一种掺杂金刚石微电极与微流道集成的传感器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种掺杂金刚石微电极与微流道集成的传感器及其制备方法和应用，所述传感器包括微流道层

【技术实现步骤摘要】
一种掺杂金刚石微电极与微流道集成的传感器及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于金刚石电极制备
，具体涉及一种掺杂金刚石微电极与微流道集成的传感器及其制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]纯净的金刚石本身是一种极好的绝缘体，对其进行掺杂后，可以大幅降低金刚石的电阻，表现出导电性
。
硼掺杂金刚石
(BDD)
具有极宽的电化学窗口
、
更高的电化学稳定性
、
低吸附特性等优势，是理想的电化学传感材料
。
然而从本体溶液到电极表面为线性扩散，因此在传统宏观金刚石电极上标记物生物分子的电化学传感较差，导致动力学缓慢，难以满足高精度
、
高灵敏度微型生物传感电极材料的实际需求
。
[0003]与传统的宏观电极相比，微电极尺寸小，发生在电极表面的是半球形扩散，减小了溶液电阻效应和低电容电流，信噪比更高，质量传递增强
。
具有微米电极间距离的微流道显示出电极表面与反应器体积的高比，有利于改善反应动力学和加强传质
。
[0004]然而，金刚石是一种超硬材料，加工十分困难
。
现有掺杂金刚石微电极与微流道集成的方法，需要在微流道器件上先采用化学气相沉积的方式整面生长
BDD
薄膜，再采用激光加工制造
、
离子束光刻和刻蚀等技术对
BDD
薄膜进行多步微细加工，具有相当大的制造复杂性，成本高昂
。<br/>而且现有的集成方法中，金刚石的衬底需要承受高温并为
BDD
微电极提供电绝缘，因此微流道衬底材料选择受限
。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术的第一个目的在于提供一种掺杂金刚石微电极与微流道集成的传感器
。
[0006]本专利技术的第二个目的在于提供一种掺杂金刚石微电极与微流道集成的传感器的制备方法
。
[0007]本专利技术的第三个目的在于提供一种掺杂金刚石微电极与微流道集成的传感器的应用
。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]本专利技术提供一种掺杂金刚石微电极与微流道集成的传感器，所述传感器包括微流道层
、
工作电极
、
对电极
、
参比电极；所述微流道层包含微流道以及传感电极连线图案，所述工作电极
、
对电极
、
参比电极集成于传感电极连线图案上形成传感电极；所述工作电极
、
对电极
、
参比电极中至少一种为掺杂金刚石微电极；所述掺杂金刚石微电极选自掺杂金刚石颗粒或微针掺杂金刚石微电极，所述微针掺杂金刚石微电极由微针形貌的载体以及设置于载体表面的掺杂金刚石薄膜组成
。
[0010]优选的方案，所述掺杂金刚石颗粒的掺杂元素选自为硼
、
氮
、
磷中至少一种，优选为硼
。
[0011]优选的方案，所述掺杂金刚石颗粒的晶体结构为单晶或多晶
。
[0012]优选的方案，所述掺杂金刚石颗粒的尺寸为
50nm
～
500
μ
m。
[0013]优选的方案，所述掺杂金刚石颗粒的掺杂元素浓度＞
10
18
cm
‑3。
专利技术人发现，当掺杂金刚石颗粒的掺杂元素浓度＞
10
18
cm
‑3时金刚石导电性大幅提升
。
[0014]优选的方案，所述掺杂金刚石颗粒的掺杂方式选自恒定掺杂
、
多层变化掺杂
、
梯度掺杂的一种或多种组合
。
[0015]优选的方案，所述掺杂金刚石颗粒表面还含有修饰层，所述修饰层的材料选自碳材料
、
金属
、
聚合物中的至少一种
。
[0016]进一步的优选，所述碳材料
A1
选自微晶石墨
、
碳纳米管，碳纳米纤维，石墨烯中的至少一种
。
[0017]进一步的优选，所述金属
B1
选自铁
、
铜
、
铂
、
银
、
金中的至少一种
。
[0018]进一步的优选，所述聚合物
C1
选自聚
N
‑
(2
‑
羟基丙基
)
甲基丙烯酰胺
、
端炔基聚炔丙基甲基丙烯酰胺中的至少一种
。
[0019]优选的方案，所述掺杂金刚石颗粒的制备过程为，将衬底置于化学气相沉积炉中，于包含含碳气体和掺杂气源的混合气氛下，进行气相沉积生长，然后从衬底中剥离即得
。
[0020]在实际操作过程中，先将衬底进行表面清洁
。
[0021]专利技术人发现，当衬底不进行纳米金刚石籽晶的种植，而是直接进行化学气相沉积时，将于衬底上获得颗粒状的单晶或多晶掺杂金刚石，且易于从衬底上剥离，直接获得掺杂金刚石颗粒
。
[0022]进一步的优选，所述气相沉积生长的工艺参数为：通入气体的质量流量比为氢气：甲烷：掺杂气源＝
99
‑
95
：
0.5
‑5：
0.1
‑
0.6
，生长压力为2‑
7kPa
，生长温度
700
‑
850℃
，生长时间为
0.5
‑
6h
，所述掺杂气源选自氨气
、
磷化氢
、
硼烷中的至少一种，优选为硼烷
。
[0023]本专利技术所提供的掺杂金刚石颗粒，是首创的直接制备获得的单颗或多颗掺杂金刚石颗粒，集超硬
、
耐磨
、
热传导
、
抗辐射
、
抗强酸强碱腐蚀
、
可变形态
(
单晶
/
多晶
)
等诸多优异性能于一身
。
相比于商业颗粒金刚石微电极含有
Fe、Ni
等触媒金属杂质，容易吸附物质，所得掺杂金刚石颗粒的成分主要为
sp3饱和结构的金刚石相，因此表面具有化学惰性，且不容易吸附其它物质
。
相比于载体颗粒与包覆层的方式，无结合层，机械结构稳定
。
[0024]优选的方案，所述微针掺杂金刚石微电极的载体选自金属
、
硅
、
聚合物
、
碳纤维
、
金刚石中的至少一种
。
[0025]优选的方案，所述掺杂金刚石薄膜为多本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种掺杂金刚石微电极与微流道集成的传感器，其特征在于：所述传感器包括微流道层
、
工作电极
、
对电极
、
参比电极；所述微流道层包含微流道以及传感电极连线图案，所述工作电极
、
对电极
、
参比电极集成于传感电极连线图案上形成传感电极；所述工作电极
、
对电极
、
参比电极中至少一种为掺杂金刚石微电极；所述掺杂金刚石微电极选自掺杂金刚石颗粒或微针掺杂金刚石微电极，所述微针掺杂金刚石微电极由微针形貌的载体以及设置于载体表面的掺杂金刚石薄膜组成
。2.
