MEMS微电极传感器芯片，用于重金属离子检测
2025-04-28 20:21:21   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

重金属主要源自人为来源，包括金属矿石的开采和加工，导致大量废物排放到环境中。水中重金属的存在对人类健康和环境都有不利影响。传统的检测方法，例如原子吸收光谱法，为重金属离子检测提供了高灵敏度和准确性；然而，由于笨重的设备和复杂的程序，它们通常局限于实验室环境。

据麦姆斯咨询报道，近期，为了满足现场快速检测的需求，中国科学院空天信息创新研究院边超研究员科研团队采用电化学分析方法，并利用微机电系统（MEMS）技术制作了一种微电极传感器芯片，用于重金属离子Hg（II）和As（III）的电化学检测。采用恒电位沉积法，在该芯片工作电极的传感区域电沉积了金纳米颗粒。实现了纳米颗粒的均匀分布，提高了工作电极的有效比表面积和电化学活性。由此，Hg（II）和As（III）的检测浓度范围分别为5 ~ 1000 µg/L和5 ~ 5000 µg/L，检测限分别为1.4 µg/L和2.4 µg/L。该电极传感器芯片具有良好的可重复性、稳定性和抗干扰能力。这些特性使开发的微电极传感器芯片可用于各种污染源的监测。相关研究成果以“A Microelectrode Sensor Chip for Detecting Mercury and Arsenic with Wide Concentration Ranges”为题发表在Chemosensors期刊上。

该微电极传感器芯片的结构采用同心“圆环”分布。工作电极是面积为1 平方毫米的圆形，对电极为环形。这种配置的特点是在电极表面上具有均匀的电场和电势分布。该芯片以硅片为衬底，采用MEMS加工技术制造。工作电极和对电极的材料分别是金和铂。采用SU-8光刻胶作为绝缘层，以界定工作电极和对电极的有效面积。主要制造工艺如下图所示。

微电极传感器芯片制造工艺示意图和微电极传感器芯片的照片

该微电极传感器芯片在丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗5分钟，以去除污染物。然后，将微电极传感器芯片浸入2 mM HAuCl₄溶液中，在-0.3 V下用Ag/AgCl参比电极进行恒电位沉积300秒，完成金纳米颗粒的修饰。从经修饰的微电极的扫描电子显微镜（SEM）图像中可以观察到，金纳米颗粒均匀分布在微电极传感器芯片的工作电极上。金纳米颗粒的平均直径约为80 nm。此外，当电极表面用金纳米颗粒修饰时，实验结果表明电极的比表面积和电化学活性有所增强。

金纳米颗粒修饰的微电极的SEM图像

研究人员利用金纳米颗粒修饰的微电极传感器芯片对Hg（II）和As（III）分别进行了测定。计算得出，Hg（II）和As（III）的最低检测限分别为1.4 μg/L和2.4 μg/L。该微电极传感器芯片对Hg（II）的检测范围为5 ~ 1000 μg/L，对As（III）的检测范围为5 ~ 5000 μg/L。

利用微电极传感器芯片检测Hg（II）和As（III）

此外，实验结果表明，该微电极传感器芯片具有良好的可重复性、稳定性以及优异的抗干扰能力和选择性。所开发的芯片具有应用于实际水样中Hg（II）和As（III）检测的潜力。

总而言之，研究人员利用MEMS技术制造了一种微电极传感器芯片，用于重金属离子Hg（II）和As（III）的电化学检测。该微电极传感器芯片将工作电极和对电极集成在同一硅芯片上，具有小型化、易于大规模生产和低成本等优点。金纳米颗粒修饰的微电极可以定量检测Hg（II）和As（III），检测范围宽，检测限分别为1.4 µg/L和2.4 µg/L。此外，由于采用MEMS技术制备的微电极芯片以及金纳米粒子在电极上的均匀分布，使得微电极具有良好的重现性和稳定性。该微电极传感器芯片还显示出良好的抗干扰能力和选择性。凭借这些特性，这种微电极传感器芯片有助于在各种场景下对不同重金属浓度范围的水样进行检测。

论文链接：https://www.mdpi.com/2227-9040/13/4/129

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