电化学生物传感器电极的丝网印刷研究

学号2011301760043 密级 _武汉大学本科毕业论文电化学生物传感器电极的丝网印刷研究院（系）名称：印刷与包装系专 业 名 称 ：印刷工程学 生 姓 名 ：陈泓丞指 导 教 师 ：周奕华 副教授二一五年五月郑 重 声 明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 摘 要生物传感器，是一种全新的技术，从它被提出就一直受到了广泛的关注，所以它的发展非常迅速。它使用电化学技术把反应后的信息经过转化成为电信息后依靠电流、电导和电压等等做为媒介输出。随着印刷电子技术的问世以及高集成性电路的大范围应用，现代科技影响下的传感器具有快速通过互联网获取数据和快速检测的特点。但是在实际应用时，测试试纸（电极）都是一次性的，所以使用成本会比较高。因此探究成本价低，环保又合格的电极十分有价值。本论文首先概述了印版的制作过程，描述了自己设计的两种电极的形状，通过丝网印刷机印刷出双电极与三电极，并且对两种电极进行了电化学性能分析。其次，通过印制经过碳纳米管修饰的双电极并与普通双电极对比，本文分析得出经过碳纳米管修饰的电极导电性能与电子传导性能明显提高的结论。最后，通过改变丝网印刷机的印刷压力和刮墨刀角度印制电极，进行导电性能测试，通过分析测试结果得出最佳的印刷条件为印刷压力0.2Mpa和刮墨刀角度90。本文的工作对探究丝网印刷电极和丝网印刷工艺对电极导电性能影响有一定的实验参考价值，同时对电化学生物传感器电极生产实践具有一定的意义。关键词：丝网印刷电极；电化学；传感器ABSTRACT Biosensor is a new technology, which has been put forward from the wide attention, so it is very rapid development. It uses electrochemical technology to convert the information after conversion into electrical information and then rely on current, conductance and voltage as media output. With the advent of printing electronics and the wide range of high integrated circuits, the sensors under the influence of modern technology have the features of rapid detection and access to data and fast detection. But in practice, the tested test paper (electrode) is one-time, so the cost will be higher. Therefore the research on low cost, environmentally friendly and qualified electrode is very valuable.At first, the paper summarizes themaking process ofprinting plate , describes the designedshapes of thetwo kinds electrodes, which are called double electrodes and the third electrodes, andanalyses electrochemical performance of two kinds of electrodes. Secondly, through printed after double electrode modified with carbon nanotubes and compared with simple double electrode, this paper analyses obtained after the conclusion of carbon nanotube modified electrode conductivity and electronic conductivity increased. Finally, by changing the screen printing machine printing pressure and ink scraping knife angle of screen printed electrode, conductive performance testing. In