絲網(wǎng)印刷電極在電化學(xué)生物傳感器上的應(yīng)用研究

文 王永秋

絲網(wǎng)印刷技術(shù)是一種歷史悠久的傳統(tǒng)實(shí)用技術(shù)，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，絲網(wǎng)印刷已成為電子產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域中最常用的印刷方法，廣泛地應(yīng)用于印刷電路板、集成電子模塊、各種薄膜電池線路等方面。本文主要探討了絲網(wǎng)印刷電極在電化學(xué)生物傳感器中的具體應(yīng)用。

絲網(wǎng)印刷電極的發(fā)展

絲網(wǎng)印刷電極是將絲網(wǎng)印刷技術(shù)與介體酶電極相結(jié)合制成的一次性酶電極，它的厚度在幾微米至100微米之間，又被稱為厚膜電極。絲網(wǎng)印刷電極具有制作成本低、響應(yīng)速度快、重復(fù)性好、樣品用量少以及制作自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，因此已成功商業(yè)化[1]。目前，絲網(wǎng)印刷電極在生物傳感器中已經(jīng)廣泛應(yīng)用。

圖1 幾種常見(jiàn)的絲網(wǎng)印刷電極

絲網(wǎng)印刷電極基質(zhì)必須是電惰性的，并且符合價(jià)格低廉、容易加工的要求，常用的有高分子材料如聚氯乙烯(PVC)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)等軟性材質(zhì)和陶瓷、玻璃等硬性材質(zhì)。在早期，絲網(wǎng)印刷電極多采用硬性材質(zhì)作為基底，但硬性材質(zhì)與如今的電子設(shè)備兼容性不好，現(xiàn)在多采用軟性材質(zhì)作為基底。

在基質(zhì)板材表面上所使用的印刷油墨主要由色料、連接料和油墨助劑組成。絲網(wǎng)印刷電極所用的色料有石墨粉、金粉、銀粉等，還包括電子媒介體以及導(dǎo)電材料等功能性色料。連接料主要起連接作用，主要有有機(jī)溶劑、樹(shù)脂、油和輔助材料等。助劑有稀釋劑、消泡劑、分散劑、減粘劑和防干劑等。按照印刷油墨是否導(dǎo)電可分為導(dǎo)電油墨和絕緣油墨兩類。絕緣油墨是用于印制傳感器的絕緣層，而導(dǎo)電油墨則是用于印制傳感器的導(dǎo)電條和電極。目前用到的絲網(wǎng)印刷油墨有碳油墨、銀油墨、絕緣油墨等。

電化學(xué)生物傳感器的發(fā)展

電化學(xué)生物傳感器是結(jié)合電分析化學(xué)和生物傳感的一類新興電子設(shè)備，它是以生物材料作為敏感元件，以固體電極、氣敏電極或者離子選擇性電極等基礎(chǔ)電極作為轉(zhuǎn)換元件所構(gòu)成的一類生物傳感器。它的具體原理是，當(dāng)待測(cè)物擴(kuò)散進(jìn)入敏感膜層后，進(jìn)行分子識(shí)別后產(chǎn)生的反應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)換能器轉(zhuǎn)換成可處理的電信號(hào)，再經(jīng)二次儀表檢測(cè)放大器放大后輸出。根據(jù)測(cè)試的電信號(hào)不同，電化學(xué)生物傳感器可分為電位傳感器、電導(dǎo)傳感器、電流傳感器三類。電化學(xué)生物傳感器對(duì)生物分子的分析檢測(cè)、了解生物分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系、闡述生命活動(dòng)的機(jī)理以及對(duì)疾病的有效診斷與治療等都具有十分重要的意義。

圖2 生物傳感器原理示意圖

而對(duì)于電化學(xué)生物傳感器來(lái)說(shuō)，它的核心部分是修飾電極，作為化學(xué)修飾電極的載體，電極的制作是成功構(gòu)造電化學(xué)生物傳感器的第一步。電化學(xué)生物傳感器常用的傳統(tǒng)電極有碳糊電極、金電極、鉑電極、鉑片電極、熱解石墨電極等，這些電極存在生產(chǎn)成本高的缺點(diǎn)，需要非常復(fù)雜的前處理過(guò)程[2]。而絲網(wǎng)印刷電極能夠進(jìn)行批量生產(chǎn)，可一次性使用，成本較低，是較容易實(shí)現(xiàn)商品化的一種電極，因此絲網(wǎng)印刷電極更利于便攜式電化學(xué)生物傳感器的開(kāi)發(fā)。

絲網(wǎng)印刷電極電化學(xué)生物傳感器的應(yīng)用

絲網(wǎng)印刷技術(shù)被公認(rèn)為是促進(jìn)生物傳感器實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)[3-4]、醫(yī)學(xué)診斷[5]和食品安全[6]等領(lǐng)域，并獲得了良好的可檢測(cè)性。

