Электроды с трафаретной печатью
Электроды с трафаретной печатью (SPE) — это электрохимические измерительные устройства, которые изготавливаются путем печати различных типов чернил на пластиковых или керамических подложках, что позволяет осуществлять быстрый анализ на месте с высокой воспроизводимостью, чувствительностью и точностью. Состав различных чернил ( углеродных , серебряных , золотых , платиновых ), используемых при изготовлении электрода, определяет его селективность и чувствительность. Этот факт позволяет аналитику спроектировать наиболее оптимальное устройство по своему назначению. [1]
Эволюция этих электрохимических ячеек обусловлена необходимостью уменьшения размеров устройств, что подразумевает уменьшение объема образца, необходимого в каждом эксперименте. Кроме того, развитие ПСН позволило снизить себестоимость продукции. [1] [2] [3]
Одним из основных преимуществ является возможность модификации трафаретных электродов, изменения состава его чернил путем добавления различных металлов, ферментов , комплексообразователей, полимеров и т. д., что полезно для подготовки множества электрохимических анализов. [1] [3]
Описание
[ редактировать ]Трафаретная печать – один из древнейших методов репродукции. Трафаретные электроды (SPE) представлены как единое устройство, в котором имеются три разных электрода : [4]
- Рабочий электрод . Их реакция чувствительна к концентрации аналита.
- Референтный электрод . Это позволяет применять известный потенциал, который не зависит от концентрации аналита и других ионов. Его потенциал постоянен, и рабочего электрода . против него измеряется потенциал
- Вспомогательный или противоэлектрод . Именно электрод замыкает цепь трехэлектродной ячейки, так как обеспечивает прохождение тока. Это позволяет анализировать процессы, в которых происходит электронная передача.
Три электрода можно было печатать на различных типах подложек (пластик или керамика ) и изготавливать с использованием самых разных чернил . [2] [3] Наиболее распространенными являются чернила, состоящие из серебра и углерода , однако они могут быть основаны на других металлах, таких как платина , золото , палладий или медь . Кроме того, электроды можно модифицировать ферментами , металлическими наночастицами , углеродными нанотрубками , полимерами или комплексообразователями. [2] [3] Состав электродных чернил выбирается в соответствии с конечным применением, а также селективностью и чувствительностью, необходимыми для анализа. [2] [5] [6]
Процесс изготовления электродов включает последовательное нанесение различных слоев проводящих и/или изолирующих чернил на интересующие подложки. Процесс состоит из нескольких этапов: [5]
- Нанесение пленки обычно на пластик или керамику.
- Сушка напечатанных пленок, исключающая возможные органические растворители, необходимые для обеспечения надлежащей адгезии. Сушка может производиться в печи при температуре от 300 до 1200 °C или в чернилах холодного отверждения с последующим процессом фотоотверждения в УФ-свете.
- Процесс можно повторить, если требуются сложные конструкции с использованием соответствующего материала для конкретной конструкции.
С другой стороны, как уже говорилось выше, наиболее часто используемые чернила — серебряные и углеродные , поэтому следует выделить их печатные и производственные характеристики:
- Серебряные чернила. Эти чернила действуют как проводник, при этом рабочие электроды печатаются в основном графитовыми красками, хотя золотые , платиновые и серебряные также используются чернила. Некоторые компоненты чернил вызывают различия в обнаружении и анализе. [7]
- Чернила серебро/хлорид серебра. Серебро/хлорид серебра является предпочтительным электродом сравнения в промышленности , поскольку оно имеет стабильный электрохимический потенциал при многочисленных условиях измерения. Это делает чернила серебро/хлорид серебра хорошим выбором для различных медицинских и промышленных применений, требующих проводящих чернил, таких как биометрический мониторинг или обнаружение тяжелых металлов. Свойства чернил можно регулировать, изменяя соотношение серебра и хлорида серебра. [8]
- Карбоновые чернила. Состав электродов обычно является конфиденциальной информацией от компании-производителя, однако в состав электродов входят ключевые элементы, такие как связующие, используемые для улучшения сродства подложки и чернил, а также растворители, используемые для улучшения вязкости в процессе печати. [7] Тип, размер или заряд частиц графита , а также условия печати и сушки могут повлиять на перенос электронов и аналитический выход углеродных датчиков. [2]
- Золотые чернила. Золотые чернила в настоящее время вызывают больший интерес из-за образования самоорганизующихся монослоев (SAM) посредством прочных связей Au-S.
Преимущества и применение
[ редактировать ]Электроды с трафаретной печатью обладают рядом преимуществ, таких как низкая стоимость, гибкость конструкции, высокая воспроизводимость процесса и получаемых электродов, возможность изготовления их из различных материалов и широкие возможности модификации рабочей поверхности. Еще одним преимуществом является возможность подключения к портативному прибору, позволяющему на месте определять конкретные аналиты . Кроме того, электроды с трафаретной печатью позволяют избежать утомительных процессов очистки. [2] [5]
В настоящее время они используются в качестве основы для производства портативных электрохимических биосенсоров для анализа окружающей среды. Некоторые приложения: [9]
- Фенольные соединения : их быстрое обнаружение с помощью электрохимических биосенсоров на основе ТФЭ является сложной задачей, поскольку они легко проникают в растения, животных и человека через их мембраны и кожу, вызывая токсические побочные эффекты.
- Нитриты и фосфаты : их обнаружение в низких концентрациях имеет большое значение из-за их токсичности . ТФЭ, способные обнаруживать нитриты и фосфаты Разработаны . Микроэлектроды в сочетании с технологией трафаретной печати используются для производства чувствительных к нитриту датчиков.
