【摘要】：微電極是對環(huán)境生物樣品進行微區(qū)分析的有力工具，在反應(yīng)機理探索中發(fā)揮著重要應(yīng)用，其中金屬和金屬-金屬氧化物固態(tài)微電極應(yīng)用最為廣泛?；诓Ａ毠芾频奈㈦姌O傳統(tǒng)制作方法存在著很多缺陷，如:制作步驟繁瑣、成品率低、重復(fù)性差、對制作人員的技術(shù)要求高等，妨礙了它在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用。而微細加工技術(shù)精度高、可靠性強、重復(fù)性好，非常適合用于微電極及其陣列的制作。本論文研究基于紫外曝光、離子束濺射鍍膜和離子束刻蝕等微細加工技術(shù)，成功制作了一種新型的針狀集成微電極，建立了一種簡潔、靈活、高效、可靠的微電極制作新方法。該新型微電極的針尖為75μm寬、100μm厚和5 mm，該針尖上集成了參比電極、對電極和工作電極。電化學(xué)表征和抗干擾能力測試結(jié)果表明，該集成微電極具有很好的穩(wěn)定性和電化學(xué)活性，能夠用于電化學(xué)分析測量以及化學(xué)修飾以拓展其功能。由于采用負性光刻膠SU-8作為電極支撐材料，電極的外形可以通過修改光刻掩模而重新設(shè)計，使得新制作技術(shù)具有較大的自由度和廣泛的適用性?；瘜W(xué)修飾電極是拓展電極功能最有效的方法。

本論文通過在工作微電極尖端修飾一層Pt-Fe納米顆粒，使之能夠定量分析溶液中的亞硝酸鹽濃度:在工作電極尖端修飾一層特殊的三維銀納米結(jié)構(gòu)，可以使之同時定量分析溶液中的溶解氧和硝酸鹽濃度。通過循環(huán)伏安法表征了修飾電極的電化學(xué)活性，修飾后的微電極分別對溶解氧、亞硝酸鹽和硝酸鹽具有很好的線性響應(yīng)，能夠用于實際樣品的測量。利用電子掃描顯微鏡(SEM)觀察了修飾電極表面的微觀結(jié)構(gòu)，探討了電極表面結(jié)構(gòu)和組成與其電化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系。修飾電極具有很好的電化學(xué)穩(wěn)定性，能作為溶解氧、亞硝酸鹽和硝酸鹽傳感器。同時該化學(xué)修飾微電極具有很強的抗干擾能力。好氧微生物顆粒是近年來廢水處理研究領(lǐng)域的熱點之一，它有望取代傳統(tǒng)的活性污泥絮體，成為新一代的廢水生物處理技術(shù)的核心。因此，對它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機制的研究具有重要的意義。

本論文利用制備的化學(xué)修飾微電極測定了好氧硝化顆粒內(nèi)部的溶解氧、亞硝酸鹽和硝酸鹽濃度的微區(qū)分布。觀察到溶解氧值在顆粒表面迅速降低，在顆粒內(nèi)部存在微量的溶解氧;亞硝酸鹽和硝酸鹽濃度則在顆粒表面較高，內(nèi)部較低。這表明氨氧化細菌和硝化細菌主要集中在顆粒表層的300微米范圍內(nèi)，且在所測定的顆粒內(nèi)部不存在反硝化反應(yīng)。地下飲用水中存在的硝酸鹽對人體具有極大危害，高效、無二次污染地去除地下水中的硝酸鹽是環(huán)境領(lǐng)域重要的研究方向。本論文利用全息曝光技術(shù)與微細加工技術(shù)相結(jié)合，制備了一種400 nm寬的金絲電極陣列，通過電化學(xué)沉積的方法在其表面制備了一層具有較大表面積的特殊三維銀納米結(jié)構(gòu)。通過SEM和同步輻射硬X-ray三維成像表征了此三維銀納米結(jié)構(gòu)。該銀納米結(jié)構(gòu)能夠在無外加試劑的條件下電化學(xué)還原水體中的硝酸鹽。

本研究為地下飲用水中硝酸鹽的去除提供了一個新的技術(shù)路線。微生物燃料電池(MFC)在處理廢水的同時能夠利用微生物進行發(fā)電，是一種具有良好前景的環(huán)境污染控制與清潔能源生產(chǎn)的新技術(shù)。微型MFC由于其體積小、產(chǎn)電量高而極具實用價值，有望在軍事、國土安全及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。本論文采用微細加工技術(shù)，成功制作了一種新型的微型MFC金絲電極陣列，并組裝了一種微型MFC反應(yīng)器。利用該微型MFC研究了希瓦氏菌Shewanellaoneidensis MR-1在該MFC中的產(chǎn)電能力，其最大功率密度可達2499 mW/m~2。它相對于以碳電極作為基底的微型MFC，具有較大的產(chǎn)電能力，展現(xiàn)出極為廣闊的應(yīng)用前景。