一種水凝膠微孔陣列形貌表征的方法
【專利摘要】一種水凝膠微孔陣列形貌表征的方法，首先選用的水凝膠材料為聚乙二醇二甲基丙烯酸酯，采用光掩模法和模板法兩種方法制備含不同孔徑和孔深的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列；然后制備掃描電化學(xué)顯微鏡探頭再搭建掃描電化學(xué)顯微鏡檢測系統(tǒng)；最后應(yīng)用掃描電化學(xué)顯微鏡對水溶液中聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列形貌進行原位表征過程。本發(fā)明以水溶液中天然電對氧氣為還原電對，應(yīng)用掃描電化學(xué)顯微鏡技術(shù)對水溶液中的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列的形貌進行了原位表征，得到水凝膠微孔陣列表面的二維孔徑和三維形貌信息，具有能在水溶液中對樣品進行原位、可逆且無損表征并給出水凝膠材料三維形貌信息的優(yōu)點。
【專利說明】一種水凝膠微孔陣列形貌表征的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水凝膠表征【技術(shù)領(lǐng)域】，特備涉及一種水凝膠微孔陣列形貌表征的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水凝膠微孔陣列是用于細胞培養(yǎng)的新型基板軟材料，具有以下優(yōu)點:(1)與細胞外基質(zhì)類似的、高含水率的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有利于細胞的增殖和鋪展；(2)物理、化學(xué)性質(zhì)易調(diào)控，可滿足細胞培養(yǎng)的特殊要求；(3)透明度高，有利于在細胞培養(yǎng)過程中觀察細胞。因此，水凝膠微孔陣列在細胞培養(yǎng)方面顯示出較為廣闊的應(yīng)用前景，從而引起人們的廣泛興趣。
[0003]水凝膠微孔陣列的微孔形貌對在其中培養(yǎng)的細胞的行為產(chǎn)生直接影響，因此對含不同微孔形貌的水凝膠微孔陣列的表征是研究其在細胞培養(yǎng)中應(yīng)用的重要步驟。表征水凝膠微孔陣列形貌的傳統(tǒng)手段主要為光學(xué)顯微鏡(如相差顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡)和電子顯微鏡(如掃描電子顯微鏡)。然而這些方法還存在一些缺陷，如相差顯微鏡雖能給出水凝膠微孔陣列的形貌和孔徑等信息，但由于表征時水凝膠的水分會對光產(chǎn)生折射等作用，在水溶液環(huán)境中很難得到清晰的水凝膠微孔陣列的立體圖像；激光共聚焦顯微鏡雖然可以較好地給出水凝膠微孔陣列的三維信息，但在表征前需要對水凝膠進行染色前處理，是一種不可逆的非原位表征手段；掃描電子顯微鏡雖然在三維表征和最小分辨率方面優(yōu)于前兩種表征手段，但表征水凝膠樣品前，需對其進行冷凍、干燥、噴金等前處理，不僅對水凝膠樣品產(chǎn)生破壞，并且得到的是干燥后的水凝膠微孔陣列的形貌，不能真實反映水溶液中水凝膠微孔陣列的自然形貌，也是一種有損傷且非原位的表征手段。因此，目前缺乏可在水溶液中對水凝膠微孔陣列的形貌進行原位、可逆表征的方法。
[0004]掃描電化學(xué)顯微鏡是一種以微米級電極為探針，通過記錄電解質(zhì)溶液中物質(zhì)的氧化或還原電流得到基底物質(zhì)的表面形貌和化學(xué)信息的新型電化學(xué)表征技術(shù)。它具有可在水溶液中原位、可逆且無損地表征樣品，并且空間分辨率高和可提供樣品三維信息的特點。基于掃描電化學(xué)顯微鏡的工作原理和以上優(yōu)點，推測其在水凝膠微孔陣列表征方面的應(yīng)用具有可行性，但是目前還未見相關(guān)報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種水凝膠微孔陣列形貌表征的方法，選用掃描電化學(xué)顯微鏡技術(shù)對水溶液中的水凝膠微孔陣列的形貌進行原位表征，獲得水溶液自然狀態(tài)下水凝膠微孔陣列的二維孔徑和三維形貌信息，從而開發(fā)出采用掃描電化學(xué)顯微鏡對水凝膠微孔陣列形貌進行原位、可逆、無損表征，并提供表面三維形貌信息，該方法也可為其他類新型生物軟材料的形貌表征提供了新的方法和思路。