this paper, the results of the analysis, obtained the best printing conditions for printing pressure 0.2MPa and scraping ink knife angle of 90 degrees.The inquiry experiment on the screen printed electrode and screen printing process to explore effect on the conductivity of the electrode has a certain reference value to the experimental and at the same time, it has certain significance to the electrochemical biological sensor electrode production practice.Key words: screen-printed electrode；electrochemistry; sensor; glucose enzyme; glucoseII目录1 绪论11.1 电化学生物传感器11.2 电化学酶生物传感器21.3 丝网印刷技术及电极21.4 基于丝网印刷电极的电化学生物传感器应用71.5 电化学生物传感器未来发展趋势81.6 本论文的研究工作82 电极丝网印版的制作102.1 网版图案设计102.2 丝印网版制作流程112.2.1 耗材的选择112.2.2 后续制版工艺123 电化学传感器电极的丝网印刷143.1 实验材料和仪器143.2 普通双电极的印制153.2.1 普通双电极实验设计153.2.2 普通双电极实验过程153.3 碳纳米管双电极的印制163.3.1 碳纳米管双电极实验设计163.3.2 碳纳米管双电极实验过程173.4 碳/银三电极的印制183.4.1 三电极实验设计183.4.2 三电极实验过程183.5 稳定性测试193.5.1 双电极稳定性测试设计193.5.2 双电极稳定性测试过程193.5.3 数据分析193.5.4 小结204 丝网印刷工艺对电极性能的影响214.1 印刷压力对电极性能的影响214.1.1 实验设计214.1.2 实验过程214.1.3 实验结果与分析224.2 刮墨刀角度对电极性能的影响234.2.1 实验设计244.2.2 实验过程244.2.3 实验结果与分析25结论27参考文献28致谢301 绪论电化学分析是现代仪器分析中的一个重要组成部分，电化学的分析特点是速度快、反应灵敏、精准、配套设备简洁和方便等等。所以，由生物的传感器和应用电化学的分析技术想结合所得到的传感器在科研、医学、食品的安全监测、环境的监测等许多领域发挥巨大的作用，它具有网络化、简洁、小型化和高特异性的特点。1.1 电化学生物传感器对于检测生物成分需要一种专门的传感器。结构为：第一部分是生物的元件，例如基因、抗体和抗原、生物分子的细胞组织，各种酶等等；第二部分是信号的转换器，可以将化学反应转变为可以定量出来的化学和物理信号1。它的工作原理见下图（1.1），首先是待测物经过扩散后进入生物的敏感元件，经过分子的识别后，发生了一系列化学反应，经由信号转换器把发生反应的信号转换成为可以定量的信号，再经过加工处理后，由专业检测的放大器放大，然后经由信号传输系统输出。信号加工处理信号传输信号转换器敏感元件待测物图1.1 传感器的原理生物的传感器有很多种类，包含了细胞的传感器、基因的传感器、APtamer传感器和微生物的传感器等等2。生物物质的反应本身具有选择性和专一的特点，这就使传感器也具有选择性灵敏度高、检测极限非常低的优点。与此同时，这类传感器与先进的电子通讯、半导体、纳米加工技术结合起来，生物传感器就朝着网络化、小型化和高集成度的方向发展。新型的一类电子设备，使用电位仪等仪器把物质的信息和化学反应的信息转化为可以测量的电信号然后经过放大后输出，就是通过生物的传感与电化学的分析原理制作的。1.2 电化学酶生物传感器20世纪60年代，Clark等最先提出酶电极的设想3。酶是一类复杂的蛋白质，在促进可逆反应（如水解和氧化）方面起着像催化剂一样的作用。在传感器中大部分都使用氧化的还原酶来装饰电极，比如细胞的色素、脱氢的乳酸酶和氧化的葡萄糖酶等等。迄今为止，电化学的传感器发展了三个主要的阶段，它的工作原理见图1.2，这三个阶段的传感器主要采用天然的底物、自身氧化的还原酶和电子的媒介体的电子转移原理。图1.2 三代传感器反应机理为了使酶达到更高的灵敏度和特异性，Willner课题组提取酶的活性中心用于电化学检测4。除此之外，专家学者使用蛋白质的合成技术，基于需求对某些负责编译的基因重组设计，得到更加适合传感器需求的酶，专家学者对上述实验做了表述5。