絲網印刷電極及其在重金屬快速檢測中的應用

黃泓凱，段寧馨，鄒玉婷，古飛燕，劉功良，趙曉娟

（仲愷農業工程學院 輕工食品學院，農業農村部嶺南特色食品綠色加工與智能制造重點實驗室，廣東省嶺南特色食品科學與技術重點實驗室，廣東 廣州 510225）

隨著工業生產的日益發展，重金屬對環境的污染愈加嚴重。由于食物鏈的富集作用，重金屬污染食品的事件屢屢發生，對人體產生了不可忽視的嚴重影響。因此，對食品中的重金屬檢測具有重要意義。在眾多分析檢測方法中，電化學分析法因具有靈敏度高、分析快速等優點已被廣泛應用于重金屬的檢測。而絲網印刷電極因小巧便攜、樣品用量少、成本低、重復性好，在電化學快速分析領域中具有明顯優勢。本文主要介紹了絲網印刷電極及其在食品中重金屬快速檢測方面的應用進展，以期為絲網印刷電極的應用推廣和重金屬的快速檢測提供參考和指導。

1 絲網印刷技術

絲網印刷技術是一項歷史悠久且傳統的實用技術，起源于19世紀末期的中國，屬于一種厚膜技術，主要通過在網架上拉伸纖維或者金屬網，用手工雕刻漆膜或光化學制版的方法制作絲網印刷版［1］。現代絲網印刷技術則利用感光材料通過光刻技術制作絲網印刷版，具有價格低廉、色彩鮮艷、保存周期長、交貨快等優勢，在紡織品、陶瓷、玻璃、地磚裝飾等方面有著廣泛的應用。絲網印刷技術從20世紀50年代開始被廣泛應用于電路板的印刷制造［2］。近年，利用絲網印刷技術制作的絲網印刷電極在電化學傳感器和生物傳感器領域備受關注。

絲網印刷是指用絲網作為版基，通過感光制作方法制成帶有圖形或文字的印版。絲網印刷由絲印版、刮板、油墨、印刷臺以及承印物5部分組成。絲印版的原理是網版圖文部分的網孔可透過油墨，從而形成印跡，而非圖文部分的網孔不能透過油墨。印刷時，將油墨倒入絲印版的一端，用刮刀在油墨部位施加一定壓力，同時向另一端移動，在移動過程中，油墨從圖文部分的網孔中印刷到承印物，形成了與網版相同的圖案。

2 絲網印刷電極

2.1 絲網印刷電極的概念及制作工藝

絲網印刷電極（SPE）是利用絲網印刷技術，將導電油墨逐層印刷在惰性固體平面基體上，用絲網或空心模板制成電極圖案，烘干除去電極油墨中的溶劑后，制成固體電極。在絲網印刷過程中，使用橡皮刀使墨水穿過篩網的開放區域，在基底表面形成所需的設計圖案。然后將絲網與基板分離，留下所需設計中的墨水。隨后，印刷電極在不同狀態下固化，在大約60℃下干燥30~60 min。根據電極的應用需求，可使用不同類型的網格進行打印。選擇的電極尺寸越小，測試時所需的樣品體積越少，絲網印刷電極的性能越好，檢出限就越低。絲網印刷電極通常將工作電極（WE）、參比電極（RE）和對電極（CE）三電極體系集成印制在同一片基底上。圖1是絲網印刷電極的制作和結構示意圖。

圖1 絲網印刷電極的制作（A）及結構（B）示意圖［3］Fig．1 Representation of the screen-printing process for the fabrication of SPE（A）and a SPE design（B）［3］

2.2 絲網印刷電極的制備材料

基底材料和導電油墨的種類、特性會直接影響絲網印刷電極的應用性能［4］。通常用于制造絲網印刷電極的基底材料與樣品溶液接觸時不應產生任何電流響應。基底材料的首選是具有粗糙表面、絕緣性能良好的有機高分子材料或者無機材料。早期絲網印刷電極大多使用無機材料，如玻璃、陶瓷和氧化鋁［5］等。由于這些無機材料質脆且硬、易損壞，與現代電子設備的兼容性差，在應用中有很大的局限性。目前絲網印刷電極主要采用有機高分子材料做基底，如PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）［6］和PC（聚碳酸酯）［7］等。此外，利用紙張、布料等柔性材料作為絲網印刷電極的基底材料已見報道［8-9］。這些柔性材料成本低，具有良好的柔韌性和加工適應性，賦予了絲網印刷電極更廣闊的應用前景。