[0006]為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]一種水凝膠微孔陣列形貌表征的方法，包括以下步驟:[0008]步驟一、水凝膠微孔陣列的制備:選用的水凝膠材料為聚乙二醇二甲基丙烯酸酯，采用光掩模法和模板法兩種方法制備含不同孔徑和孔深的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列；
[0009]步驟二、掃描電化學(xué)顯微鏡的準備實驗:先制備掃描電化學(xué)顯微鏡探頭再搭建掃描電化學(xué)顯微鏡檢測系統(tǒng)；
[0010]步驟三、應(yīng)用掃描電化學(xué)顯微鏡對水溶液中聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列形貌的原位表征過程。
[0011]所述的步驟一具體為:
[0012](I)配制水凝膠前聚體溶液:
[0013]稱取0.5g水凝膠單體聚乙二醇二甲基丙烯酸酯和25 μ L引發(fā)劑_2_羥基_2_甲基苯丙酮于離心管中，加入5mL去離子水混勻；
[0014](2)光掩模法制備水凝膠微孔陣列，其過程為:
[0015]取30 μ L配好的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯前聚體溶液滴加在培養(yǎng)皿上，前聚體液滴的兩邊加一片蓋玻片作為墊片調(diào)節(jié)水凝膠微孔陣列的厚度及孔深，從下到上依次蓋上蓋玻片和光掩模，用功率為80mW cm_2的紫外交聯(lián)儀在光照間距5cm、365nm的紫外光下照射水凝膠前聚體溶液25s，得到水凝膠微孔陣列樣品；
[0016](3)將制備好的水凝膠微孔陣列樣品在含0.1M KCl的水溶液中浸泡2小時以上使其中的含水量達到飽和，得到水飽和的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列；
[0017]光掩模法制備水凝膠微孔陣列可用模板法替代，模板法制備水凝膠微孔陣列過程為:
[0018]移取30 μ L配好的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯前聚體溶液滴加在模板上，蓋上蓋玻片，用功率為80mW cm-2的紫外交聯(lián)儀在光照間距5cm、365nm的紫外光照射水凝膠前聚體溶液25s，得到水凝膠微孔陣列樣品；
[0019]所述的步驟二、掃描電化學(xué)顯微鏡的準備實驗具體過程如下:
[0020]( I)掃描電化學(xué)顯微鏡探頭的制備過程:
[0021]應(yīng)用熱密封法制作直徑ΙΟμπι的鉬圓盤電極，將探頭頂端分別用含不同粗糙度的金相砂紙打磨成圓錐形，并用光學(xué)顯微鏡表征探頭尺寸，之后將該鉬微電極在拋光布上分別用0.5 μ m和0.05 μ m三氧化二鋁的拋光粉上打磨成光滑，用去離子水清洗探頭表面，吹干備用，并用光學(xué)顯微鏡檢查探頭尖端鉬絲的光潔度；
[0022](2)掃描電化學(xué)顯微鏡檢測系統(tǒng)的搭建:
[0023]將步驟一最終制備所得的IcmX Icm的水飽和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列置于含0.1M KCl水溶液的掃描電化學(xué)顯微鏡的電化學(xué)池底部，將鉬微工作電極經(jīng)探頭固定端口插入含0.1M KCl的水溶液中，并置于水凝膠微孔陣列樣品的正上方，Ag/AgCl參比電極和鉬絲對電極從電解池兩側(cè)的岔口插入水溶液中。之后,將鉬微電極、參比電極和對電極分別連接在電化學(xué)工作站上，并將電化學(xué)工作站與計算機相連。
[0024]所述的步驟三、應(yīng)用掃描電化學(xué)顯微鏡對水溶液中聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列形貌的原位表征過程具體為:
[0025](I)開啟電化學(xué)工作站，在電化學(xué)工作站的技術(shù)選項中選擇“漸進曲線”技術(shù)，設(shè)定鉬微電極上的施加電位-0.7V和漸進速度2 μ m/s，然后開始探頭到水凝膠表面的逼近實驗，記錄探頭電流相對于探頭-水凝膠表面距離變化的漸進曲線。實驗中，探頭記錄的電流隨著探頭逼近水凝膠表面(即Z方向上探頭到水凝膠表面距離的減小)而減小，呈現(xiàn)負反饋曲線，探頭電流下降到一定值后不再發(fā)生變化，表明探頭接觸到水凝膠表面，這時停止?jié)u進曲線實驗，將此處探頭位置設(shè)為探頭到水凝膠表面的絕對零點，之后將探頭在Z方向上上提 10 μ m ;
