理想的能斯特响应。因此，选择化学处理作为标准氧化方法。50 mM FeCl 溶液3在室温下涂在电镀银表面 50 秒，然后用去离子水冲洗。该程序在电镀后不久进行，以尽量减少氧化银和硫化银的形成，这些会改变电极电位。三氯化铁处理并未经过专门优化，但在使用不同溶液浓度或反应时间时，电极稳定性没有显著差异。镀银、氯化银涂层电极的两个示例如图 1 和图 3 所示。
单个微电极
如上所述，制备了具有不同初始活性面积的单个 Ag/AgCl 微电极。样品以银为顶部蒸发金属涂层。几何区域包括 1 × 106、1 × 104和 1 × 102 微米。在不同氯离子浓度的散装溶液中对所有电极尺寸进行表征。1 × 10 的样品6 微米2在 1 mM KCl 散装溶液中测试了面积的长期稳定性。
微电极阵列布局
以阵列形式制造 40 μm × 160 μm 几何区域的电极。电极在平面基板上均匀分离约 4 mm（见图 3A）。选择电极尺寸和间距，使电极适合表面贴装的微流体通道。每个电极在通道宽度的中间附近采样了合理体积的溶液，并且阵列跨越了大部分通道长度。蒸发金属的顶层是黄金。如上所述形成银和氯化银层。
成功的镀银要求所有仪器都严格清洁。由于施加到微电极上的电流非常小，因此由污染引起的任何寄生电流都会对电镀质量产生负面影响。因此，根据给定的材料，用溶剂、清洁剂或酸洗清洁所有设备，然后用大量的去离子水冲洗。
表面贴装微流体通道
Ag/AgCl 微电极阵列用于表面贴装弹性微流体通道内部，如图 3B 所示。通道由聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 弹性体模制而成，在异丙醇中通过超声波搅拌清洁，用去离子水冲洗并用 N 吹干2，然后在电极阵列上对齐和密封。该通道具有梯形横截面，半高处约为 45 μm 高 x 240 μm 宽，横截面积为 1.1 × 104 平方微米。三摩尔 NaCl 溶液在停滞流下充满通道。将电位步骤应用于最外层电极，同时监测内部电极中的电位。在单独的实验中，使用第一个电极作为参考，在直流偏置为零（相对于参考）和 5 mV 交流输入的情况下，将阵列中每个电极的阻抗测量为 63 kHz 至 1 Hz 的频率函数。
结果和讨论
无电镀银的电极
为了与电镀电极进行比较，还制造了仅经过化学或电化学氧化处理的蒸发银表面的电极。然而，这种类型的电极在氯离子溶液中保持稳定的开路电位的时间不能超过几分钟。结论是需要更多的银和氯化银。观察到的此类电极的不稳定性被认为对于参比电极性能来说是不可接受的，因此没有进一步表征样品。
单个微电极
具有蒸发银表面的单个 Ag/AgCl 电极，随后进行镀银和 FeCl3研究了 1 mM KCl 与具有 1 mM KCl 填充溶液和多孔玻璃熔块的老化商用 Ag/AgCl 电极的长期潜在稳定性处理。图 4 中给出的数据表明，电极样品通常迅速稳定，并在检测到较大的电位不连续性之前连续保持电位在 ±2 mV 以内至少 1000 分钟。所示的4个重复样品中至少有一个具有连续测量超过 4 天的潜力。重复样品的电位值可能彼此相差约 10 mV。相对较大的变化通常是由于批次中的单个异常值造成的。所有电位都略高于接近零伏特的预期值。这可能是由于电镀银的覆盖不完美、Cl 浓度的差异−在供试品溶液和大电极填充溶液中，以及不确定的液接电位。稳定性似乎相对不受这些潜在误差来源的影响。开路电位测量后，用扫描电子显微镜检查电极表面。图像表明 Ag 表面不存在 AgCl 颗粒，这支持了 AgCl 损失导致电极稳定性差的观点。
