丝网印刷电极在电化学生物传感器上的应用研究

文 王永秋

丝网印刷技术是一种历史悠久的传统实用技术，随着微电子技术的发展，丝网印刷已成为电子产品应用领域中最常用的印刷方法，广泛地应用于印刷电路板、集成电子模块、各种薄膜电池线路等方面。本文主要探讨了丝网印刷电极在电化学生物传感器中的具体应用。

丝网印刷电极的发展

丝网印刷电极是将丝网印刷技术与介体酶电极相结合制成的一次性酶电极，它的厚度在几微米至100微米之间，又被称为厚膜电极。丝网印刷电极具有制作成本低、响应速度快、重复性好、样品用量少以及制作自动化等优点，因此已成功商业化[1]。目前，丝网印刷电极在生物传感器中已经广泛应用。

图1 几种常见的丝网印刷电极

丝网印刷电极基质必须是电惰性的，并且符合价格低廉、容易加工的要求，常用的有高分子材料如聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)等软性材质和陶瓷、玻璃等硬性材质。在早期，丝网印刷电极多采用硬性材质作为基底，但硬性材质与如今的电子设备兼容性不好，现在多采用软性材质作为基底。

在基质板材表面上所使用的印刷油墨主要由色料、连接料和油墨助剂组成。丝网印刷电极所用的色料有石墨粉、金粉、银粉等，还包括电子媒介体以及导电材料等功能性色料。连接料主要起连接作用，主要有有机溶剂、树脂、油和辅助材料等。助剂有稀释剂、消泡剂、分散剂、减粘剂和防干剂等。按照印刷油墨是否导电可分为导电油墨和绝缘油墨两类。绝缘油墨是用于印制传感器的绝缘层，而导电油墨则是用于印制传感器的导电条和电极。目前用到的丝网印刷油墨有碳油墨、银油墨、绝缘油墨等。

电化学生物传感器的发展

电化学生物传感器是结合电分析化学和生物传感的一类新兴电子设备，它是以生物材料作为敏感元件，以固体电极、气敏电极或者离子选择性电极等基础电极作为转换元件所构成的一类生物传感器。它的具体原理是，当待测物扩散进入敏感膜层后，进行分子识别后产生的反应信号经过换能器转换成可处理的电信号，再经二次仪表检测放大器放大后输出。根据测试的电信号不同，电化学生物传感器可分为电位传感器、电导传感器、电流传感器三类。电化学生物传感器对生物分子的分析检测、了解生物分子结构与功能的关系、阐述生命活动的机理以及对疾病的有效诊断与治疗等都具有十分重要的意义。

图2 生物传感器原理示意图

而对于电化学生物传感器来说，它的核心部分是修饰电极，作为化学修饰电极的载体，电极的制作是成功构造电化学生物传感器的第一步。电化学生物传感器常用的传统电极有碳糊电极、金电极、铂电极、铂片电极、热解石墨电极等，这些电极存在生产成本高的缺点，需要非常复杂的前处理过程[2]。而丝网印刷电极能够进行批量生产，可一次性使用，成本较低，是较容易实现商品化的一种电极，因此丝网印刷电极更利于便携式电化学生物传感器的开发。

丝网印刷电极电化学生物传感器的应用

丝网印刷技术被公认为是促进生物传感器实际应用的关键技术之一，已广泛应用于环境监测[3-4]、医学诊断[5]和食品安全[6]等领域，并获得了良好的可检测性。

1．在环境监测中的应用

环境中的一些化学物质具有致突变、致癌、致畸变等危害。随着国民经济的快速发展，这些有毒物质对水环境和农产品的污染问题也日益突出，直接威胁到了人民的生命安全。在我国农业产业化的发展过程中，我们对农药、抗生素和激素等物质的依赖程度越来越高，而药品的不合理使用就会导致农产品农药残留超标，威胁消费者食用安全。随着我国工业的发展，大型重工业企业遍布全国各地，而企业排放的废水废气无疑也是导致环境污染的关键因素，这些废水废气充斥着大量的重金属离子和有害气体。因此为了保证人类的健康和社会的可持续发展，环境监测和管理发挥着非常重要的作用，而对于环境的监测和管理，就特别需要现场即时检测设备，以便用来应对监测场地的特殊性和环境事件的突发性。基于丝网印刷技术的酶生物传感器具有分析速度快、灵敏度高等优点，克服了传统技术检测成本高、时间长的缺点，在环境检测中得到了越来越广泛的应用。目前，丝网印刷电极电化学生物传感器在环境监测方面的应用，主要集中在农药残留、重金属离子、致病细菌和有害气体等方面。

2．在医疗诊断中的应用

在现代医学诊断与治疗的过程中，能够快速方便的得到一些临床项目检验的分析结果意义重大，特别是对于危重病人、野外救护以及需随时监测生理指标的患者，并且该技术的发展还能够使得病人进行自我检查。这就要求检查设备能够满足便携性、灵活性以及智能性等特点，同时还能准确有效地将数据返回到远程设备。而丝网印刷电极电化学生物传感器就是这样一个重要的应用技术，最典型的例子就是便携式血糖仪，以丝网印刷技术为基础制成的电流型血糖检测仪是目前商品化电化学生物传感器中成功的产品之一，它具有灵敏度高和特异性强，操作简便，准确度高，可自动化操作，并且生产时不受批次限制等优点。目前丝网印刷电极生物传感器主要应用于人体生理指标检测方面。

3．在食品安全中的应用

随着人们生活质量的提高，越来越多的人开始注重食品安全问题，现在食品安全问题进入频发期，不断出现食源性致病菌污染、食品药物残留、生物毒素、添加剂过量等问题[7-8]。对于食品安全检测的需求不断加大，建立高效的食品安全监管体系和检验检测体系具有非常重要的意义。影响食品安全的因素主要有：药物残留，包括兽药残留和农药残留，当人类长期食用农药残留的果蔬和兽药残留的肉类食品等，这些药物就会在体内不断蓄积造成人体产生急慢性中毒；生物毒素，是由各种生物产生的有毒物质，为天然毒素瓶；食品添加剂，为了改善食品色、香、味以及为防腐、保鲜而加入的化学物质，常用的食品添加剂有抗氧化剂、抗生素等，食品添加剂的过量使用，将严重危害人类的健康。丝网印刷电极电化学生物传感器的出现，克服了传统检测技术成本高、时间长的缺点，在药物残留检测中得到了越来越广泛的应用。例如，Murielle等采用丝网印刷电极和免疫磁性相结合来测定2，4-D型除草剂，增强了电化学反应信号，提高了灵敏度。目前基于丝网印刷电极的电化学生物传感器主要应用于兽药残留、生物毒素以及食品添加剂等方面的检测。

随着集成电路技术的发展和丝网印刷电极的出现，电化学生物传感器逐渐向小型化和便携化的方向发展。丝网印刷电极电化学生物传感器具有便携性、灵活性以及智能性等特点且能够实现现场检测，具有广阔的发展前景。因此加强丝网印刷电极电化学生物传感器的研究，对于扩大生物传感器的商业化应用具有非常重要的意义。

[1]陈平. 基于丝网印刷技术的生物传感器的研究[D].中南大学，2013.

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