[0026](2)在電化學(xué)工作站的技術(shù)選項中選擇“SECM”技術(shù)，并設(shè)定探頭電位-0.7V，掃描速度250 μ m/s, X-Y方向的掃描面積1000 μ mX 1000 μ m。在保持探頭在Z方向上位置不變的情況下采用恒高度模式(探頭到水凝膠表面距離?10 μ m)對電化學(xué)池中由光掩模法制備的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列的表面進行X-Y方向的掃描，同時記錄探頭在水凝膠表面不同位置的電流值，由此間接得到水凝膠微孔陣列的表面形貌圖；
[0027](3)在電化學(xué)工作站的技術(shù)選項中選擇“SECM”技術(shù)，并設(shè)定探頭電位-0.7V，掃描速度500 μ m/s, X-Y方向的掃描面積2000 μ mX 2000 μ m,在保持探頭在Z方向上位置不變的情況下采用恒高度模式(探頭到水凝膠表面距離?10 μ m)對電化學(xué)池中由模板法制備的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列的表面進行X-Y方向的掃描，同時記錄探頭在水凝膠表面不同位置的電流值，由此間接得到水凝膠微孔陣列的表面形貌圖；
[0028](4)掃描電化學(xué)顯微鏡實驗完畢，探頭回到掃描起點位置后取出三個電極，關(guān)閉電化學(xué)工作站。
[0029]本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0030]一、本實驗操作在掃描電化學(xué)顯微鏡上完成，能夠在水溶液中對水凝膠微孔陣列的形貌進行原位表征，并且由于探頭與水凝膠表面沒有任何接觸，可避免對水凝膠表面造成任何損傷。水凝膠微孔陣列樣品表征后可繼續(xù)用于細胞培養(yǎng)實驗，此點克服了常規(guī)水凝膠微孔陣列形貌表征方法不可逆的缺點。
[0031]二、掃描電化學(xué)顯微鏡可達微米級的高空間分辨率，精密度也較高，可得到水凝膠微孔陣列表面的微觀信息，而且通過掃描電化學(xué)顯微鏡自帶軟件，可將得到的二維形貌掃描圖轉(zhuǎn)化為三維形貌掃描圖，從而可提供水凝膠微孔陣列表面形貌的三維信息。
[0032]三、本發(fā)明首次使用掃描電化學(xué)顯微鏡對作為新型細胞培養(yǎng)軟性基板的水凝膠微孔陣列的表面形貌進行了微尺度的原位、無損表征，該方法也為其他類新型生物軟材料的形貌表征提供了新的方法和思路。
[0033]本發(fā)明首次應(yīng)用掃描電化學(xué)顯微鏡對水溶液中的水凝膠微孔陣列的形貌進行了原位掃描，同時得到水凝膠微孔陣列表面二維孔徑和三維形貌信息。相比于常規(guī)的光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡的表征方法，本發(fā)明提出的掃描電化學(xué)顯微鏡表征方法具有能在水溶液中對樣品進行原位、可逆且無損表征并給出三維形貌信息的優(yōu)點。該方法為水凝膠材料的形貌表征提供了新的方法和思路。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明應(yīng)用掃描電化學(xué)顯微鏡表征聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列表面形貌的實驗原理圖。
[0035]圖2為本發(fā)明應(yīng)用光掩模法和模板法制備的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列表面形貌的相差顯微鏡正視圖(圖中標尺:400μπι)，其中圖2 (a)為光掩模法制備所得，圖2 (b)和圖2 (c)為模板法制備所得。
[0036]圖3為本發(fā)明應(yīng)用光掩模法制備的含孔深140±2.5 μ m的不同孔徑微孔的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列表面的掃描電化學(xué)顯微鏡二維掃描圖和三維形貌圖，其中圖3(a) (b) (C)為掃描電化學(xué)顯微鏡二維掃描圖，圖3(d) (e) (f)為三維形貌圖，圖中標尺:200μπι，微孔直徑依次為:圖 3 (a) 400±3.5μπι，圖 3 (b) 300±4.3μπι，圖 3 (c)300±4.3μπι和 200±5.2μπι。
