18.1  简介

传感技术已成为一项重要而普遍的技术，在人们的生活中无处不在^[1]。传感技术通过允许人们以日益复杂的方式对与环境相互作用的实时信息进行收集来驱动数字化时代。例如，在过去几十年里，在医疗诊断领域里有大量的传感器已开发并且实现商业化。这已开创的系统，如各种分析血的分析仪（i-STAT®）和血糖生物传感器（MediSense ExacTech®）^[2]。这种传感器商业化的趋势将继续作为新技术来发展，它可以满足一些领域传感器市场的需求，例如护理点（POC）医疗诊断、现场环境监测、国土安全和智能食物的包装。化学传感器技术也将通过附加的新兴应用领域来发展，因为社会需要人们增加与环境相关的知识并希望得到获取和处理信息的新途径。

在相关文献中有许多关于化学传感器的分类和定义。一个广泛的定义（IU-PAC^[3]）给出如下：

“化学传感器是一种仪器设备，它将化学信息和从一个特定样品组分的浓度到总的组合物分析转化成有用的信号。上面提到的化学信息可能源于化学反应的分析物或由系统影响的一个物理性能。”

这个定义是包罗万象的，因此没有规定的一些附加属性/异议。对于传感器技术，这些定义已经发展成为内在关联，例如，小型化、测量的实时信息、在日益复杂的环境中感测和低成本的制造。这些只是由传感器终端用户对于该技术的一些要求，而研究界必须解决问题。通过不同的学科和采用新技术如纳米技术正像空方法来开发衔接，使研究界实现新的快速发展，得到尖端的检测平台。

传统上，传感器根据所采用的传导方法来分类，如光学、热学、电磁、机械和电化学。其中，作为一个用于获得实时信息的强有力工具的电化学传导方法已经被成功地展示。对于电活性物质它具有天生的敏感和选择性，同时也具有快速、准确、体积小巧、携带方便又便宜等优势。在分散的临床分析领域，这种能力已经取得了显著影响。证明这种能力的最知名的商业例子可能包括POC检测系统、便携式临床血液分析装置与血糖生物传感器（见图18.1）。i-STAT是第一个商用便携式临床血液分析仪，由一个手持式的分析仪和用于测量不同面板的电解质、代谢产物、血气和血中血细胞比容的一次性使用的盒组成^[4]。血糖生物传感器监测血液中的血糖水平，通过将打印电化学生物传感器带与电子仪表一起使用。这两个POC测试系统的商业化已经被证明是非常成功的。例如，血糖检测市场的价值估计每年至少达到50亿美元。最近在2004年收购TheraSense公司的大公司雅培价值12亿美元^[2]。这样的数字仅仅只是证明电化学传感器技术潜在经济价值的开始。

图18.1 打印Life Scan公司的血糖生物传感器示意图，图中给出了各丝网印制的功能层，包括电流分析法的生物传感器和组装带

从广义上来说，电化学传感器基于三种传导机制的类别之一：电流（或伏安）、电位和电导。电化学传感器是以所涉及的化学或生物传感过程的电活性物质的检测为基础的。信号传导过程是通过控制相对于参考电极（银/氯化银）和监测作为时间函数的电流的固定值的工作电极的电位来实现的，所施加的电位作为电活性物质电子转移反应的驱动力，由此导致的电流是对电子转移反应速度的直接测量。它反映了需要识别事物的速率，同时它与靶分析物的浓度是成比例的。在电位传感器中，分析信息是通过将识别过程变成电位信号来获得的，而这种电位信号是与物质的产生或在感测过程中消耗的浓度（活性）的对数成比例的。这种装置依赖于离子选择性电极（用于获得潜在信号）的使用。被放置在一个工作电极前端的选择性渗透离子导电膜被设计来产生一个潜在的信号，而这种信号主要是由于目标离子而产生的。电导传感器测量的简单电阻/电导率定量地作为其信号变化和一个检测气敏的共模。在许多教科书和参考书中可以看到电化学传导技术的详细理论研讨^[1，5-7]。

采用先进设备、最先进的打印技术来生产这些类型的传感器是一个令人兴奋的概念，因为它具有可以解决制造业中低成本问题的独特能力。事实上，一个子集的（喷墨）打印传感器的打印电子产品已经开始成功产生。打印电子领域拥有最近催生出来的大量新的初创公司和项目，而这些项目就是各大跨国公司生产打印太阳能电池板、显示屏和射频识别（RFID）标签。虽然打印传感器的商业成功已经达到一个很高的水平，它已经几乎完全占领血糖市场。然而，打印传感器的相关文献表明，更有趣、更多样化的研究和概念验证的工作正在发生在不同传感平台的应用上，而这些应用领域是诸如医疗和环境诊断之类。

使用打印技术的传感器的制造是一个新兴的研究与发展领域，希望它能够按照商业道路来发展，而这一商业道路是通过丝网印制的血糖生物传感器，甚至其他打印电子产品来铺平的。本章将详细地介绍美国当前最先进的打印电化学传感器和它是否适合大规模生产。具体而言，对用于电化学传感器及其部件的喷墨打印工艺和材料进行了讨论。