1.3 丝网印刷技术及电极1.3.1 电极种类电极是转换信号的转换器，它在电化学的传感器组成中担当了不可缺少的位置，在电极表面发生化学的反应，反应信号由电极完成输送。现在通常使用双电极体系，双电极体系中包括工作电极与对电极。而实践表明，双电极工作体系在工作时电位不稳定，所以提出了三电极的应用。三电极含有工作电极、对电极和参比电极，而参比电极是使得工作体系工作时的重要因素。电极从种类来分：工作电极分为两种，碳和金属的电极（碳纤维、金刚石等等之类的碳电极，铂、金银等等）；金属和非金属电极的参照电极和对电极。外形不一样分为有平面的、球形的等等，尺寸的区别则有常规和微型的电极。1.3.2 丝网印刷丝网印刷是一种传统的印刷技术，在二十世纪的四五十年代，伴随着微型电子的应用与发展，丝网印刷被应用在制造集成电子电路中，现在，这种丝网印刷工艺已经被广泛应用在工业领域，除了印刷电路板外，还广泛地应用于太阳能的电池、燃料的电池、射频的识别和电子标签的制造工艺中。在二十世纪的八、九十年代，丝网的印刷主要是用来制造水杨酸和葡萄糖的监测试纸。它的厚度主要在几到一百微米之间，被叫做厚膜电极。在丝网技术应用于碳糊电极制作后，让碳糊电极能大规模大批量地生产，并且在使用时具有较好的一致性。同时，三电极工作系统（工作电极、对电极、参比电极）能够在厘米级别的材料商高度集成，最终得到一种平面的电极，这就使我们检测时的采样工作大幅度减少，一般情况下只要使用一滴或者几滴溶液就可以完成分析监测。丝网印刷工艺通过这些年的发展和应用问题反馈，已经能很好地应用于电极印刷工艺中。1.3.3 多通道电极由于传感器的不断更新换代，样品丰富多样非常复杂，此时单一的项目检测已经不可能达到让人们更进一步的识别分析物质的要求。人们开始研究如何仅仅通过一次的样本采集就可以同时对多个样本进行分析和数据的对比。人们开始对传感器的阵列进行分析补充，研究出来传感器阵列，它在原理上和之前的单电级大体一样，主要在工作电极的数量上存在区别，阵列中包括了多个电极，它可以做到同一时间对多个样本和繁琐的数据进行分析处理，它拥有相应的专业的处理方式，现在主要是人工神经的网络处理方法（比如Kohonen和BP等等）和统计的模式处理识别方法（主要成分的分析、对函数的判别分析和聚类的分析等等）。除此之外，这种阵列设计完成以后，需要配备相对应的检测设备对其进行分析检测，现在的市场上有一种多通道式的恒电位仪是这种阵列的主要检测设备，这种多通道式的电位仪基本为两种样式：第一种是几个工作的电极配备一个参照和对电极；第二种是几个工作的电极配备几个参照和几个对电极。第一种样式的市场上主要是由澳洲公司设计研发的二、四、八通道，第二种也是这个公司研制的EA164恒位仪，中国的辰华公司研制的CHll000B，这种的电位仪每一个通道都可以单独成为一个三电极式电位仪来使用，也可以作为多个电极配备一个参照和对电极来使用6。1.3.4 微电极最近几年，丝网的印刷技术在微电极等领域应用很广泛。尺寸达到微米和纳米程度的电极被称为微电极，这种电极可以将阵列集成在微米和纳米级别范围内。微电极的制造方式有两种，薄膜制造技术和厚膜制造技术。其中薄膜制造技术的原理是运用光刻和溅射方法。厚膜制造技术就是上文的丝网电极印刷技术。薄膜制造技术的工艺十分复杂，而且成本十分高，相对于缺点它将尺寸控制在一个极小的范围内，精度也非常准确。厚膜制造技术的成本十分低，但是存在极大的电极之间的误差。一个专家组最近研制出一个尺寸在116微米范围内的厚膜制造技术，可以用来对铅离子进行检测7。标志着厚膜制造技术也向着尺寸控制微型化的目标改进。微电极与普通电极在电化学的原理上存在着不一样的扩散方式。微电极的尺寸非常小，它基于非线性的扩散原理，而常规电极的尺寸相比微电极十分大，所以它使用线性的扩散原理。近年来微电极逐渐在传感器的应用市场中不断地扩大。1.3.5 制备材料一般的印刷所采用的电极表面为软性的材料和硬性的材料。柔性的材料主要都是合成的材料如聚对苯二甲酸等。硬性的材料一般都是自然的材料如陶瓷。在最初丝网印刷时采用的硬性的材料。由于现在社会材料的发展和科技的进步，人们发现软性材料比硬性材料更适合作为基地的材料。丝网印刷所采用油墨一般是色料、连接料、油墨剂加上溶解液体混合而成。在制造油墨材料时一般选择很多的材料，一般有石墨粉、银粉，金粉等；将这些材料在一定的作用下混合，就制成了油墨。随着现代制造技术的发展，在印刷电极的油墨中需要加入导电材料等。连接料起连接作用，能够将固体物质分散在有机溶剂中。助剂起到助化作用，能够快速的使有机溶剂分开，使整个过程加速完成。1.3.6 修饰电极使用化学方法修饰电极首先要保证生物的分子活动（如生物酶、抗原和抗体、基因、微生物细胞的组织等）的功能性，其次要保证其固定在电极在材料的表面上它的稳定程度，经过固定和修饰以后它的化学基团（如NHZ、SH、OH等等）依然要保证活性。