Siebgedruckte und Filmelektroden
Siebdruck- und Folienelektroden machen die elektrochemische Detektion für Analysen im Alltag, insbesondere für Point-of-Care-Messungen, sehr interessant. Sowohl die Messgeräte als auch die Elektroden lassen sich miniaturisieren, wodurch sie tragbar werden. Die Ergebnisse sind quantitativ, und bei Massenproduktion wird die Elektronik sehr kostengünstig.
Kommerzielle Biosensoren
Ein Produkt, das für Personen ohne elektrochemische Vorkenntnisse bestimmt ist, muss jedoch auf alle aufwendigen Vorbereitungs- und Reinigungsschritte verzichten, die mit der Wiederverwendung einer Elektrode verbunden sind. Aus diesem Grund haben Einweg-Messsensoren in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Eine mit Teflon beschichtete Goldscheibe ist für einen Einwegsensor zu teuer. Eine andere Gruppe von Elektroden eignet sich besser für diesen Zweck.
Flache Elektroden, die auf eine Oberfläche aufgebracht werden, sind die derzeit gängigen kommerziellen Biosensoren. Diese lassen sich wiederum in zwei Gruppen unterteilen: Folienelektroden und gedruckte Elektroden.
Film-Elektroden
Filmelektroden werden durch Metallabscheidung auf einer Oberfläche hergestellt, die mit einer Art Maske bedeckt ist. Die Maske legt nur die Teile des Metalls frei, die später mit Metall gefüllt werden sollen. Die Metalle werden abgeschieden, indem die Metallquelle in einem Vakuum erhitzt wird, während die maskierte Probe vorhanden ist. Sollen verschiedene Metalle auf demselben Sensor aufgebracht werden, z. B. wenn ein Gold-WE und ein Silber-WE gewünscht werden, müssen verschiedene Masken und Reinigungsverfahren angewandt werden, um sicherzustellen, dass Gold und Silber nicht auf derselben Oberfläche abgeschieden werden. Infolgedessen bestehen die meisten auf diese Weise hergestellten Sensoren aus WE, CE und RE aus demselben Metall.
Der Vorteil dieser Elektroden besteht darin, dass die Masken mittels Fotolithografie hergestellt werden und so sehr kleine Strukturen erzeugt werden können. So lassen sich beispielsweise DNA-Chips mit Dutzenden von Arbeitselektroden auf einer Fläche von 1 mm² oder interdigitale Elektroden herstellen. Interdigitale Elektroden treten immer paarweise auf. Jede Elektrode sieht aus wie ein Kamm und ist so angeordnet, dass sich jeder Zahn zwischen zwei Zähnen der anderen Elektrode befindet. Bei dieser Anordnung zirkulieren Substanzen zwischen den beiden Elektroden, was zu einer Verstärkung des Signals führt.
Die Abbildungen 1, 2 und 3 zeigen einige Beispiele für Folienelektroden.
Siebgedruckte Elektroden
Der Hauptunterschied zu Siebdruckelektroden (SPEs) liegt im Material, aus dem die Elektroden bestehen. Während Folienelektroden aus reinen Metallen hergestellt werden, werden beim Siebdruck Pasten oder Tinten zur Herstellung eines Sensors verwendet. Ein Sieb mit einer Schablone wird über den leeren Träger, beispielsweise eine Polyesterfolie, gelegt, ohne diesen zu berühren. Die Tinte wird auf das Sieb aufgetragen, und eine Rakel wird über das Sieb geführt, um die Paste durch die Schablone zu drücken und gleichzeitig Kontakt zwischen dem Sieb und dem Träger herzustellen. Die Paste verbleibt auf dem Träger. Es folgt ein Trocknungsschritt. Der Trocknungsschritt kann eine Erwärmung beinhalten, insbesondere bei Tinten auf Wasserbasis. Jede Paste erfordert zudem eine eigene Schablone, genau wie bei den Dünnschichtverfahren; da jedoch kein Vakuum erforderlich ist, sind die Kosten für die benötigte Ausrüstung geringer und das Verfahren kann je nach Trocknungsschritt schneller ablaufen.
Die Druckfarben enthalten in der Regel das leitfähige Material, beispielsweise Metallpartikel oder Kohlenstoffverbindungen, einige Dispergiermittel sowie weitere Additive, Polymerbindemittel und Lösungsmittel. Für das Ergebnis sind die Inhaltsstoffe und deren Mischungsverhältnisse von großer Bedeutung. Die Ergebnisse sind in der Regel rauer und weisen eine geringere Leitfähigkeit auf als klassische Elektroden, doch die Herstellung ist kostengünstiger, insbesondere bei der Massenproduktion. Da es einfacher ist, verschiedene Materialien zu verwenden als bei der Herstellung von Folienelektroden, bestehen Siebdruckelektroden häufig aus WE-, RE- und CE-Schichten, die aus unterschiedlichen Pasten hergestellt werden.
Gegenelektroden werden aus Kohlenstoffpasten hergestellt, da diese kostengünstiger sind als Metallpasten. Referenzelektroden können aus Silberpaste in Verbindung mit Silberchlorid hergestellt werden, wodurch eine stabile Referenzelektrode erzielt wird.
Der Stückpreis für eine Folien- oder Siebdruckelektrode sinkt mit der Anzahl der hergestellten Elektroden, da die teuersten Teile die Masken sind, die nur einmal hergestellt werden müssen. Der niedrige Preis ermöglicht es, diese Elektroden als Einweg- oder Einmalelektroden herzustellen. Dadurch entfallen alle Schritte zur Reinigung der Elektrode nach einer Messung, da die Elektrode entsorgt wird. Wenn die Elektrode für eine bestimmte Anwendung vorgesehen ist, können die meisten Vorbereitungen bereits vom Hersteller vorgenommen werden.
All dies ermöglicht die Entwicklung elektrochemischer Anwendungen, die auch von Personen ohne elektrochemische Vorkenntnisse bedient werden können. Das beste Beispiel hierfür ist die Blutzuckermessung, die von Diabetespatienten genutzt wird.
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