導電油墨是絲網印刷電極的主要制作材料。油墨的特性（如密度、粘度和表面張力等）是挑選油墨時需考慮的主要因素［10］。油墨中主要含有石墨、碳、金［11］、銀或鉑［12］、金屬氧化物等導電材料，以及粘合劑、溶劑。在各種導電油墨中，應用最廣泛的是銀導電油墨，主要是由于銀的價格比金便宜，但導電性能卻不比金油墨差。為了獲得高質量的電極油墨，以及賦予電極良好的導電性和響應，用于絲網印刷電極制造的粘合劑材料主要為天然樹脂和合成樹脂，如聚苯乙烯［13］、聚氯乙烯［14-15］和聚苯胺［16］等。溶劑可以溶解樹脂，有助于保持墨水的一致性，也會影響油墨與基底的粘附和干燥過程。通常使用具有中等沸點和適宜粘度的有機溶劑，如二氯甲烷［13］、環己酮［17］等。

2.3 絲網印刷電極的修飾材料

2.3.1 碳材料碳元素是自然界分布最廣泛的元素。所以碳材料具有成本低廉、導電性好等優點。用于修飾絲網印刷電極的碳材料包括石墨、石墨烯、碳納米管及其衍生材料。碳納米管（CNTs）具有圓柱狀納米結構，與其他碳的同素異形體相比，其具有特殊的物理化學性質，如強韌性、熱穩定性、優良的導電性和電子傳輸能力［18］。此外，通過對碳納米管表面進行改性處理，可在其表面引入羧基或氨基等活性官能團，增強碳納米管的分散性及其反應活性，如表面的羧基可共價結合和固定葡萄糖氧化酶、過氧化物酶［19-20］和鏈霉親和素等生物標記物。Gao等［21］將葡萄氧化酶（GOx）固定在單壁碳納米管（SWCNT）/氧化還原聚合物納米復合材料上，用于葡萄糖監測，檢出限為0．1 mmol/L。

石墨烯（GR）具有六方晶格結構，是一種二維納米材料，具有非凡的電子轉移能力、高比表面積、良好的導電性和生物相容性［22］。自從被發現以來，石墨烯備受關注，其合成方法包括機械剝離法、化學和電化學還原法。多樣的合成方法使得石墨烯在儲能、電子器件、催化材料、傳感器等領域蓬勃發展。因此，基于石墨烯的新型電化學分析方法具有良好的發展前景。Eissa等［23］通過電化學還原生成的芳基重氮鹽在石墨烯表面形成羧基苯基膜，用于固定卵清蛋白抗體并構建免疫傳感器，對添加卵清蛋白的蛋糕提取物進行研究，檢出限為0．83 pg/mL。

2.3.2 金屬及金屬氧化物納米材料金屬納米材料具有優良的導電性和催化活性［24］，可提高修飾電極的測試靈敏度。目前，應用較為廣泛的是Au、Pt、Ag等貴金屬材料制成的納米材料，其中納米金（AuNPs）被認為是最理想的電極修飾材料。金屬納米材料修飾電極的方法主要有電化學沉積法和滴涂法［25］。Niu等［26］通過電化學沉積法將Pt納米粒子修飾在多壁碳納米管團簇修飾的絲網印刷電極表面，構建了一種測定過氧化氫的電化學傳感器。但是貴金屬價格昂貴、資源稀少。考慮到實驗成本，科研人員試圖尋找一些性能優良的金屬氧化物納米材料替代貴金屬納米材料。四氧化三鐵磁性納米材料（Fe3O4）因具有低成本、環保、易制備等優點而引起了關注。Zhou等［27］研究了Fe3O4-殼聚糖（CHT）納米粒子的形貌和結構，發現Pb2+與Fe3O4-殼聚糖之間存在螯合作用和靜電相互作用，Fe3O4-殼聚糖納米粒子修飾的電極具有良好的穩定性和應用潛力。