[0037]圖4為本發(fā)明應(yīng)用模板法制備的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列表面的掃描電化學(xué)顯微鏡(a，b) 二維掃描圖和(c，d)三維形貌圖，其中圖4(a) (b)為掃描電化學(xué)顯微鏡二維掃描圖，圖4(c) (d)為三維形貌圖，圖中標尺:400μπι;圖4 (a)微孔直徑:800±2.8μπι，微孔深度:400±2.5μπι ;圖4 (b)微孔直徑:400±3.5 μ m，微孔深度:200±3.0um0
[0038]具體實施方法
[0039]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作更詳細地說明。
[0040]本實例所使用的儀器和試劑:
[0041]聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(相對分子量約為1000g/mol, Polysciences Inc.美國)，2_ 羥基 _2_ 甲基苯丙麗(分子量為 164.2g/mol, Tokyo Chemical Industry C0.,日本)，氯化鉀(≥9 9.5%，Sigma-Aldrich，美國)，氫氧化鈉(≥98.0%，國藥集團，上海)，無水乙醇≥ 99.7%，致遠化學(xué)試劑有限公司，天津)。聚碳酸酯光掩模(清溢光電股份有限公司，深圳)，聚二甲基硅氧烷模板(SYLGARD184，道康寧，美國)，蓋玻片(江蘇飛舟玻塑有限公司)。實驗所用的水溶液全部由Mill1-Q Reference System (Millipore公司，美國)制備的超純水配制。掃描電化學(xué)顯微鏡(CHI920C，上海辰華)，紫外交聯(lián)儀(XLE-1000A/F，Spectroline,美國)，倒置相差顯微鏡(1X81，奧林巴斯，日本)。
[0042]一種水凝膠微孔陣列形貌表征的方法，包括以下步驟:
[0043]步驟一、水凝膠微孔陣列的制備:
[0044]本實施例選用的水凝膠材料為聚乙二醇二甲基丙烯酸酯，含不同孔徑和孔深的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列的制備采用光掩模法和模板法兩種方法。具體過程如下:
[0045]( I)配制水凝膠前聚體溶液:
[0046]稱取0.5g水凝膠單體聚乙二醇二甲基丙烯酸酯和25 μ L引發(fā)劑_2_羥基_2_甲基苯丙酮于離心管中，加入5mL去離子水混勻，得到質(zhì)量分數(shù)為10%的PEGDMA和體積分數(shù)為0.5%的2-羥基-2-甲基苯丙酮溶液；
[0047](2)光掩模法制備水凝膠微孔陣列的過程:
[0048]取30 μ L配好的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯前聚體溶液滴加在培養(yǎng)皿上，前聚體液滴的兩邊加一片蓋玻片作為墊片調(diào)節(jié)水凝膠微孔陣列的厚度及孔深。從下到上依次蓋上蓋玻片和光掩模，用功率為80mWcm_2的紫外交聯(lián)儀在光照間距5cm、365nm的紫外光下照射水凝膠前聚體溶液25s，得到如圖2(a)的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列。由圖2(a)測得光掩模法制備的凝膠微孔陣列的微孔直徑大小依次為400±2.5μπκ300 ±2.5 μ m和200 ±3.0ym,與光掩膜設(shè)計的理論孔徑大小一致；通過微孔陣列的側(cè)切觀察得到其孔深大致為140±2.5 μ m,與水凝膠微孔陣列制備過程中使用150 μ m厚度的蓋玻片作為墊片調(diào)節(jié)微孔深度的理論預(yù)期基本一致；
[0049]或者采用模板法制備水凝膠微孔陣列的過程:
[0050]移取30 μ L配好的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯前聚體溶液滴加在模板上，蓋上蓋玻片，用功率為80mW cm-2的紫外交聯(lián)儀在光照間距5cm、365nm的紫外光照射水凝膠前聚體溶液25s后得到如圖2(b)和2(c)的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列。由圖2(b)和2(c)得到，模板法制備的水凝膠微孔陣列的微孔直徑分別為800±2.5μπι (圖
2(b))和400±2.5 μ m (圖2 (c));通過微孔陣列的側(cè)切觀察得到兩個微孔陣列的孔深大致為 400±2.5μπι和 200±3.0ym ;