- Пестициды . Фосфорорганические пестициды вредны для человека и животных, поскольку они подавляют активность многих ферментов . ингибирования на основе СПЭ. биосенсоры В настоящее время появились
- Гербициды : Питьевая вода загрязнена из-за увеличения использования гербицидов. Для достижения избирательного обнаружения наиболее распространенным методом является иммуноанализ, который в сочетании с ТФЭ обнаруживается напрямую, без очистки и повторного использования активных компонентов.
- Обнаружение тяжелых металлов необходимы простые и экономичные устройства : для обнаружения тяжелых металлов на месте из-за их высокой токсичности даже при низких концентрациях. Наиболее распространенными ионами токсичных металлов являются Pb(II) и Hg(II).
- Pb (II): Датчики для обнаружения свинца обычно модифицируются с использованием определенных материалов (например, углерода, висмута или золота) для повышения их чувствительности. Для улучшения их обнаружения эти модификаторы прикрепляют к поверхности СПС. Наиболее широко используется висмут из-за его большого выхода и повышенной чувствительности, достигающей уровня частей на миллиард (частей на миллиард).
- Hg (II): ртуть является наиболее проблематичным загрязнителем . Обычно золотые для обнаружения используются электроды из-за их высокого сродства. Однако использование золотых электродов вызывает структурные изменения на поверхности, вызывающие образование амальгамы . Имеющиеся в продаже золотые электроды с трафаретной печатью облегчают измерения ртути в воде, поскольку не требуется подготовка электродов.
- Генерация подложек SERS . В последние годы ТФЭ использовался для создания субстратов ГКР in-situ для аналитических целей. [10]
С другой стороны, правильный производственный процесс важен, чтобы избежать низкой воспроизводимости, использовать минеральные связующие или изолирующие полимеры, которые обеспечивают высокую стойкость к ТФЭ, а также использовать чернила, которые существенно не влияют на кинетику протекающих реакций. В производстве обработка поверхности используется для удаления органических загрязнений из чернил. Это улучшает их электрохимические свойства за счет увеличения шероховатости поверхности. [3]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Ренедо, О. Домингес; Алонсо-Ломилло, Массачусетс; Мартинес, MJ Arcos (15 сентября 2007 г.). «Последние разработки в области электродов для трафаретной печати и связанных с ними применений» . Таланта . 73 (2): 202–219. дои : 10.1016/j.talanta.2007.03.050 . ПМИД 19073018 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Талеат, Захра; Хошру, Алиреза; Мазлум-Ардакани, Мохаммед (июль 2014 г.). «Трафаретные электроды для биосенсорства: обзор (2008–2013 гг.) » Микрохимический Акта . 181 (9–10): 865–891. дои : 10.1007/s00604-014-1181-1 . ISSN 0026-3672 . S2CID 98195936 .
- ^ Jump up to: а б с д и Гонсалес Дьегес, Ноэлия; Эрас Видаурре, Арансасу; Колина Сантамария, Альваро (2017). «УФ-Вид-спектроэлектрохимия с трафаретными электродами. Исследование и определение нейромедиаторов». Докторская диссертация, Университет Бургоса .
- ^ Харви, Дэвид. (2002). Современная аналитическая химия . Мадрид: McGraw-Hill Interamericana de España. ISBN 84-481-3635-7 . OCLC 52938858 .
- ^ Jump up to: а б с Ласки, Серена; Масчини, Марко (2006). «Плоские электрохимические датчики для биомедицинских применений» . Медицинская инженерия и физика . 28 (10): 934–943. doi : 10.1016/j.medengphy.2006.05.006 . ПМИД 16822696 .
- ^ Фанжулболадо, П; Кейпо, П; Ламасардисана, П; Костагарсия, А (15 декабря 2007 г.). «Производство и оценка электродов для трафаретной печати, модифицированных углеродными нанотрубками, в качестве электрохимических инструментов» . Таланта . 74 (3): 427–433. дои : 10.1016/j.talanta.2007.07.035 . ПМИД 18371659 .
- ^ Jump up to: а б Фанджул-Боладо, Пабло; Эрнандес-Сантос, Дэвид; Ламас-Ардисана, Педро Хосе; Мартин-Перния, Альберто; Коста-Гарсия, Агустин (2008). «Электрохимические характеристики электродов с трафаретной печатью и обычных электродов из углеродной пасты» . Электрохимика Акта . 53 (10): 3635–3642. дои : 10.1016/j.electacta.2007.12.044 .
- ^ «Ag/AgCl (хлорид серебра и серебра) Электроды для трафаретной печати» . Алмакс-РП . 17 ноября 2020 г. Проверено 12 августа 2021 г.
- ^ Ли, Мэн; Ли, Юань-Тин; Ли, Да-Вэй; Лонг, И-Тао (2012). «Последние разработки и применение электродов с трафаретной печатью в анализах окружающей среды — обзор» . Аналитика Химика Акта . 734 : 31–44. дои : 10.1016/j.aca.2012.05.018 . ПМИД 22704470 .
- ^ Мартин-Йерга, Даниэль; Перес-Хункера, Алехандро; Гонсалес-Гарсия, Мария Бегонья; Пералес-Рондон, Хуан В.; Эрас-Видаур, Аранзасу; Колина-Сантамария, Альваро; Эрнандес-Сантос, Дэвид; Фанджул-Боладо, Пабло (2018). «Количественная рамановская спектроэлектрохимия с использованием серебряных электродов с трафаретной печатью» . Электрохимика Акта . 264 : 183–190. дои : 10.1016/j.electacta.2018.01.060 . hdl : 10259/4935 .