Трафаретная печать датчика для измерения глюкозы из пасты на основе терморасширенного графита

Исследованы свойства электрохимического датчика, изготовленного с помощью технологии трафаретной печати графитовой пасты. Основным электропроводящим компонентом пасты является терморасширенный графит. Для подтверждения качества и целостности результатов трафаретной печати электроды исследованы методами оптической и сканирующей электронной микроскопии. Электрохимические измерения (хроноамперометрия и циклическая вольтамперометрия) печатных электродов показали, что характеристики пасты на основе терморасширенного графита аналогичны характеристикам коммерчески доступной графитовой пасты, несмотря на радикально меньшее содержание углерода. Прототип биосенсора, изготовленный в данной работе, характеризуется анизотропной морфологией поверхности, образованной смесью технического углерода с измельченными частицами углерода (терморасширенный и микрокристаллический графит). Данный прототип обладает хорошей линейностью реакции на глюкозу в широком диапазоне  от 1 до 40 мм, проявляя при этом значения токов и чувствительности, сравнимые с коммерчески доступным аналогом.

1. Švancara I, Vytřas K, Kalcher K, Walcarius A, Wang J. Carbon paste electrodes in facts, numbers, and notes: A review on the occasion of the 50-years jubilee of carbon paste in electrochemistry and electroanalysis. Electroanalysis. 2009;21:7-28. DOI: 10.1002/elan.200804340

2. Švancara I, Walcarius A, Kalcher K, Vytřas K. Carbon paste electrodes in the new millennium. Open Chemistry. 2009;7:598-656. DOI: 10.2478/s11532-009-0097-9

3. Renedo OD, Alonso-Lomillo MA, Martínez MJA. Recent developments in the field of screen-printed electrodes and their related applications. Talanta. 2007;73:202-19. DOI: 10.1016/j.talanta.2007.03.050

4. Chu Z, Peng J, Jin W. Advanced nanomaterial inks for screen-printed chemical sensors. Sensors and Actuators, B: Chemical. 2017;243:919-26. DOI: 10.1016/j.snb.2016.12.022

5. Potts SJ, Phillips C, Claypole T, Jewell E. The effect of carbon ink rheology on ink separation mechanisms in screen-printing. Coatings. 2020;10:1-17. DOI: 10.3390/coatings10101008

6. Rao VK, Sharma MK, Pandey P, Sekhar K. Comparison of different carbon ink based screen-printed electrodes towards amperometric immunosensing. World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2006;22: 1135-43. DOI: 10.1007/s11274-006-9154-0

7. Sys M, Khaled E, Metelka R, Vytras K. Electrochemical characterisation of novel screen-printed carbon paste electrodes for voltammetric measurements. Journal of the Serbian Chemical Society. 2017;82:865-77. DOI: 10.2298/JSC170207048S

8. Melios N, Tsouti V, Chatzandroulis S, Tsekenis G. Development of an all-carbon electrochemical biosensor on a flexible substrate for the sensitive detection of glucose. Engineering Proceedings. 2022:4-9. DOI: 10.3390/IECB2022-12273

9. Tang Y, Petropoulos K, Kurth F, Gao H, Migliorelli D, Guenat O, et al. Screen-printed glucose sensors modified with cellulose nanocrystals (CNCs) for Cell Culture Monitoring. Biosensors. 2020;10. DOI: 10.3390/BIOS10090125

10. Mazzaracchio V, Tomei MR, Cacciotti I, Chiodoni A, Novara C, Castellino M, et al. Inside the different types of carbon black as nanomodifiers for screen-printed electrodes. Electrochimica Acta. 2019;317: 673-683. DOI: 10.1016/j.electacta.2019.05.117

11. Kava AA, Henry CS. Exploring carbon particle type and plasma treatment to improve electrochemical properties of stencil-printed carbon electrodes. Talanta. 2021;221:121553. DOI: 10.1016/j.talanta.2020.121553

12. Wang K, Frewin CL, Esrafilzadeh D, Yu C, Wang C, Pancrazio JJ, et al. High‐performance graphene‐fiber‐based neural recording microelectrodes. Advanced Materials. 2019;31:1805867. DOI: 10.1002/adma.201805867

13. Potts S-J, Korochkina T, Holder A, Jewell E, Phillips C, