(精品)生物传感器-8

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第11章 丝网印刷生物传感器,11.1 概述,基于,Clark,型酶电极的传统电化学生物传感器主要存在以下问题:,1)制作工艺比较复杂，成本较高，二次仪表、换能器和酶膜都比较昂贵；,2)使用过程中需要频繁标定;,3)需要对传感器精心维护;,4)工作电压较高,样品中共存的电极活性物质可能对电极过程干扰;,5)以氧电极为换能器时,样品氧分压对测定干扰明显;,6)以氧为电子受体的氧化还原反应,在氧分压过低时,测定结果偏低;,介体酶电极的出现解决了上述后三个问题.后来,丝网印刷技术与介体酶电极方法相结合,产生了一种全新概念的生物传感器一次性生物传感器，又称厚膜电极。这种在用户手上不需要标定的一次性产品成功地解决了传统酶电极存在的上述各种问题，在很短时间内便在市场上取得令人瞩目的成就。在1990年首届生物传感器学术大会上被广泛认为是第二代生物传感器。,丝网印刷是印刷业的一项传统工艺，有悠久的历史。20世纪60年代以后广泛用于电子工业生产，作为制作电路板的主要工序。1981年首次报道将丝网印刷技术用于厚薄电化学传感器的制作。,丝网印刷技术的主要优点：,1）可以在物体表面印刷各种图案，设计灵活；,2）印刷过程容易实现自动化；,3）重现性好；,4）使用于各种材质；,5）成本低廉；,目前市场上常见的血糖仪按照测糖技术可以分为电化学法测试和光反射技术测试两大类。前者是酶与葡萄糖反应产生的电子再运用电流记数设施，读取电子的数量，再转化成葡萄糖浓度读数。后者是通过酶与葡萄糖的反应产生的中间物（带颜色物质），运用检测器检测试纸反射面的反射光的强度，将这些反射光的强度，转化成葡萄糖浓度。,采用丝网印刷和微电子技术的手掌型血糖分析器，已形成规模化生产，年销售量约为十亿美元。,手掌型葡萄糖(,glucose),分析仪,化学介体介导的酶电极方法和丝网印刷技术的结合成了科学研究成果向应用转化的成功范例，这是众多科学家合作的成果。如果说介体酶电极方法奠定了第二代生物传感器的科学基础，则丝网印刷是将第二代生物传感器推向市场的技术保证。,11.2丝网印刷技术原理,11.2.1材料和方法,一 基质,基质(,substrate matrix),材料是传感器的支撑体,在其表面,将印刷传感器的功能性部分和结构性部分作为印刷生物传感器的基质材料,它需要满足下面两个条件:,1)由于生物传感器发生的信号十分微弱,基质必须是电惰性的;,2)由于生物传感器是一次性的,基质必须十分廉价.,常用的材料有聚氯乙烯(,PVC),和氧化铝陶瓷.其他材料包括聚碳酸酯,硝酸纤维素,玻璃纤维等.,PVC,在电绝缘性,化学惰性,可加工性方面有优良的性质,成本也低.氧化铝陶瓷则在强度、硬度、耐热性和抗腐蚀性能方面有显著优点。,二 印刷油墨,印刷油墨(,ink),又称印浆(,paste),简称油墨.它们将被印刷到基质表面,形成传感器的结构和功能部分.油墨的种类很多,不同的油墨具有不同的物理和化学性质(如黏度,导电性,耐热性,抗水性等),可以根据需要进行选择.油墨可以分为两类:,导电油墨,用于构成传感器的导电条和电极,溶剂,添加剂,导电材料,可以是金,铂,银或是碳(石墨),它们分散在黏合剂中.,黏合剂,可以是环氧树脂,烷基树脂,聚氨酯树脂或酚醛树脂.,用于溶解树脂.要考虑它们对黏,合剂的溶解性及溶解后的黏度,改善油墨的性能(黏性,附着力,热处理能力等),碳糊电极,加入表面活性剂有助于分散基质粉末在油墨中分散,防止它们絮凝沉淀.,加入干燥剂能够促进油分子不饱和键的氧化,缩短热处理时间、钝化稀释剂中存在的,天然抗氧化剂。干燥剂主要由金属离子（钴，镁，锌等）加有机酸组成。,绝缘油墨用来制作构成传感器的绝缘层，通常为高分子聚合物或陶瓷制品。,绝缘油墨与基质材料的相容性要好，如,PVC,油墨只使用于,PVC,基质材料，而不能用于苯乙烯塑料。,商品油墨一般为浓缩包装，使用前要经过稀释。稀释剂常随油墨商品提供。经过稀释后的油墨流延性增加，其黏度降低，易于印制操作。,油墨印刷到基质表面上以后需要固化，又称为热处理(,curing process)。,固化有三种方式：常温固化，加热固化和紫外光(,UV),照射固化。,固化,紫外固化,常温固化,条件温和，适用于所有印刷生物传感器,的制作，但是比其他方法耗时长。,加热固化,能使油墨与基质材料更加紧密地结合，而且固化所需要时间短，只局限于陶瓷基体材料，不能用于非耐热材料(如,PVC,和其他塑料基质),过程迅速,只需要,几秒钟.,填料(石墨粉),辅助剂,光敏剂,黏合剂,诱导黏合剂的聚合反应,常用苯甲酮,苯二甲醚,从紫外光辐射中吸收能量产生热聚合作用,即不饱和碳键之间发生交联;或产生氧化聚,合作用,即在黏合剂与过氧化物或氢氧化物,之间发生聚合反应.,三 生物敏感元件,生物敏感膜是核心部分，对于丝网印刷传感器来说，需要满足两个要求。,1）,来源容易，价格便宜，能够满足一次性使用；,2）稳定性好，由于一次性传感器在使用中不能标定，酶活性半衰期要长，否则在储存中的部分失活会造成测定误差。,目前使用最多的生物敏感元件是氧化还原酶类。酶可以单独使用也可以加入化学介体以降低工作电位，除了酶之外，也有用免疫球蛋白和微生物细胞作为敏感元件的报道。,生物敏感元件在电极表面的固定方法有共价结合法、交联法和吸附法。可以在电极印刷碳浆混合直接印刷到工作电极上，也可以在电极印刷完成后用生物喷墨仪自动滴加到电极表面。