[0051](3)將制備好的水凝膠微孔陣列樣品在含0.1M KCl的水溶液中浸泡2小時之后，其中的含水量達到飽和。
[0052]步驟二、掃描電化學(xué)顯微鏡的準備實驗，具體過程如下:
[0053]( I)掃描電化學(xué)顯微鏡探頭的制備過程:
[0054]應(yīng)用熱密封法制作直徑ΙΟμπι的鉬圓盤電極，將探頭頂端分別用含不同粗糙度的金相砂紙打磨成圓錐形，并用光學(xué)顯微鏡表征探頭尺寸為RG(rg/a)=3?4。之后，將該鉬微電極在拋光布上分別用0.5 μ m和0.05 μ m三氧化二鋁的拋光粉上打磨成光滑，用去離子水清洗探頭表面，吹干備用，并用光學(xué)顯微鏡觀察探頭尖端鉬絲，得到干凈光滑如鏡面的鉬圓盤表面；
[0055](2)掃描電化學(xué)顯微鏡檢測系統(tǒng)的搭建:
[0056]將步驟一最終制備所得的IcmX Icm的飽和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列樣品置于含0.1M KCl水溶液的掃描電化學(xué)顯微鏡的電化學(xué)池底部，將鉬微工作電極經(jīng)探頭固定端口插入含0.1MKCl的水溶液中，并置于水凝膠微孔陣列樣品的正上方，Ag/AgCl參比電極和鉬絲對電極從電解池兩側(cè)的岔口插入水溶液中。如圖1(c)所示。之后，將鉬微電極、參比電極和對電極分別連接在電化學(xué)工作站上，并將電化學(xué)工作站與計算機相連。
[0057]步驟三、應(yīng)用掃描電化學(xué)顯微鏡對水溶液中聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列形貌的原位表征過程:
[0058](I)開啟電化學(xué)工作站，在電化學(xué)工作站的技術(shù)選項中選擇“漸進曲線”技術(shù)，設(shè)定鉬微電極上的施加電位-0.7V，該電位對應(yīng)氧氣在鉬探頭表面的還原電位。設(shè)定漸進速度2 μ m/s，然后開始進行探頭到水凝膠表面的逼近實驗，記錄探頭的電流相對探頭-水凝膠表面距離變化的漸進曲線。本實驗原理是基于水溶液中的氧氣在探頭表面的還原反應(yīng)。當(dāng)探頭逼近水凝膠表面時，由于水凝膠表面對溶液中氧氣擴散到探頭表面的阻礙作用，探頭上記錄的氧氣還原的電流值隨著(Z方向上)探頭到水凝膠表面距離的減小而減小，呈現(xiàn)負反饋曲線。探頭電流下降到一定值后不再發(fā)生變化，表明探頭接觸到水凝膠表面，這時停止?jié)u進曲線實驗，將此處探頭位置設(shè)為探頭到水凝膠表面的絕對零點，之后將探頭在Z方向上上提10 μ m，使得掃描起點處的探針-聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠表面的距離為10 μ m ；
[0059](2)在電化學(xué)工作站的技術(shù)選項中選擇“SECM”技術(shù)，并設(shè)定探頭電位-0.7V，掃描速度250 μ m/s, X-Y方向的掃描面積1000 μ mX 1000 μ m。在保持探頭在Z方向上位置不變的情況下采用恒高度模式(探頭到水凝膠表面距離?10 μ m)對電化學(xué)池中由光掩模法制備的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列的表面進行X-Y方向的掃描，同時基于氧氣在探頭表面的還原反應(yīng)記錄探頭在水凝膠表面不同位置的氧氣還原的電流值。掃描得到的氧氣還原電流在聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列表面的掃描電化學(xué)顯微鏡分布圖像如圖3。由圖3(a-c)所示的X-Y 二維掃描圖可得到清晰的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列表面的形貌圖(電流較高的圓形部分對應(yīng)微孔，周圍電流較低的部分對應(yīng)微孔周圍的水凝膠表面)。由圖可測得微孔的孔徑依次約為400±3.5μπι，300±4.3μπι和200±5.2 μ m,這與光掩膜上設(shè)計的微孔直徑以及相差顯微鏡的表征結(jié)果基本一致。由此證明掃描電化學(xué)顯微鏡在水溶液中原位表征水凝膠微孔陣列表面形貌的能力。另外，掃描電化學(xué)顯微鏡掃描還可提供聚乙二醇二甲基丙烯酸酯微孔陣列的三維形貌圖(如圖3(d_e))。相比二維圖像，三維圖像可提供微孔(如微孔的內(nèi)部形貌)及微孔周圍水凝膠表面的細節(jié)信息(如平整度)，由此證實掃描電化學(xué)顯微鏡在水凝膠微孔陣列形貌表征中可提供微孔三維信息的優(yōu)點；