固定使用技术的好坏直接的影响了传感器使用时的灵敏程度、稳定程度、响应的时间和重复程度。固定使用的技术方法有磁力、共价键的结合、吸附、聚合物的包埋、特性分子的反应和交联作用。厚膜的碳电极使用凝胶和聚合物点的包埋方法和交联的方法是较为简洁高效的8。除此之外，厚膜碳电极可以使用氧化的办法使化学基团改变重组，同时也可以使用嫁接使化学基团进行改变或者重组，所以电极可以经过共价键的方式来形成不同的生物分子。使用印刷电子技术对金电极进行印刷，因为其中的金-硫键之间的相互作用力十分强，于是一般使用基因结合方式使它嫁接与电极的表面。除了使用化学的方法可以将生物的分子键结合到电极的表面之外，最近几年研发出来使用磁场之间相互的作用对生物分子进行修饰，制造出来磁性的生物传感器9。也就是在电极的外围覆盖磁场，因为磁力的存在将生物分子在电极的表面进行固定，将磁颗粒固定在分子上，这一种方式的主要的优点是经过这种方式修饰的电极可以重复使用。这种方式的具体的固定方式分类，作用原理，优缺点和应用见下表1.1。到目前为止，经过研究发现制造了多种的生物识别平台，酶在电化学传感器中得到了广泛的应用，比如现在市场中的一次性的检查试剂。对酶进行固定必须要用最高的反应速度和极小的反应米氏系数，使得电极的灵敏度得以提高，酶和电极之间的亲和力得以提高。现如今在市场中这些一次性的检查试剂中，在电极的表层进行修饰的办法有三种：第一种使用喷涂的方式，把酶加入稳定剂通过电子媒介制造的溶液喷涂于电极的表层。第二种是把油墨与酶直接的相混合，使用印刷电子于电极表层，这必须要求使用的油墨具有相对好的兼容性，保证酶的稳定和活性。第三种是在使用印刷电子技术使制造的溶液中加入保湿溶剂和粘结剂，达到一定粘度，使它在印刷电子后不容易脱落。想要对电极进行完美的修饰，稳定程度、灵敏程度、活性、成本和使用的简便性要考虑。表1.1 生物分子固定方法分类方法原理优点缺点吸附法利用氢键、范德华力、静电作用，将生物分子固定在电极表面制作条件温和、简便；成本低；载体可反复使用。对pH、离子强度、温度等因子敏感，修饰物易损漏，装载容量一般较小。共价键合法电极表面直接含有或者修饰上功能基团（-NH2、-OH等），包含对应功能基团的生物分子通过共价键嫁接到电极上。载体与结合方法多样；固定化的修饰物非常稳定，损漏少。偶联试剂对生命组织多有一定的毒性；键合条件激烈；易引起生物分子失活。凝胶/聚合物包埋法生物分子包裹在高分子三维空间网状结构中，形成稳定的生物组分敏感膜。可进行大量固定化；包埋模可选用生物相容性材料，并对可做成任意大小。仅可用于低分子量的底物；不适用于柱系统；反应常扩散限制。交联法是指用交联剂通常为双功能性基团使生物分子与其他分子分别偶联，从而使这些分子结合在一起。可用的交联试剂多；技术简单；稳定性高。交联条件激烈；常出现扩散限制，使用有一些困难。除去那些生物分子的修饰方法以外，主要的电化学传感器需要借用电子媒介的方式来完成电子的传导。现在主要使用麦尔多拉篮、铁的氰化物和吩恶嗪的化合物等等。除此之外，纳米这种材料的特点是：表面积十分大、表层的反应过程中分子活性高、表层活性的中心多、效率高速度快和吸附的能力十分强等，比如一些碳、金属的纳米颗粒和纳米管，碳、导电的聚合物的纳米线等等，剔除一些具有半导体的性能和金属的导电性能之外，同时也具备一些特别的电学上的性能，由此纳米材料就成为了最近传感器中的一个热门的研究方向。最近几年大量的文章对使用纳米的材料对生物传感器的性能上的改进进行了报道，金属的纳米颗粒、金属的氧化物的纳米颗粒、磁性的纳米颗粒等等；硅的纳米线和金属的纳米线、碳的纳米管、导电聚合物纳米管等等都被使用在电化学传感器的制造中10。1.4 基于丝网印刷电极的电化学生物传感器应用现在的电化学技术飞速发展，电化学生物传感技术也有了很大的提高，它们的应用越来越多。现在主要应用在环境测试、医疗生产等领域中，发挥的作用也越来也多。生物电化学传感器在印刷技术的应用取了很大的成果，是一次技术的飞跃。1.4.1 环境监测领域环境监测和管理，在规范工业化行为以保证人类的健康和社会的可持续发展方面，发挥着非常重要的作用。在环境监测方面，由于监测场地的特殊性和环境事件的突发性，特别需要现场即时检测设备。应用了传感器的丝网印刷技术可以检测出来食品中的某些菌类，也可以对空气中的有害物质以及水中重金属的含量进行检测。1.4.2 医疗诊断领域在现代医疗诊断领域内，即时检测（Point-of care Test，POCT）发展迅速，该技术的发展使得病人能进行自我检查。检查设备要体积小，方便使用；重量要轻方便使用运输，还有要具有较高的灵活性。现在的丝网印刷技术有了进一步的突破，它利用电化学生物传感器技术，能够快速检测出人的生理指标11。1.4.3 食品安全领域食品是我们每个人都离不开的必须品，它的安全关系到每一个人的健康，如果食品不安全，我们每一个人的安全都都会受到威胁。