絲網印刷電極在電化學生物傳感器上的應用研究

文 王永秋

絲網印刷技術是一種歷史悠久的傳統實用技術，隨著微電子技術的發展，絲網印刷已成為電子產品應用領域中最常用的印刷方法，廣泛地應用于印刷電路板、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印刷電極在電化學生物傳感器中的具體應用。

絲網印刷電極的發展

絲網印刷電極是將絲網印刷技術與介體酶電極相結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。絲網印刷電極具有制作成本低、響應速度快、重復性好、樣品用量少以及制作自動化等優點，因此已成功商業化[1]。目前，絲網印刷電極在生物傳感器中已經廣泛應用。

圖1 幾種常見的絲網印刷電極

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

在基質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電材料等功能性色料。連接料主要起連接作用，主要有有機溶劑、樹脂、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電可分為導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，而導電油墨則是用于印制傳感器的導電條和電極。目前用到的絲網印刷油墨有碳油墨、銀油墨、絕緣油墨等。

電化學生物傳感器的發展

電化學生物傳感器是結合電分析化學和生物傳感的一類新興電子設備，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電極作為轉換元件所構成的一類生物傳感器。它的具體原理是，當待測物擴散進入敏感膜層后，進行分子識別后產生的反應信號經過換能器轉換成可處理的電信號，再經二次儀表檢測放大器放大后輸出。根據測試的電信號不同，電化學生物傳感器可分為電位傳感器、電導傳感器、電流傳感器三類。電化學生物傳感器對生物分子的分析檢測、了解生物分子結構與功能的關系、闡述生命活動的機理以及對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

而對于電化學生物傳感器來說，它的核心部分是修飾電極，作為化學修飾電極的載體，電極的制作是成功構造電化學生物傳感器的第一步。電化學生物傳感器常用的傳統電極有碳糊電極、金電極、鉑電極、鉑片電極、熱解石墨電極等，這些電極存在生產成本高的缺點，需要非常復雜的前處理過程[2]。而絲網印刷電極能夠進行批量生產，可一次性使用，成本較低，是較容易實現商品化的一種電極，因此絲網印刷電極更利于便攜式電化學生物傳感器的開發。

絲網印刷電極電化學生物傳感器的應用

絲網印刷技術被公認為是促進生物傳感器實際應用的關鍵技術之一，已廣泛應用于環境監測[3-4]、醫學診斷[5]和食品安全[6]等領域，并獲得了良好的可檢測性。

1．在環境監測中的應用

環境中的一些化學物質具有致突變、致癌、致畸變等危害。隨著國民經濟的快速發展，這些有毒物質對水環境和農產品的污染問題也日益突出，直接威脅到了人民的生命安全。在我國農業產業化的發展過程中，我們對農藥、抗生素和激素等物質的依賴程度越來越高，而藥品的不合理使用就會導致農產品農藥殘留超標，威脅消費者食用安全。隨著我國工業的發展，大型重工業企業遍布全國各地，而企業排放的廢水廢氣無疑也是導致環境污染的關鍵因素，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的可持續發展，環境監測和管理發揮著非常重要的作用，而對于環境的監測和管理，就特別需要現場即時檢測設備，以便用來應對監測場地的特殊性和環境事件的突發性。基于絲網印刷技術的酶生物傳感器具有分析速度快、靈敏度高等優點，克服了傳統技術檢測成本高、時間長的缺點，在環境檢測中得到了越來越廣泛的應用。目前，絲網印刷電極電化學生物傳感器在環境監測方面的應用，主要集中在農藥殘留、重金屬離子、致病細菌和有害氣體等方面。

2．在醫療診斷中的應用

在現代醫學診斷與治療的過程中，能夠快速方便的得到一些臨床項目檢驗的分析結果意義重大，特別是對于危重病人、野外救護以及需隨時監測生理指標的患者，并且該技術的發展還能夠使得病人進行自我檢查。這就要求檢查設備能夠滿足便攜性、靈活性以及智能性等特點，同時還能準確有效地將數據返回到遠程設備。而絲網印刷電極電化學生物傳感器就是這樣一個重要的應用技術，最典型的例子就是便攜式血糖儀，以絲網印刷技術為基礎制成的電流型血糖檢測儀是目前商品化電化學生物傳感器中成功的產品之一，它具有靈敏度高和特異性強，操作簡便，準確度高，可自動化操作，并且生產時不受批次限制等優點。目前絲網印刷電極生物傳感器主要應用于人體生理指標檢測方面。

3．在食品安全中的應用

隨著人們生活質量的提高，越來越多的人開始注重食品安全問題，現在食品安全問題進入頻發期，不斷出現食源性致病菌污染、食品藥物殘留、生物毒素、添加劑過量等問題[7-8]。對于食品安全檢測的需求不斷加大，建立高效的食品安全監管體系和檢驗檢測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，包括獸藥殘留和農藥殘留，當人類長期食用農藥殘留的果蔬和獸藥殘留的肉類食品等，這些藥物就會在體內不斷蓄積造成人體產生急慢性中毒；生物毒素，是由各種生物產生的有毒物質，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、保鮮而加入的化學物質，常用的食品添加劑有抗氧化劑、抗生素等，食品添加劑的過量使用，將嚴重危害人類的健康。絲網印刷電極電化學生物傳感器的出現，克服了傳統檢測技術成本高、時間長的缺點，在藥物殘留檢測中得到了越來越廣泛的應用。例如，Murielle等采用絲網印刷電極和免疫磁性相結合來測定2，4-D型除草劑，增強了電化學反應信號，提高了靈敏度。目前基于絲網印刷電極的電化學生物傳感器主要應用于獸藥殘留、生物毒素以及食品添加劑等方面的檢測。

隨著集成電路技術的發展和絲網印刷電極的出現，電化學生物傳感器逐漸向小型化和便攜化的方向發展。絲網印刷電極電化學生物傳感器具有便攜性、靈活性以及智能性等特點且能夠實現現場檢測，具有廣闊的發展前景。因此加強絲網印刷電極電化學生物傳感器的研究，對于擴大生物傳感器的商業化應用具有非常重要的意義。

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