丝网印刷生物传感器

生物传感器是分析生物技术的一个分支，该技术具有较强的专一性、高灵敏性及用量大等特点。对于生物医学检测、临床诊断以及环境分析等领域来说，寻求快速、准确、廉价及简便的分析方法是目前急切渴盼的应用需求。传统生物检测的检测成本高、检验速度慢，检测仪器昂贵不说，还需要专门的部门或者企业进行检测。而丝网印刷的生物传感器具有操作简单、制作成本低以及实时检测等特点，尤其是基于丝网印刷技术的电化学生物传感器能实现大批量工业化生产，与相应的小型检测仪结合使用能实现快速精准的检测。

 

丝网印刷生物传感器技术选择

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目前的生物传感器已经历三代的发展，二代生物传感器以铁氰化钾、二茂铁、甲醇、亚甲基蓝等有机颜料代替一代中的氧气作为主要的电子媒介，在整个过程中起到传递电子的作用。三代生物传感器是生物敏感元件与电极直接进行电子交换，这种方式要求电极与活性材料之间的距离小于2?nm，因此要求基底材料具有非常好的平整度，并要在保持丝网印刷生物传感器生物敏感元件活性情况下对其进行适当的修饰，将其氧化还原中心暴露出来。这对于大批量、低成本的丝网印刷是不合适的。目前与印刷技术能较好结合的生物传感器是发展较为成熟的二代传感器技术，使用丝网印刷的电化学传感器生产技术相对简单，易实现大规模的商业化发展模式。电化学传感器又以三电极生物传感器发展较为成熟，检测较为简单精准，受到研究学者和企业的广泛关注，已有商业化的生产厂家。

 

丝网印刷生物传感器技术原理

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生物传感器是一种特殊的化学传感器，主要由两部分构成：其一是分子识别元件，也叫做生物敏感膜，当待测物质接触到生物敏感膜时，常常会有物理或者化学反应，生物敏感膜对待测生物分子具有特异性识别，并将反应信号放大。该识别元件是生物传感器的关键，直接决定传感器的灵敏度和选择性。蛋白质、酶、抗原抗体、核酸、生物膜、细胞、组织、微生物等均可作为生物敏感膜的材料。其二是信号转换器，也称为换能器。信号转换器的作用是将生物分子识别而产生的各种生物的、化学的和物理的信息转换成可检测的信号（光、热、电、声等）。根据信号转换器的类别，可将生物传感器分为光学传感器、电化学传感器、声波传感器等。图1为三电极的电化学生物传感器，主要由工作电极、参比电极、辅助电极（对电极）组成。

 

图1 三电极电化学生物传感器

 

丝网印刷生物传感器实现

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材料选择

在丝网印刷传感器中，所需要使用的材料大体分为三类：基底、印刷油墨、生物敏感元件。其中，印刷油墨主要用于工作电极、对电极、参比电极的印刷；基底主要用于承载各种油墨；敏感元件则是整个部件的核心，即生物活性物质。

⑴基底

因为生物传感器发出的信号十分微弱，所以基底必须选择电惰性材料；同时，要符合大批量、一次性使用的要求，基底材料的价格要相对低廉、容易加工，最好是薄片。因此，一般选择聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯等或相对廉价的柔性材料。

⑵印刷油墨

印刷油墨主要分为导电油墨和绝缘油墨。导电油墨是传感器的导电条和电极的构成材料，主要由导电材料、黏合剂、溶剂及添加剂组成。导电材料一般是金、银或碳等，为实现丝网印刷生物传感器的优势，一般选择由碳糊制成的碳糊电极。碳糊电极具有背景电流小、施加工作电压范围广、易于表面修饰及成本低廉的特点。因此，一般的电化学生物传感器是将碳油墨和银油墨用于工作电极、对电极及参比电极的印刷。

绝缘油墨主要用于覆盖电极，对其进行保护，通常选择与基底材料具有良好相容性的材料，如PVC油墨只适合PVC基底材料，而不能用于乙烯塑料（ABS）。

⑶生物敏感元件

因为生物具有活性，且要与丝网印刷技术结合，所以生物敏感元件要满足以下要求：来源广，价格便宜，能满足一次性使用的要求，稳定性好（半衰期一般要在1年左右）。一般满足以上条件的生物活性物质，以氧化还原酶类应用最为广泛。

⑷丝网的选择

丝网印版是用于印刷的模版，一般要求抗张强度大、断裂伸张率小、回弹性好，在不同湿度条件下稳定，油墨通透性好，能抵抗一定强度的化学品腐蚀。

 

印刷步骤及参数设置

本文以三电极的印刷过程进行叙述。选择银作为参比电极、碳作为工作电极和对电极。首先在Adobe?Illustrator?CS5中进行掩模图案设计，得到的丝网印版图如图2所示，其中A是参比电极的银导电层、B是碳工作电极和对电极（半圆弧为对电极，圆形为工作电极）、C是用于保护的绝缘层，通过叠印得到完整的传感器薄片。

 

图2 三电极掩模设计及最终印刷成品示意图

因为工作电极与对电极需要进行电子交换，所以电极间的间距应尽可能小。为达到良好的印刷及工作效果，对丝网印版、工作条件的参数设计如下：丝网印版参数为200/250目数为最佳，低于此参数，则印刷油墨较少不能达到预期效果；目数太高不利于微型化，且容易糊版，不利于叠印。刮刀与印版的角度为正向70°最佳，印版张力为17～20?N/cm最佳。

各电极的参数设计如下：

银轨道：轨道宽1?mm

碳工作电极：直径3?mm的圆盘

银参比电极：1.5?mm宽的半圆

碳对电极：1.5?mm宽的右半圆

碳端子：宽3?mm

引线间距：1.5?mm

整个电极：40?mm×12?mm的长条

设计好掩模图，通过传统丝网印刷制版工艺得到3个掩模，再通过叠印得到最终成品。其中，敏感元件在电极中的固定，一般采用与工作电极油墨直接混合的方式，或者在电极印刷完成时使用生物喷墨仪自动滴加到电极表面。

整个传感器的实现步骤如下：

⑴用无水乙醇或去离子水清洗基底材料PVC/PET，并在常温下干燥。如使用风干装置，将温度控制在80～90℃，防止薄膜材料高温变形导致叠印不准。

⑵通过负压作用将柔性基材PVC/PET固定在丝网印刷机的印刷台上。

⑶放置第一张掩模A，倒入银浆，印刷导电条及参比电极。

⑷取出薄片，静置干燥（机器干燥）。

⑸重复步骤3和4，选择B掩模完成工作电极与对电极印刷，选择C掩模完成保护层印刷。

⑹完成印刷，在合适的温度环境中储存。

印刷好的电极，在检测相应的特异性物质时会产生氧化还原反应，产生的电子在外电场的作用下形成定向移动，从而被仪器检测到。

 

丝网印刷生物传感器未来发展趋势

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使用丝网印刷技术生产生物传感器，能实现大批量的商业化要求，在生产成本相对低廉的情况下实现一次性使用的特殊效果。丝网印刷的生物传感器，整体小巧便携，自身具有的专一性、高灵敏性等特点，在生物医学检测、临床诊断以及环境分析等领域的市场潜力不可估量。在万亿传感器时代的风潮中，将生物传感器技术与丝网印刷技术相结合，为丝网印刷注入了新的血液，提供了一种新的生产尝试。

 

内容来源：印刷工艺 《丝网印刷生物传感器》