还测试了单电极样品对氯离子活性的 Nernstian 响应。已知盐浓度的溶液的活性是根据 Debye-Hückel 理论估计的。在 100 至 1 mM 的浓度范围内，1 × 10 的电极6 微米2几何面积响应的平均斜率为 51.5 mV/十倍频程，电极样品之间的可重复性良好，相对误差约为 1%。对较小几何面积的电极进行了类似的测试。电极几何面积为 1 × 104 微米2给出的平均斜率为 49.2 mV/十倍频程，1 × 102 平方微米给出的斜率为 52.1 mV/十倍频程，但相对误差分别为 6% 和 14%。
原始电极几何区域对长期稳定性测试有一定影响。较大面积的电极往往在更长的时间内保持稳定，这同样归因于可用的 Ag/AgCl 的相对量。此外，最小的电极往往更难均匀地电镀银。在较大的电极中，银晶粒在许多成核位点形成，并在电镀过程中趋于一起生长，从而形成均匀的表面覆盖。在较小的电极上，单个成核位点可能会形成银微晶，其表面积接近原始表面的表面积。然后，由于径向扩散分布和集中的电场，微晶将在随后的电镀中占据主导地位，使大部分原始表面未涂层。随后在未电镀的表面上溶解薄的 AgCl 层会将底层金属暴露在电解质中，之后会形成混合电位，电极会变得不稳定。可以将有机添加剂（称为整平剂）添加到电镀液中，以促进更好地覆盖较小的电极。
微电极阵列
只有在严格的清洁度下，才能在阵列形式的所有电极上获得高质量的电镀银覆盖率（即电镀覆盖了所有电极表面，微晶密集堆积，并且几乎没有过度生长），并且具有良好的可重复性。即使使用非常干净的设备和装置，偶尔也会观察到同一阵列中电极的电镀质量不一致。研究发现，通过目视检查电极表面对镀银质量进行定性评估，与电极在理想值附近产生稳定电位的概率密切相关。
在用 AgCl 饱和的 3 M NaCl 散装容器中测量阵列中的微电极稳定性，与带有多孔玻璃熔块和 3 M NaCl 填充溶液的老化商用 Ag/AgCl 大电极进行比较。图 4B 给出了一个示例，与具有高质量银覆盖率的 Ag/AgCl 电极阵列的宏观电极相比，初始电位的比较。数据集中显示的所有值彼此聚集的比例小于 1 mV。然而，阵列中的单个电极在主簇之外进行测量并不罕见。漂移估计小于 1 μV s−1.该组中的所有数据测量值仅比理想值零低 2 mV。如此小的误差可能归因于供试品溶液和宏观参比填充溶液中不确定的液络部电位或氯化物活性的微小差异。
无论氯离子浓度如何，电极稳定性都大致相等，尽管电位的大小显然发生了变化。为这项工作选择了 3 M 溶液，因为它与商业制造商提供的宏观参比电极填充溶液非常匹配。其他缓冲液中的电位稳定性通常相似，包括细胞培养基 DMEM/F12，尽管碱性 pH 值会导致预期的正电位从 81 mV 偏移到 65 mV 的误差。
阵列中的最后一个蒸发层是金，而在单个电极中，它是银。然而，根据蒸发金属层的类型，没有观察到电极稳定性的差异。这是因为电镀银完全覆盖了蒸发层并且存在的数量要多得多。因此，电解质溶液仅接触电镀的 Ag/AgCl。异种金属之间可能存在很小的接触电阻，但数据表明金属/金属界面可以被视为等电位表面，因此在后续分析中忽略了可能的接触电阻。
散装溶液中的噪声
该数据中注意到的一个特征是感应噪声，它在开路电位测量过程中会定期出现。这种噪声归因于环境干扰（例如，振动、气流等产生杂散电场），破坏了电极/溶液界面的稳定性，并且对于较小几何面积的电极更为明显。由于与溶液接触的表面积较小，较小电极的电位受到的干扰相对较大。这一观察结果导致建议在测量过程中将非常小的电极屏蔽在法拉第笼中，以减少需要高精度时的噪声影响。此外，测量电路中还可以集成低通滤波器。或者，电极可以用作杂散电场的敏感检测器。
使用 Ag/AgCl 电极观察微流体通道中的电位