若采取印刷法，需要将生物敏感元件与油墨小心混合制成敏感元件油墨。不足之处是在实验室条件下不容易实现，因为要制备足够多的油墨供印刷，耗酶量太大。,喷墨法则比较灵活，既可以用于研究阶段，也适合工业化生产，目前广泛用于印刷生物传感器的制备。,有时为了防止酶的泄露或抗干扰，在酶层上面再印刷一层醋酸纤维素膜或是,Nafion,膜。,在电极表面加,nafion,后使酶不易泄露并且使胆碱脂酶的反应电位负移，同时也是响应电流下降。因为带负电的,Nafion,能使一些同样带负电的离子不接近电极表面发生反应，而干扰测定。同时，带正电的酶的扩散限制会得到聚合物离子交换的补偿。,Nafion,的影响,四 设备,印刷机械设备有卧式、立式和台式。印刷面也有多种形式，如平面、球面或锥体面。印刷过程包括直接印刷、间接印刷和静电层积。最常用的是平面直接印刷技术。目前市授设备大都有内设简单的电脑，通过设置程序自动或半自动控制印刷过程。,DEK 248 Printer,印刷电极主要包括印刷台,由气动控制的橡胶滚筒,控制印刷速度的频率调节器和高精度微调器.,印刷方向,印刷刮板,油墨,网框,基片,印台,丝网及掩膜,负压,图 11-1丝网印刷机核心部分的示意图,施加空气负压以固定基片,喷墨仪是一种高精度液体分配器,它将生物敏感元件(或是介体)依次精确地滴注到印刷电极的工作电极部位.喷墨仪主机靠高精度步进电机的运动驱动物体的位移,通过螺线管和注射阀共同控制液体的喷射和喷射的体积.主机外接一个程序设置器,控制溶液分配速度、滴液体积等。,A proprietary non-contact aspirate&dispense technology linking high,resoulton,syringe pump liquid displacement with micro-solenoid valve drop ejection.,BioJet,Plus,nanoliter,dispense power,Dispense specifications,Modes:,Continuous(primed through from bulk reservoir)Aspirate/dispense(source to destination),Range:,Drops-20,nanoliters,to 2,microliters,Lines-minimum width 0.25mm(membrane dependent),Accuracy:,20,nanoliters,Precision:,drop-to-drop 5%CVchannel-to-channel 8%CV,Speed:,up to 100 drops per second(100,nanoliters,),Aspirate Recovery:,50-90%,dependent on process parameters&reagent fluid properties,BioJet,Plus,nanoliter,dispense power,五 掩膜制作,刮板,油墨,胶覆盖丝网,未覆盖丝网,网框,基质材料,沉积油墨,(,a),丝网印刷电极基本过程,工作电极,参比电极,导电条,基质,(,b),丝网印刷酶传感器结构,二电极结构的一般印刷过程,11.3应用,11.3.1,临床诊断,采用两电极结构的丝网印刷乳酸酶传感器检测了奶制品和血液中的乳酸含量。用,PEI,和,PCS,固定乳酸酶，实验发现,Nafion,的用量，温度等都对实验结果有很大的影响。,Nafion,使电极响应信号降低但是会消除一些干扰离子,11.3.2环境检测,有机氯和有机磷农药长期以来是最主要的杀虫剂,但同时对人畜也有慢性毒性或是剧毒.有些有机氯农药因为残留问题已经被禁用,比如六六六和滴滴涕等.但是现在农药的残留问题还是很严重,因此农药的现场和野外检测对制止农药的滥用和保护人类健康十分必要.传统的有机磷传感器是基于有机磷农药对胆碱酯酶或乙酰胆碱酯酶的抑制作用,但费用较高,重现性不好而难以实际应用.印刷电极技术显然提供了一种解决方案.,Nafion,修饰的丝网印刷电极与免疫磁性相结合测定了除草剂2,4-,D.,在磁纳米材料表面修饰抗2,4-,D,的抗体,与2,4-,D,或是碱性磷酸酶标记的2,4-,D,反应.加入酶的底物后生成阳离子产物,进入,Nafion,膜内被电化学检测.在酶反应发生时通过磁场作用使磁珠靠近,Nafion,膜从而使酶反应产物在电极表面的浓度增加,增强电化学反应信号.,Streptavidin,immobilized on magnetic beads(S-,MBs,),alkaline,phosphatase,-labeled biotin(B-AP),随,Anti-2,4-D,抗体量的增大电流信号增大,说明抗体能识别并捕获这种除草剂与酶的,结合体,并且酶的活性还能保持.,同时降低抗体标记的磁珠的量(,Ab,-,MBs,),和除草剂-酶的量可以提高灵敏度,11.3.3,DNA,的研究,11.4结束语,丝网印刷技术发展成为一项成熟的生物传感器关键技术并获得广泛应用,其优势主要表现为:一次性使用或多次使用;单参数测定或多参数同步测定;平面或球面印刷传感器件;介体或非介体传感过程等.可以预期它在生物传感器领域将会发挥更大作用.,但是,现阶段,大多数印刷生物传感器都是一次性使用,酶的成本和稳定性仍然是推广应用的限制因素.,