食品安全的检测是保证食品必不可少的环节。我国由于发展起步晚，对于产品产品的检测技术发展的不够完善，过去有很多的食品都到了污染，却因为检测手段较为落后，没能检测出来，被消费者购买使用后，对消费者的健康受到严重的影响。因此建立安全的食品检测机制有有效的检测方法，是我国食品安全检测的重要环节。现在电化学生物传感技术的发展为食品检测提供了重要的技术保证，能够快速、高效的检测出食品中受污染的成分。1.5 电化学生物传感器未来发展趋势在当今社会的发展的大形势之下，电化学生物传感器主要的发展路线为：微型化、智能化、系统化、网络化、数字化和多功能化。总的来说，其发展的方向可以概括为一下四条路线：一、加强了传感器的灵敏程度、高选择和稳定程度等等特点。主要研究内容在于在修饰电极中添加特殊材料以提高其检测的灵敏度；要增加其对分子的亲和力就要需要选择新的有活力的分子单元；增添对生物分子单元具有稳定作用的介质克制了分子结构的易变性从而提高了传感器的稳定程度，受到了现在技术的发展水平我们还有很长一段路需要走。二、阵列传感器是通过使用高集成技术、微细加工和薄膜技术等等技术实现高密集程度的传感器。基于电化学方法的生物芯片、电子鼻、电子舌将会在未来的生物识别领域具有非常大的应用前景。三、研究新的实际使用路线。曾经JosephWang课题组将丝网印刷碳电极印在织物上，通过其与人体不同部位的接触，从而可以准确的测量出心率等一些人体体征。因为它可以不被时间地点所制约，在很多医院采用它对病人进行体检，很多的病人的疾病可以提前被检测出来。四、要注重生物传感器的环保性能。由于丝网印刷电极只可以使用一次，而且其使用频率较高，用完后废弃处理将会引发新的环境问题，所以丝网印刷电极的后续回收处理将会是以后的一个重要课题。1.6 本论文的研究工作本论文主要研究于电化学生物传感器的应用方向，主要的研究内容为其的批量生产，降低丝网印刷电极的生产成本，同时讨论一些相应的检测方法。研究的内容主要涉及的方面有：丝网印刷电极的制作工艺、生物分子和电极的性能。具体的研究内容如下：一、丝网印刷电极的制备。对电极的分类、制作工艺等分别进行介绍和研究，并对它们进行对比，总结出各自的优劣；二、功能电极制备。制备了掺杂碳纳米管的功能电极，并对制备方法和电化学行为进行了讨论；三、探讨丝网印刷工艺对电极性能的影响。用不同的印刷压力和不同的刮墨刀角度印刷双电极，对它们的电学性能进行了比较和分析。2 电极丝网印版的制作2.1 网版图案设计利用AI软件对丝网印版上的图案进行1：1设计。把整版图案设计在一个A4版面上，在制版的时候曝光在丝网印版的中央位置。通过查阅相关文献和参考已有丝印电极成品，按照下图2.1尺寸设计出双电极（a）与三电极（b）。参比电极工作电极对电极工作电极对电极 （a） （b） 图2.1 双电极与三电极设计图把设计好的双电极与三电极均匀地排列在一个A4版面上，本次探究用的是3*9的排列方式，第一排放置9个图案，第二排放9个三电极的工作电极与对应电极，第三排放了9个三电极的参与电极，对应的图如2.2所示。（a）双电极（b）三电极的工作电极与对电极（c）三电极的参比电极图2.2 丝网版图案2.2 丝印网版制作流程丝网印刷是一种发展较早的印刷技术。它的流程关系如下2.3图所示，主要包括图纸的设计、制版，、晒版、印刷等。具体而言还包括绷网、显影等工艺。网框丝网绷网测张力测膜厚前处理涂布感光乳剂曝光干燥显影坚膜处理印刷图形设计出菲林图2.3 丝印网版制作流程在印刷的过程中要特别的注意网版的质量，因为它的质量之间影响印刷产品的质量，质量好印制品的质量就好，因此，要想取得高质量的印制品就得在网版制作上有更多的研究。2.2.1 耗材的选择1. 丝网的选择现在市面上有许许多多的丝网包括蚕丝丝网和金属材质的等等，不同材质的丝网市场价有很大的差异，好的材质它的丝网更加耐用，适应更多的地方。丝网的种类有很多种，各种有各种的特点。其中尼龙的丝网的特点有非常光滑、硬度很低、弹性大、具有很好的延展性，耐用性、耐酸性、耐油性较好，由于上述的多种优点，是其它的丝网无法超越的。因此尼龙的丝网在使用中应用较多，得多了广泛的认可和信赖。所以本实验采取了尼龙丝网，并且采用了250目的网目数。2. 网框的选择按材料分类，网框一般有木制的、铝的、铁的、塑料的、不锈钢的、等等，材料不同，网框的特性也不同。为了方便，本次选用的网框是铝的。铝框的使用范围不是很广，一般在机械绷网中使用较。由于它的质量小，重量轻、容易操控、不易损坏等一系列的优点，在印刷中是被应用最广的一种网框。2.2.2 后续制版工艺1. 拉网在一般的应用中，按使用方法分类，拉网有手动的和机械带动的和气动的三种形式。现在大多数采用气动拉网，气动拉网是采用气体为动力源，气体流速较快，控制方便，产生的拉力均匀，并且干净卫生，无污染废弃物，不污染环境等优点。特别适合精度很高，环保型的印刷中。2. 洗网在印刷排版是首先要对网框进行清洗，一般需要专门的用来清洗的药品进行洗网。