根据权利要求1所述的一种掺杂金刚石微电极与微流道集成的传感器，其特征在于：所述掺杂金刚石颗粒的掺杂元素选自为硼
、
氮
、
磷中至少一种，所述掺杂金刚石颗粒的晶体结构为单晶或多晶，所述掺杂金刚石颗粒的颗粒尺寸为
50nm
‑
500
μ
m
，所述掺杂金刚石颗粒的掺杂元素浓度＞
10
18
cm
‑3；所述掺杂金刚石颗粒的制备过程为，将衬底置于化学气相沉积炉中，于包含含碳气体和掺杂气源的混合气氛下，进行气相沉积生长，然后从衬底中剥离即得；所述气相沉积生长的工艺参数为：通入气体的质量流量比为氢气：甲烷：掺杂气源＝
99
‑
95
：
0.5
‑5：
0.1
‑
0.6
，生长压力为2‑
7kPa
，生长温度为
700
‑
850℃
，生长时间为
0.5
‑
6h
，所述掺杂气源选自氨气
、
磷化氢
、
硼烷中的至少一种；所述微针掺杂金刚石微电极的载体选自金属
、
硅
、
聚合物
、
碳纤维
、
金刚石中的至少一种；所述掺杂金刚石薄膜为多晶结构；所述掺杂金刚石薄膜的厚度为
50nm
‑
20
μ
m
；所述掺杂金刚石薄膜中掺杂元素浓度＞
10
18
cm
‑3；所述微针掺杂金刚石微电极的制备过程为，将微针形貌的载体通过气相沉积制备金属过渡层，然后在金属过渡层表面种植纳米金刚石籽晶，将种植有金刚石籽晶的微针进行气相沉积生长掺杂金刚石多晶薄膜；所述金属过渡层中的金属选自
Ta、W、Mo、Re
中的至少一种，所述金属过渡层的厚度为2‑
22nm
；所述气相沉积法制备金属过渡层的过程为：采用纯度
≥99.99
％的金属靶材，载体与金属靶材间距为
10
‑
15cm
，采取氩气气氛，控制沉积气压为
0.4
‑
2Pa
，溅射功率为
100
‑
300W
，沉积时间为2‑
120s
；所述气相沉积生长掺杂金刚石多晶薄膜的工艺参数为：通入气体的质量流量比为氢气：甲烷：掺杂气源＝
99
‑
95
：
0.5
‑5：
0.1
‑
0.6
，生长压力为2‑
7kPa
，生长温度为
700
‑
850℃
，生长时间为
0.5
‑
6h
，所述掺杂气源选自氨气
、
磷化氢
、
硼烷中的至少一种
。3.
根据权利要求2所述的一种掺杂金刚石微电极与微流道集成的传感器，其特征在于：所述掺杂金刚石颗粒表面还含有修饰层，所述修饰层的材料选自碳材料
A1、
金属
B1、
聚合物
C1
中的至少一种；所述碳材料
A1
选自微晶石墨
、
碳纳米管，碳纳米纤维，石墨烯中的至少一种；所述金属
B1
选自铁
、
铜
、
铂
、
银
、
金中的至少一种，所述聚合物
C1
选自聚
N
‑
(2
‑
羟基丙基
)
甲基丙烯酰胺
、
端炔基聚炔丙基甲基丙烯酰胺中的至少一种；所述掺杂金刚石薄膜表面还含有修饰层，所述修饰层的材料选自碳材料
A2、
金属
B2、
聚合物
C2
中的至少一种；所述碳材料
A2
选自微晶石墨
、
碳纳米管，碳纳米纤维，石墨烯中的至
少一种；所述金属
B2
选自铁
、

【专利技术属性】
技术研发人员：邓泽军，魏秋平，马莉，王一佳，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：