1．在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

環(huán)境中的一些化學(xué)物質(zhì)具有致突變、致癌、致畸變等危害。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，這些有毒物質(zhì)對(duì)水環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品的污染問(wèn)題也日益突出，直接威脅到了人民的生命安全。在我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展過(guò)程中，我們對(duì)農(nóng)藥、抗生素和激素等物質(zhì)的依賴程度越來(lái)越高，而藥品的不合理使用就會(huì)導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留超標(biāo)，威脅消費(fèi)者食用安全。隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，大型重工業(yè)企業(yè)遍布全國(guó)各地，而企業(yè)排放的廢水廢氣無(wú)疑也是導(dǎo)致環(huán)境污染的關(guān)鍵因素，這些廢水廢氣充斥著大量的重金屬離子和有害氣體。因此為了保證人類的健康和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理發(fā)揮著非常重要的作用，而對(duì)于環(huán)境的監(jiān)測(cè)和管理，就特別需要現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)檢測(cè)設(shè)備，以便用來(lái)應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)場(chǎng)地的特殊性和環(huán)境事件的突發(fā)性?；诮z網(wǎng)印刷技術(shù)的酶生物傳感器具有分析速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)技術(shù)檢測(cè)成本高、時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，在環(huán)境檢測(cè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前，絲網(wǎng)印刷電極電化學(xué)生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用，主要集中在農(nóng)藥殘留、重金屬離子、致病細(xì)菌和有害氣體等方面。

2．在醫(yī)療診斷中的應(yīng)用

在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷與治療的過(guò)程中，能夠快速方便的得到一些臨床項(xiàng)目檢驗(yàn)的分析結(jié)果意義重大，特別是對(duì)于危重病人、野外救護(hù)以及需隨時(shí)監(jiān)測(cè)生理指標(biāo)的患者，并且該技術(shù)的發(fā)展還能夠使得病人進(jìn)行自我檢查。這就要求檢查設(shè)備能夠滿足便攜性、靈活性以及智能性等特點(diǎn)，同時(shí)還能準(zhǔn)確有效地將數(shù)據(jù)返回到遠(yuǎn)程設(shè)備。而絲網(wǎng)印刷電極電化學(xué)生物傳感器就是這樣一個(gè)重要的應(yīng)用技術(shù)，最典型的例子就是便攜式血糖儀，以絲網(wǎng)印刷技術(shù)為基礎(chǔ)制成的電流型血糖檢測(cè)儀是目前商品化電化學(xué)生物傳感器中成功的產(chǎn)品之一，它具有靈敏度高和特異性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)便，準(zhǔn)確度高，可自動(dòng)化操作，并且生產(chǎn)時(shí)不受批次限制等優(yōu)點(diǎn)。目前絲網(wǎng)印刷電極生物傳感器主要應(yīng)用于人體生理指標(biāo)檢測(cè)方面。

3．在食品安全中的應(yīng)用

隨著人們生活質(zhì)量的提高，越來(lái)越多的人開(kāi)始注重食品安全問(wèn)題，現(xiàn)在食品安全問(wèn)題進(jìn)入頻發(fā)期，不斷出現(xiàn)食源性致病菌污染、食品藥物殘留、生物毒素、添加劑過(guò)量等問(wèn)題[7-8]。對(duì)于食品安全檢測(cè)的需求不斷加大，建立高效的食品安全監(jiān)管體系和檢驗(yàn)檢測(cè)體系具有非常重要的意義。影響食品安全的因素主要有：藥物殘留，包括獸藥殘留和農(nóng)藥殘留，當(dāng)人類長(zhǎng)期食用農(nóng)藥殘留的果蔬和獸藥殘留的肉類食品等，這些藥物就會(huì)在體內(nèi)不斷蓄積造成人體產(chǎn)生急慢性中毒；生物毒素，是由各種生物產(chǎn)生的有毒物質(zhì)，為天然毒素瓶；食品添加劑，為了改善食品色、香、味以及為防腐、保鮮而加入的化學(xué)物質(zhì)，常用的食品添加劑有抗氧化劑、抗生素等，食品添加劑的過(guò)量使用，將嚴(yán)重危害人類的健康。絲網(wǎng)印刷電極電化學(xué)生物傳感器的出現(xiàn)，克服了傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)成本高、時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，在藥物殘留檢測(cè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。例如，Murielle等采用絲網(wǎng)印刷電極和免疫磁性相結(jié)合來(lái)測(cè)定2，4-D型除草劑，增強(qiáng)了電化學(xué)反應(yīng)信號(hào)，提高了靈敏度。目前基于絲網(wǎng)印刷電極的電化學(xué)生物傳感器主要應(yīng)用于獸藥殘留、生物毒素以及食品添加劑等方面的檢測(cè)。

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展和絲網(wǎng)印刷電極的出現(xiàn)，電化學(xué)生物傳感器逐漸向小型化和便攜化的方向發(fā)展。絲網(wǎng)印刷電極電化學(xué)生物傳感器具有便攜性、靈活性以及智能性等特點(diǎn)且能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，具有廣闊的發(fā)展前景。因此加強(qiáng)絲網(wǎng)印刷電極電化學(xué)生物傳感器的研究，對(duì)于擴(kuò)大生物傳感器的商業(yè)化應(yīng)用具有非常重要的意義。

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