[0060](3)在電化學(xué)工作站的技術(shù)選項中選擇“SECM”技術(shù)，并設(shè)定探頭電位-0.7V，掃描速度500 μ m/s, X-Y方向的掃描面積2000 μ mX 2000 μ m。在保持探頭在Z方向上位置不變的情況下采用恒高度模式(探頭到水凝膠表面距離?10 μ m)對電化學(xué)池中由模板法制備的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列的表面進行X-Y方向的掃描，同時基于氧氣在探頭表面的還原反應(yīng)記錄探頭在水凝膠表面不同位置的氧氣還原的電流值。掃描得到的氧氣還原電流在聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列表面的掃描電化學(xué)顯微鏡分布圖像，結(jié)果如圖4。由圖4(a，b)可得到清晰的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列的表面形貌圖(電流較高的部分對應(yīng)微孔周圍的水凝膠表面，電流較低的部分對應(yīng)微孔)。這一現(xiàn)象與圖3(a-c)的結(jié)果相反。造成這一現(xiàn)象的可能原因是氧氣從微孔內(nèi)水溶液中向掃描電化學(xué)顯微鏡探頭表面的擴散與微孔深度有關(guān)，微孔越深，氧氣從孔內(nèi)到達探頭表面的擴散距離越長，擴散所需的時間越多，因此不能立即補充探頭表面由于還原所消耗的氧氣，從而導(dǎo)致400 μ m和200 μ m兩種孔深的微孔表面測得的氧氣還原電流值較周圍水凝膠表面低。由圖4(a，b)可準確測得微孔直徑分別為800±2.8μπι和400 ±3.5 μ m，該結(jié)果與相差顯微鏡的表征結(jié)果基本一致。此外，掃描電化學(xué)顯微鏡掃描也可提供模板法制備的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列表面的三維形貌圖(圖4 (c，d))；
[0061](4)掃描電化學(xué)顯微鏡實驗完畢，探頭回到掃描起點位置后取出三個電極，關(guān)閉電
化學(xué)工作站。
【權(quán)利要求】
1.一種水凝膠微孔陣列形貌表征的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、水凝膠微孔陣列的制備:選用的水凝膠材料為聚乙二醇二甲基丙烯酸酯，采用光掩模法和模板法兩種方法制備含不同孔徑和孔深的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列； 步驟二、掃描電化學(xué)顯微鏡的準備實驗:先制備掃描電化學(xué)顯微鏡探頭再搭建掃描電化學(xué)顯微鏡檢測系統(tǒng)； 步驟三、應(yīng)用掃描電化學(xué)顯微鏡對水溶液中聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列形貌的原位表征過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水凝膠微孔陣列形貌表征的方法，其特征在于，步驟一具體為: (1)配制水凝膠前聚體溶液: 稱取0.5g水凝膠單體聚乙二醇二甲基丙烯酸酯和25 μ L引發(fā)劑-2-羥基-2-甲基苯丙酮于離心管中，加入5mL去離子水混勻； (2)光掩模法制備水凝膠微孔陣列，其過程為: 取30 μ L配好的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯前聚體溶液滴加在培養(yǎng)皿上，前聚體液滴的兩邊加一片蓋玻片作為墊片調(diào)節(jié)水凝膠微孔陣列的厚度及孔深，從下到上依次蓋上蓋玻片和光掩模，用功率為80mW cm_2的紫外交聯(lián)儀在光照間距5cm、365nm的紫外光下照射水凝膠前聚體溶液25s，得到水凝膠微孔陣列樣品； (3)將制備好的水凝膠微孔陣列樣品在含0.1M KCl的水溶液中浸泡2小時以上使其中的含水量達到飽和，得到水飽和的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種水凝膠微孔陣列形貌表征的方法，其特征在于，光掩模法制備水凝膠微孔陣列采用模板法替代，模板法制備水凝膠微孔陣列過程為: 移取30 μ L配好的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯前聚體溶液滴加在模板上，蓋上蓋玻片，用功率為80mW cm_2的紫外交聯(lián)儀在光照間距5cm、365nm的紫外光照射水凝膠前聚體溶液25s，水凝膠微孔陣列樣品。