Ag/AgCl 电极阵列展示了小型平面微参考电极在外加电场影响下监测微流体通道内部电位的应用（阵列和微通道布局见图 3）。相对于 E7（缩写为 E1±E7 系列).在 E3、E5 和 E6 处同时监测 E2 的电位（缩写为 E3E2 系列、E5E2 系列、E6E2 系列），测量电路中的电流接近于零。输入电位阶跃，测得的 E1 至 E7 电流和 E3 的测得电位E2 系列、E5E2 系列和 E6E2 系列如图 5 所示。E3 系列E2 系列、E5E2 系列和 E6E2 系列被归一化为零初始电位，然后为清楚起见进行偏移。E1 和 E7 之间的电流随时间推移遵循预期的类似 Cottrell 的衰减。正如预期的那样，在通道中测得的电势紧跟电流的变化，并且与 E2 相关的电势符号也随之而来。
微通道中的噪声
当电极放置在微通道内时，也观察到与在散装溶液中观察到的噪声相似的噪声。小溶液体积似乎加剧了这个问题，导致与中位电位的偏差比在整体解决方案中看到的更大幅度。噪声再次归因于环境因素，并加强了对屏蔽和噪声过滤的需求。幸运的是，噪声似乎不会影响基线 OCP，电极通常会在干扰后几秒钟内恢复到安静电位。因此，监测电位的阶跃变化仍然是可靠的。
微流体通道中的电化学阻抗谱
考虑到阻抗在电化学测量中的重要性，电化学阻抗谱是在微流体通道内进行的，该通道具有一组匹配的 Ag/AgCl 微电极;结果数据如图 6 所示。Bodé 图表明微通道中电极分离的明显趋势。等效电路建模有助于对系统中每个接口的阻抗贡献进行去卷积。用于拟合实验数据的模型如表1所示。它由四个串联元件组成：一个常数 R、两个 RC 并联电路和一个与恒定相位元件 （CPE） 并联的 R。无约束拟合参数列于表 1 中。拟合优度用 Chi 表示2，原始数据与计算曲线之间的标准差的平方，以及 Sum Sq 的加权平方和，它与原始数据和计算值之间的平均百分比误差成正比。两个 Chi 的非常小的值2和 Sum Sq 表示该模型与数据拟合非常好。
在这种情况下，不能使用一个更常见的阻抗模型，即只有一个并联 RC 与另一个 R 串联，原因有两个。首先，参比电极和工作电极的面积相似。这意味着每个电极的电流密度相似，因此参比电极对阻抗谱的贡献不容忽视。其次，溶液被限制在微流体通道中，尽管溶液的电阻率低，但由于横截面积小，这意味着很大的阻抗。
结论
开发了一种在微米尺度上制造稳定的平面 Ag/AgCl 电极的可靠方法。薄膜电极涂有电镀银金属，表面通过化学氧化转化为氯化银。用扫描电子显微镜对所得表面进行了表征，发现与电极的几何足迹相比，所得表面具有更大的表面积。由此获得的相对大量的氯化银导致潜在稳定性大大增加;在某些情况下，发现电极在 4 天内保持稳定。经过类似表面处理的各种几何区域的微电极对不同氯离子活性的溶液表现出接近 Nernstian 的方式响应。
作为本研究的一部分，以阵列形式制备了 Ag/AgCl 微电极。完整的电极阵列在高浓度氯化物溶液中表现出稳定、可重复的电位。证明了电极阵列在微流体系统中的实用性。测量了施加电场期间微通道内的电位。在微通道内部进行了电化学阻抗谱分析，结果与电位阶跃实验中观察到的结果非常吻合。该系统的等效电路建模表明，与电极阻抗无关的沟道阻抗的贡献可以去卷积。
虽然环境噪声显然需要进一步解决，但一系列稳定的 Ag/AgCl 微电极可能会在其他微流体系统中找到其他应用。一个例子可能是 DNA 或蛋白质分离的电化学检测和表征。未来的工作将侧重于将微电极阵列与 CMOS 电子元件（例如运算放大器）集成。将放大器和其他电路集成在同一芯片上构建电极阵列，可以通过减少负载来增强信号检测，还可以减少环境干扰的影响。
来源：Polk, B. J., Stelzenmuller, A., Mijares, G., MacCrehan, W., & Gaitan, M. (2006). Ag/AgCl microelectrodes with improved stability for microfluidics. Sensors and Actuators B: Chemical, 114(1), 239–247. doi:10.1016/j.snb.2005.03.121