微纳电极阵等离子体微系统

发现微纳尺度结构效应能调控电荷分布,在空间中激励形成极化带电场,极化带电场中原子、分子间相互作用的特异性产生了极化带效应。设计产生极化带效应的微纳电极阵结构,通过非硅微/纳加工技术集成形成微纳电极阵等离子体微系统(NPMEMS),NPMEMS可集中或分布式地调控物质状态、产生极化带等离子体,利用其特殊的理化性能可大幅提高应用系统效率,或解决多个领域中应用技术的机理性难题。

三维立体结构微纳电极研究

基于体硅加工工艺和纳米材料技术,研制微电机系统(MEMS)尺度敏感微结构与纳米铂颗粒的复合结构,提高微电极电化学性能,制备具有三维立体微结构的安培型微电极传感器。利用硅的各向异性湿法腐蚀技术在毫米级的工作电极表面实现微米级的锥体形微池阵列,以H2O2为检测对象考察立体电极结构对传感器性能的改进效果,实验证明,立体结构的设计使传感器具有更低的检出限(8μmol/L)及更高的灵敏度(在0～200μmol/L浓度范围内检测灵敏度提高约85%),且具有较好的线性和重复性。利用电化学方法在电极表面沉积铂黑,通过微观形貌分析和电化学特性考察,比较了在平面微电极和立体微电极上修饰纳米材料的效果。立体结构为电沉积铂纳米颗粒提供了更为理想的微环境,改善了纳米材料修饰的效果;立体结构微电极与纳米颗粒的尺寸效应相结合,进一步提高了电极的催化效率和电化学特性。

微纳电极阵列检测丘脑底核电刺激引起的纹状体神经元活动变化

丘脑底核(STN)深部脑刺激(DBS)已成为帕金森病的重要外科治疗手段,然而其确切的作用机理尚不明确。本研究采用微机电系统(MEMS)技术制备了一种16通道植入式微电极阵列(MEA),在MEA表面修饰了铂黑-还原氧化石墨烯-Nafion膜(Pt/RGO/Nafion)纳米材料,用于同步检测麻醉大鼠脑内纹状体神经元在STN电刺激前后多巴胺(DA)含量和动作电位(Spike)发放变化。STN-DBS结果表明,电刺激20 s后,DA含量开始升高,最高达1.72μmol/L,较高浓度状态保持约50 s后回落至正常水平。与此同时,检测到在DA上升阶段中间神经元Spike发放活动增强,在保持高于DA正常浓度水平阶段,中等多棘神经元(MSNs)放电频率增加。本研究制备的微电极阵列传感器能够实现脑内多巴胺和电生理的原位实时检测,有望成为神经信息检测的有力工具。

基于叉指微电极的新能源车电池冷却液电导率变送器设计

针对电动汽车电池冷却液电导率实时监测的需求,提出一种面向新能源车低电导率电池冷却液的电导率变送器。该电导率变送器中电导率传感器采用基于硅基叉指微电极与Pt电阻一体化结构,可同时实现电导率检测与温度传感,极大降低了敏感元件的体积;使用高性能嵌入式处理器芯片作为传感器的控制核心,配合外围检测电路实现温度和电导率数据的采集和处理,应用分段补偿算法实现电池冷却液电导率-20~90℃大温区的温度补偿。经过实际测试,所设计的电导率传感器在0~20μS/cm的量程范围内误差小于±1.5%,满足新能源车电池冷却液的测量精度要求。因此,提出的电导率变送器在电池冷却液电导率测量方面拥有较强的竞争力。

基于Ag纳米线的微纳电解加工研究

采用尖端自组装了Ag纳米线的扫描隧道显微镜探针作为微纳工具电极进行电解加工试验研究。加工过程中发现Ag纳米线与电解液发生反应而溶解。为了使Ag纳米线稳定用于电解加工,对其表面溅射金属Au。试验结果表明,当溅射层厚度为27 nm和55 nm时,溅射层不够致密,Ag纳米线仍会发生溶解;当溅射层厚度为310 nm时,过厚的溅射层使Ag纳米线发生弯曲,从而使Ag纳米线与扫描隧道显微镜探针尖端的结合力变小并发生脱落;当溅射层厚度为150 nm和240 nm时,Ag纳米线在电解加工中均能保持稳定。采用溅射层厚度为150 nm的Ag纳米线进行微纳电解加工。在0.1 mol/L的H2SO4电解液中,施加电压4 V、周期50 ns、脉宽6 ns的纳秒脉宽脉冲电流,在高温合金试件表面成功加工出微纳沟槽,沟槽深约110 nm,入口最宽处约1μm。

光电化学除草剂检测系统设计

我国农作物生产中化学除草剂被广泛使用,但除草剂的残留会威胁人们的生命健康。基于纳米技术和光电化学技术,研制的Au/ZnO/Co_(3)O_(4)/NF纳米复合材料除草剂残留传感器具有灵敏度高、检测限低等特点,以Au/ZnO/Co_(3)O_(4)/NF纳米复合材料除草剂残留传感器电极为基础,结合嵌入式技术设计的传感器样机成本低、制作工艺简便、操作简单,为新型光电化学除草剂残留传感器的研制提供了很好的研究案例,有一定的科研和应用价值,特别是在农业领域具有较大的应用前景。

单体动态电化学

由于个体的差异性和异质性作用,整体平均测量掩盖了个体的本征性质和电化学性能之间的关联.单体碰撞电化学作为一种强大而方便的电化学方法,已被用于研究超微电极上自由扩散的单个个体随机碰撞过程中的电化学行为.然而,个体的动态行为与其电化学反应过程息息相关.因此,对于单体动态电化学行为的研究可实时获取单体在电极界面上的动态电化学反应信息,也将有助于理解电极界面电荷或电子的动态转移过程.本文重点围绕单体动态电化学行为的研究,通过单个纳米颗粒在电极表面碰撞事件中产生的瞬时电流响应追踪其动态电化学反应过程,进而推广到其他单体动态电化学行为的研究.同时,单体电化学方法结合光学显微成像技术作为高时空分辨的研究手段提供了充分信息全面地反映了单个实体的动态电化学反应动力学过程和反应机制,最后讨论了该领域面临的科学挑战并展望了未来的研究方向.