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水凝膠微孔陣列形貌表征的方法，其特征在于，步驟二、掃描電化學(xué)顯微鏡的準備實驗具體過程如下: (O掃描電化學(xué)顯微鏡探頭的制備過程: 應(yīng)用熱密封法制作直徑IOym的鉬圓盤電極，將探頭頂端分別用含不同粗糙度的金相砂紙打磨成圓錐形，并用光學(xué)顯微鏡表征探頭尺寸，之后將該鉬微電極在拋光布上分別用0.5 μ m和0.05 μ m三氧化二鋁的拋光粉上打磨成光滑，用去離子水清洗探頭表面，吹干備用，并用光學(xué)顯微鏡檢查探頭尖端鉬絲的光潔度； (2)掃描電化學(xué)顯微鏡檢測系統(tǒng)的搭建: 將步驟一最終制備所得的IcmXlcm的飽和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列置于含0.1M KCl水溶液的掃描電化學(xué)顯微鏡的電化學(xué)池底部，將鉬微工作電極經(jīng)探頭固定端口插入含0.1M KCl的水溶液中，并置于水凝膠微孔陣列樣品的正上方，Ag/AgCl參比電極和鉬絲對電極從電解池兩側(cè)的岔口插入水溶液中，之后,將鉬微電極、參比電極和對電極分別連接在電化學(xué)工作站上，并將電化學(xué)工作站與計算機相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水凝膠微孔陣列形貌表征的方法，其特征在于，步驟三、應(yīng)用掃描電化學(xué)顯微鏡對水溶液中聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列形貌的原位表征過程具體為: (1) 開啟電化學(xué)工作站，在電化學(xué)工作站的技術(shù)選項中選擇“漸進曲線”技術(shù)，設(shè)定鉬微電極上的施加電位-0.7V和漸進速度2 μ m/s，然后開始探頭到水凝膠表面的逼近實驗，記錄探頭電流相對于探頭-水凝膠表面距離變化的漸進曲線，實驗中，探頭記錄的電流隨著探頭逼近水凝膠表面(即Z方向上探頭到水凝膠表面距離的減小)而減小，呈現(xiàn)負反饋曲線，探頭電流下降到一定值后不再發(fā)生變化，表明探頭接觸到水凝膠表面，這時停止?jié)u進曲線實驗，將此處探頭位置設(shè)為探頭到水凝膠表面的絕對零點，之后將探頭在Z方向上上提10 μ m ； (2)在電化學(xué)工作站的技術(shù)選項中選擇“SECM”技術(shù)，并設(shè)定探頭電位-0.7V，掃描速度250 μ m/s, X-Y方向的掃描面積1000 μ mX 1000 μ m。在保持探頭在Z方向上位置不變的情況下采用恒高度模式(探頭到水凝膠表面距離~10 μ m)對電化學(xué)池中由光掩模法制備的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列的表面進行X-Y方向的掃描，同時記錄探頭在水凝膠表面不同位置的電流值，由此間接得到水凝膠微孔陣列的表面形貌圖； (3)在電化學(xué)工作站的技術(shù)選項中選擇“SECM”技術(shù)，并設(shè)定探頭電位-0.7V，掃描速度500 μ m/s, X-Y方向的掃描面積2000 μ mX 2000 μ m,在保持探頭在Z方向上位置不變的情況下采用恒高度模式(探頭到水凝膠表面距離~10 μ m)對電化學(xué)池中由模板法制備的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝膠微孔陣列的表面進行X-Y方向的掃描，同時記錄探頭在水凝膠表面不同位置的電流值，由此間接得到水凝膠微孔陣列的表面形貌圖； (4)掃描電化學(xué)顯微鏡實驗完畢，探頭回到掃描起點位置后取出三個電極，關(guān)閉電化學(xué)工作站。
【文檔編號】G01Q60/60GK103913601SQ201410114858
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】李菲, 陳詠梅, 徐峰, 高揚, 杜曉靜 申請人:西安交通大學(xué)