一般现在流行的洗网较有效的方式是选择去污能力强的洗涤用品，如洗衣服、洗洁精。然后再用抹布擦洗、打磨干净。洗完之后，将网烘干或是晾干，就可以使用了。3. 感光材料选择涂布中感光材料是非常敏感的，市面上感光的材料分为两大种：胶和胶片。两者各有各自的特点，其中感光胶是加工简单，使用成本低廉，使用快捷，使用时间长，不易被溶解的有点。另一种感光胶使用的材料是一种对光非常敏感的材料，当它贴在丝网上，对水有很强的吸附性，非常坚固、不易损坏。二者各有特点，都能适用于现在的要求。4. 涂布所需物品：感光胶、上浆器、架网台。我们在商场上买到的感光胶一般都要求自己在适用的时候要调制。在适用时可以用将热水加到感光粉上，将感光粉弄湿，之后调和均匀，放置一会以备后用。适用较少时，可以人工调配，如果大量的使用，则需要用大型的上浆机。5. 干燥当丝网的感光胶涂抹之后，等数分钟之后，再将丝网放入恒温箱中烘干，烘干之后拿出来待用。这个过程一定要注意，应该将丝网彻底的烘干，要是不干，拿出来之后坚固性将会减弱。6. 曝光将底片的膜面贴在丝网的印刷面上（一般是贴在凸面），之后将其放置在真空之中等待曝光机内的曝光。曝光的时间会根据所需要曝光的感光胶的尺寸还有曝光灯所需要的的能量及所制网版的材料的要求而定的，一般在曝光之前，需要专业的任用利用曝光计算器来计算所需要的曝光时间。7. 显影在曝光之后，取下丝网，将丝网上的底片拿下，用少量的水将丝网面弄湿，湿润之后，再用高压水冲洗。等到图像出现之后，再用抹布将多余的水吸干，放进恒温箱中烘干。将取出的丝网用凉水冲洗两面，将两面冲洗干净之后，再用有一定压力的水冲，等到图像完全的显示出来。冲洗完成之后，将图像对照，如果清晰则证明成功，不清晰则需要重复上述过程。直到得到清晰的图像为止。8. 检查待用丝网经过处理以后，在有专门的人员负责检查是否符合加工的要求，如果符合则可以进行封存了，如果不符合要求还需要再重新开始制作或是修补，以达到要求。图2.4是本次实验的丝网制成品。图2.4 丝印网版实物图3 电化学传感器电极的丝网印刷电极的是传感器的重要组成部分，它是负责传送信号的载体。传统的电极中常见的有金属电极、非金属电极和微电极，微电极就是现在比较流行的新型电极。传统的电极最大的缺陷是因为前期的处理十分繁琐导致它的成本非常高。丝网的电极印刷技术却具有简单的处理过程、可以大规模生产、成本极低等等的优势。根据以上诸多优势制造出来了很多丝网的印刷电极，从功能不同上分为双电极和三电极，双电极和三电极的不同主要是在于组成他们的工作电极、对电极和参照电极数量的不同，同时研究了如何制造丝网印刷电极、它的前期处理方式和常用的印刷工艺。3.1 实验材料和仪器表3.1 实验材料与仪器类别名称备注材料纯净水用于稀释油墨葡萄糖溶液，葡萄糖酶电极上主要的反应物，用于检测电极反应时的电流炭黑/石墨导电油墨本实验室配置，用于制备工作电极与对电极银/氯化银混合参比油墨本实验室配置，用于印刷参比电极碳纳米管粉末用于修饰电极，提高导电性0.5mmPVC硬板作为电极的基底聚酯丝网网版本实验室设计，由武汉市江汉区宏大器材有限公司订做；网版参数：张力20牛，膜厚40微米，网孔250nm仪器SYP-6半自动丝网印刷平台用于印制电极；参数：工作台面积为600mm*900mm，最大印刷面积为500mmx700mm，铝框1100mm*800mmWJ平面丝网印刷机印刷机台面面积为400mm*600mm，最大印刷面积为300mm*450mm，铝框600mm*800mmDZF-6020新苗真空干燥箱用于烘干印制完的电极与滴加葡萄糖酶的电极SF智能分散磨砂机用于分散碳纳米管到油墨中DF-101S集热式恒温磁力搅拌器搅拌油墨，让油墨粘度均匀微量计量器用于滴加微量的葡萄糖溶液和葡萄糖酶34410A数字万用表测试电极反应时的实时电流ZC2618B电容测试仪测试工作电极在不同电压下的电阻值，测评其稳定性3.2 普通双电极的印制相对于金属材料而言，碳材料成本更低且处理更加方便，因此大部分丝网印刷电极的工作端为碳，工作端为碳材料电极又可分为双电极以及三电极。3.2.1 普通双电极实验设计通过实验室的设备与事先准备好的溶液溶剂，制备双碳电极，在连接处滴上一滴葡萄糖酶，干燥之后，利用同批次的电极，滴上一滴不同浓度的葡萄糖溶液，利用电化学工作站测试其双电极电化学性能和导电性能。3.2.2 普通双电极实验过程1. 调配油墨（1）把实验室中事先配置好的油墨倒入自动搅拌仪的器皿中，用自动搅拌仪对油墨进行搅拌，使其浓度均匀。（2）检测油墨的粘度是否适合印刷（若粘度较大，加入适量纯净水，继续搅拌）。2. 丝网印刷（1）用无水乙醇对丝网版与承印物PVC进行擦洗、晾干。（2）开启半自动丝网印刷机，预热；并放置上丝网版。（3）开启连续吸风按钮，放置PVC，调整其位置，保证需要印刷的图案能落在承印物中央。