2.3.3 生物材料生物傳感器是指用固定化的生物材料作為敏感元件的傳感器。因此，生物傳感器應包含生物元素，主要是酶、蛋白質、DNA或RNA鏈。酶生物傳感器是基于酶的活性位點與目標分析物之間的特異反應進行測定［28-29］。其中，葡萄糖生物傳感器是最早實現商品化和臨床應用的一種酶傳感器，也是成功應用絲網印刷電極的產品之一。由于生物材料的高度專一性，其在精確識別和選擇性分析方面備受關注。?ur?i?等［30］報道了氧化鉍修飾的石墨烯納米帶（GNR）復合材料在絲網印刷電極修飾中的應用，以及所修飾的絲網印刷電極（SPE/GNR/Bi2O3）作為一次性葡萄糖生物傳感器的使用。

2.3.4 聚合物材料殼聚糖（CHT）是一種含有氨基和羥基的天然聚合物，具有優異的粘附性、親水性、反應性能和凝膠形成能力。CHT已被廣泛應用于電化學傳感器和生物傳感器的構建。CHT還能同時吸附金屬離子和各種有機化合物。劉海峰等［31］利用殼聚糖膠體金制作了一種絲網印刷酶電極，在質量濃度為0．08~40 mg/L時，該電極對過氧化氫的響應電流與質量濃度具有較好的線性關系，檢出限為80 μg/L。此外，利用化學聚合反應制備的高分子聚合物因具有單體種類多、便于結構設計與調控、穩定性好等優點，在電極修飾材料中具有重要地位。本課題組以鄰苯二胺為單體，在雙通道絲網印刷電極表面制備了抗壞血酸分子印跡聚合膜，實現了橙汁中抗壞血酸的快速檢測［32］；并通過多巴胺的自聚反應在玻碳電極表面修飾一層聚多巴胺（Polydopamine，PDA）膜，使用方波溶出伏安法測定鉛的檢出限達0．016 5 μg/L，可用于純凈水、加碘鹽中鉛的測定［33］。

3 絲網印刷電極在重金屬中的應用

3.1 重金屬的危害

隨著工業生產的不斷發展，冶煉、電池和電鍍行業產生的重金屬對水源、土壤、空氣等環境的污染愈加嚴重，已成為必須引起重視的環境問題。重金屬離子進入環境后，由于食物鏈的富集作用，導致整個生態系統受到污染，其中砷、汞、鎘、鉛是污染較為嚴重和對人體危害較大的4種重金屬。

汞離子存在于空氣、水體、土壤中，進入人體后主要危害中樞神經系統，抑制磷酸肌激酶，阻斷神經沖動在伸肌中的傳遞，導致神經麻痹。還會破壞血腦屏障，使毛細血管細胞腫脹，腦水腫和腦出血，從而導致腦損傷［34］。世界八大公害事件之一的水俁病就因汞中毒而引起。

湖南鎘大米事件是由于鎘通過工業廢水排入環境后污染了農作物，水稻是典型的“受害作物”。鎘離子能損害消化系統，抑制腸壁堿性磷酸酶和ATP酶活性，導致腹部痙攣。此外，還會直接損害肝功能，引起肝內小動脈痙攣，導致局部缺血，肝臟腫大、黃疸，甚至肝硬化或肝壞死［35］。

鉛離子是環境中最常見的一種污染物，主要來源于電池和涂料等，過量鉛會導致造血系統的損壞，使血紅蛋白濃度降低，影響人體代謝［36］；尤其對神經系統的損害最為嚴重，影響學習記憶能力，造成兒童的智力低下［37］，老人的阿茲海默癥［38］等。

3.2 絲網印刷電極在重金屬快速檢測中的應用

目前，已采用幾種方法檢測低濃度的重金屬，主要包括原子吸收光譜法（AAS）［39］、原子熒光光譜法（AFS）［40］、電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）［41］、電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-AES）［42］、電化學法［43］等。尤其是絲網印刷電極的發明和批量化的工業生產，可以避免常規固體電極的記憶效應和漫長的前處理過程［44-45］，使得電化學方法的分析速度更快、儀器更加微型便攜、測試重現性提升、成本更加低廉。目前，基于絲網印刷電極的電化學傳感分析法已廣泛應用于生物醫藥檢測［46-47］、食品安全［48-49］、環境分析［50-51］等領域。