（4）按下“印刷装置下”按钮，调整印刷压力（0.2Mpa）和刮墨刀角度（90）准备印刷。（5）把油墨加到刮墨刀旁边，按下“刮墨刀左移”按钮进行印刷，然后按下“印刷装置上”按钮，结束印刷。（6）取出印刷品进行干燥晾干。3. 清洗仪器和干燥成品（1）取下丝网版和刮墨刀，回收多余的油墨。（2）用清水和纱布对丝网版与刮墨刀进行清洗。（3）把刮墨刀和丝网版放到通风处，晾干。（4）等待成品干燥后，在连接处用微量计量器滴上一滴2L葡萄糖酶，再进行干燥。等葡萄糖酶干燥完毕，就可以准备检测。4. 检测（1）利用固体葡萄糖和纯净水配置百分比分别为30%、45%、60%、75%、90%的葡萄糖溶液，备用与检测。（2）把双电极成品从正片PVC中裁剪下来，准备用于测试。（3）将稳定小电源与万能表（此处作电流表使用）串联起来，测试时，把电极的两端也串联进去，然后对电流进行读数。（4）串联上电极，把仪表连上电脑，设置测试时间为30s，每隔一秒读电流值一次，总共读30个数。（5）利用微量计量器滴上一滴2L浓度为30%的葡萄糖溶液，点击开始测试，数据显示在Excel表格中，保存。（6）利用新的电极分别对浓度为45%、60%、75%、90%的葡萄糖溶液进行测试，打包数据，用于后续分析。3.3 碳纳米管双电极的印制进行检测的电极需要有极强的导电和化学活性，我们检测电极之前要对待检测的电极进行相应的修饰，使得电极具有强导电性和化学活性。通过研究制备碳糊电极的思路，在制备基础电极的工艺基础上，采用油墨掺杂和电化学镀膜方法，从而实现基础电极的功能性，其中包括把负载电子媒介体（铁氰化钾、二茂铁甲酸、普鲁士蓝等）或者具备良好导电性能的材料（碳纳米管、离子液体）掺杂在油墨中，得以实现电子在生物分子之间的转换或增强电子在电极上的传递能力12。本次实验主要探究掺杂碳纳米管的碳双电极。碳纳米管自1991年被报道以来，由于其表面形态接近完美（具有较为平滑的基面且几乎没有晶体缺陷），已经被广泛地应用于各个领域（如医药和生物技术领域。其中修饰电极（如CNT修饰电极）在电化学生物传感器领域中就得到了特别的注重13。3.3.1 碳纳米管双电极实验设计在已经配置好的油墨中添加碳纳米管，进行均匀搅拌，配成碳纳米管导电油墨。利用此油墨印制出双电极，测试其导电性能与电化学性能，然后与原油墨印制出的双电极的测试结果进行比较。3.3.2 碳纳米管双电极实验过程1. 调配油墨（1）把实验室中事先配置好的油墨倒入自动搅拌仪的器皿中，加入少量的碳纳米管粉末，用自动搅拌仪对油墨进行搅拌，使其浓度均匀。（2）检测油墨的粘度是否适合印刷（若粘度较大，加入适量纯净水，继续搅拌）。2. 制备（1）用无水乙醇对丝网版与承印物PVC进行擦洗、晾干。（2）开启半自动丝网印刷机，预热；并放置上丝网版。（3）开启连续吸风按钮，放置PVC，调整其位置，保证需要印刷的图案能落在承印物中央。（4）按下“印刷装置下”按钮，调整印刷压力（0.2Mpa）和刮墨刀角度（90）准备印刷。（5）把油墨加到刮墨刀旁边，按下“刮墨刀左移”按钮进行印刷，然后按下“印刷装置上”按钮，结束印刷。（6）取出印刷品进行干燥晾干。3. 清洗仪器和干燥成品（1）取下丝网版和刮墨刀，回收多余的油墨。（2）用清水和纱布对丝网版与刮墨刀进行清洗。（3）把刮墨刀和丝网版放到通风处，晾干。（4）等待成品干燥后，在连接处滴上一滴葡萄糖酶，再进行干燥。等葡萄糖酶干燥完毕，就可以准备检测。4. 检测（1）利用固体葡萄糖和纯净水配置百分比分别为30%、45%、60%、75%、90%的葡萄糖溶液，备用与检测。（2）把双电极成品从正片PVC中裁剪下来，准备用于测试。（3）将稳定小电源与万能表（此处作电流表使用）串联起来，测试时，把电极的两端也串联进去，然后对电流进行读数。（4）串联上电极，把仪表连上电脑，设置测试时间为30s，每隔一秒读电流值一次，总共读30个数。（5）滴上浓度为30%的葡萄糖溶液，点击开始测试，数据显示在Excel表格中，保存。（6）利用新的电极分别对浓度为45%、60%、75%、90%的葡萄糖溶液进行测试，打包数据，用于后续分析。3.4 碳/银三电极的印制3.4.1 三电极实验设计通过实验室的设备与事先准备好的溶液溶剂，制备三碳/银电极，在连接处滴上一滴葡萄糖酶，干燥之后，利用同批次的电极，滴上一滴不同浓度的葡萄糖溶液，利用仪表仪器测量其电流变化。借此检测双电极是否合格与稳定3.4.2 三电极实验过程1. 制备（1）准备材料，印制三电极上的工作电极与对电极，步骤如3.3.2。（2）待碳电极干燥完毕，调整PVC位置，利用银浆，重复印刷的步骤，印刷参比电极，干燥晾干，备用。2. 清洗仪器和干燥成品（1）取下丝网版和刮墨刀，回收多余的油墨。（2）用清水和纱布对丝网版与刮墨刀进行清洗。（3）把刮墨刀和丝网版放到通风处，晾干。（4）等待成品干燥后，在连接处滴上一滴葡萄糖酶，再进行干燥。等葡萄糖酶干燥完毕，就可以准备检测。3. 检测（1）利用固体葡萄糖和纯净水配置百分比分别为30%、45%、60%、75%、90%的葡萄糖溶液，备用与检测。（2）把三电极成品从正片PVC中裁剪下来，准备用于测试。（3）将稳定小电源与数字万用表（此处作电流表使用）串联起来，测试时，把电极的工作电极与对电极也串联进去，然后对电流进行读数。（4）串联上电极，把仪表连上电脑，设置测试时间为30s，每隔一秒读电流值一次，总共读30个数。（5）用微量计量器往工作电极与对电极的连接处滴上一滴2L浓度为30%的葡萄糖溶液，点击开始测试，数据显示在Excel表格中，保存。（6）然后将数字万用表再串联在工作电极与参比电极上，用微量计量器在其连接处滴上一滴2L葡萄糖溶液，点击开始测试，然后对电流进行读数。（7）利用新的电极分别对浓度为45%、60%、75%、90%的葡萄糖溶液进行测试，打包数据，用于后续分析。3.5 稳定性测试3.5.1 双电极稳定性测试设计把阻抗仪连接到双电极的两端，改变阻抗仪的电压，记录电流的读数，描绘出曲线，从曲线可以反映出在测试过程电极的电阻变化，从而反映出电极的稳定性。3.5.2 双电极稳定性测试过程（1）选择一个质量较好的普通双电极，将阻抗仪的两端连接到其工作电极的两端。（2）将电压分别设置为-2V、-1.6V、-1.2V、-0.8V、-0.4V、0、0.4V、0.8V、1.2V、1.6V、2V。记录对应的电阻值。（3）在以电压为横轴，电阻为纵轴的坐标系中绘制出曲线。（4）选择一个质量好的碳纳米管双电极重复上述步骤。3.5.3 数据分析根据图3.6所示，用丝网印刷技术印制的两种双电极，在测试过程中，电压改变，它们的电阻值基本没有变化，很稳定。测试所选用的普通双电极的工作电极电阻为28.34k，而碳纳米管双电极的工作电极电阻为23.16k。通过测试，可以看出用丝网印刷工艺印制的电极导电性能很稳定，几乎没有变化；经过碳纳米管修饰的双电极电阻比没有经过修饰的双电极电阻值要低，所以碳纳米管具有提到电极导电性能的性质，在此实验中，由于碳纳米管的使用，使电极的电阻降低了17.86%。图3.6 双电极电压电阻关系图3.5.4 小结对于一些反应速率慢、电子转移速率慢的反应，可以采用一些经过导电性强的粒子修饰过的电极用作检测，这样可以更容易检测出被检测物的反应状况和更精确地得到相应的数据。其次，用丝网印刷机生产碳双电极是可以大量生产，从而节约成本，但是质量不一定稳定，只适合用于一些允许测试误差范围较大的测试体系。建议厂家在生产之后，先对电极的工作电极和对电极的电阻进行测试，若其电阻值达到某一值并在误差范围内才允许使用和销售。4 丝网印刷工艺对电极性能的影响4.1 印刷压力对电极性能的影响印刷压力的影响在印刷过程中，刮胶对丝网要施加一个适当且平稳的压力。印刷压力过大，会降低刮胶和网版的使用寿命，从而使丝网产生变形，导致印刷出来的图形失真。印刷压力过小，容易在网孔残留些许的浆料，造成虚印和粘网。施加一个适当的平稳压力，使透墨量减小，栅线高度降低，宽度增加14。4.1.1 实验设计通过改变丝网印刷机的印刷压力，分别为0.15Mpa、0.2Mpa、0.25Mpa、0.3Mpa，在同样的刮墨刀角度（90），印刷出双电极，利用万能表测试一个电极（工作电极）的电阻，求出同一压力下电极电阻的平均值，与不同压力下印刷的电极进行比较分析。4.1.2 实验过程1. 电极印刷（1）用无水乙醇对丝网版与承印物PVC进行擦洗、晾干。（2）开启半自动丝网印刷机，预热；并放置上丝网版。（3）开启连续吸风按钮，放置PVC，调整其位置，保证需要印刷的图案能落在承印物中央。（4）按下“印刷装置下”按钮，调整印刷压力（0.15Mpa）和刮墨刀角度（90）准备印刷。（5）把油墨加到刮墨刀旁边，按下“刮墨刀左移”按钮进行印刷，然后按下“印刷装置上”按钮，结束印刷。（6）改变印刷压力（0.15Mpa、0.2Mpa、0.25Mpa、0.3Mpa），重复3到5这三个步骤。（7）取出印刷品进行干燥晾干。2. 清洗仪器和干燥成品（1）取下丝网版和刮墨刀，回收多余的油墨。（2）用清水和纱布对丝网版与刮墨刀进行清洗。（3）把刮墨刀和丝网版放到通风处，晾干。（4）等待成品干燥后准备检测。3. 检测（1）把双电极成品从整片PVC中裁剪下来，从不同印刷压力印刷出来的双电极中取出五个印刷质量较好的，准备用于测试。（2）将万能表与工作电极的两端连接起来如图4.1，然后对电极的电阻进行读数。（3）重复步骤（2），测试整版在同一印刷压力下印刷的工作电极的电阻，求出平均值（4）通过万能表分批测试所有电极的工作电极电阻，得到平均值，进行比较分析。万能表连接处万能表连接处工作电极图4.1 双电极电阻测试图4.1.3 实验结果与分析表4.1 印刷压力与电极电阻印刷压力（Mpa）0.150.20.250.3平均电阻35.12k28.34k38.45k29.8k图4.2 平均电阻与印刷压力关系图由图4.2和表4.1所知，本实验探究出