電化學分析方法中，陽極溶出伏安法是最常用的重金屬離子檢測方法之一，其包括電解富集和溶出兩個步驟。富集是在一定的電位下，使吸附于工作電極表面的待測金屬離子還原成金屬并在電極表面析出，溶出是指在富集過程完成后改變工作電極的電位，通常從負向正電位方向掃描，使電極上富集的金屬發生氧化反應而產生氧化電流。Sullivan等［52］建立了一種商業蘋果汁中砷的檢測方法，該方法采用金納米顆粒對絲網印刷電極進行修飾，在樣品中加入pH 7的磷酸鹽緩沖溶液進行測試，測得砷的檢出限為16．73 μg/L，該方法與石墨爐原子吸收光譜法的測定結果一致。Yao等［53］制作了一種鉍膜和單壁碳納米管修飾的絲網印刷電極，并用于蜂蜜和牛奶樣品中鎘和鉛離子的測定，結果表明，該修飾電極測定鎘和鉛時出現了明顯分離的溶出峰，可同時測定樣品中的鎘和鉛離子。在優化條件下，鎘和鉛離子的檢出限分別為0．2 μg/L和0．4 μg/L。如圖2所示，Wang等［54］采用離子液體（Ionic liquids，IL）和Fe3O4納米粒子修飾絲網印刷電極，電沉積一層鉍膜后，利用微分脈沖伏安法檢測鎘。在優化條件下，鎘的檢出限為0．05 μg/L，該電極用于土壤樣品中鎘的檢測，回收率為91．77%~107．83%。

圖2 Bi/Fe3O4/CHT/ILSPE的制備流程圖［54］Fig．2 Fabrication process of Bi/Fe3O4/CHT/ILSPE［54］

近年來，隨著材料科學的快速發展，絲網印刷電極的制備材料也不斷創新，例如將功能油墨與自動化工藝相結合，成為一個新的有趣的研究領域。Zhao等［55］制備了聚苯胺（PANI）納米線的功能油墨，以PANI、EDTA@PANI/MWCNTs作為電極活性材料制備絲網印刷電極，構建了一種測定重金屬離子的電化學傳感器，檢測銅、鉛、汞離子時表現出良好的電化學性能，其檢出限分別為55．4、22、17．8 pmol/L，并能實現3種離子的同時檢測。眾所周知，利用陽極溶出伏安法測定金屬元素時常采用汞電極作為工作電極，但由于汞的毒性較大，研究者不斷嘗試利用其它電極代替汞電極。其中，鉍基電極由于具有毒性小、背景電流低、穩定性好等特點，已取代汞電極并廣泛應用于重金屬的電分析檢測。鉍基電極的制作一般是通過在電極表面電鍍Bi或者在樣品分析期間添加Bi。研究人員為了提高鉍基電極的性能，利用納米材料領域的最新進展，制作了鉍納米電極（BiNP-SPCE）等。此外，利用濺射技術將Bi濺射在基材上，得到濺射鉍膜電極（BispSPE）［56］，可用于微量金屬的檢測。Tapia等［57］將剝離的鉍懸浮液滴在絲網印刷碳電極的表面，制作了一種新型鉍基絲網印刷碳電極（2DBiexf-SPCE），用于Pb和Cd離子的測定，結果顯示該鉍基電極的測試性能優于BiNP-SPCE和BispSPE。表1列出了絲網印刷電極在部分重金屬離子檢測中的應用。

表1 絲網印刷電極在重金屬離子檢測中的應用Table 1 Applications of SPEs for heavy metal ions detection

4 結語

食品安全是關乎民眾健康的重大民生問題，開發可用于現場分析的快速檢測方法在食品安全和質量保障方面具有重要意義。絲網印刷電極由于具有小巧便攜、樣品用量少、成本低、重復性好等優點，在電化學快速分析領域具有明顯優勢，已經引起了世界范圍內的廣泛關注。目前，將絲網印刷電極應用于食品中重金屬離子的檢測大多處于實驗室的研究階段，進一步加強應用研究，開發像血糖儀一樣的重金屬便攜式檢測裝置具有重要的實際應用價值。近年來，材料科學的發展和絲網印刷技術的提升，促使絲網印刷電極的性能也在不斷提高。隨著互聯網和智能手機的迅速發展，互聯網技術搭配在線監測技術，在未來有可能會實現遠程控制檢測和數據傳輸，建立數據庫，實現食品、土壤、水源等樣品中重金屬離子的實時動態檢測。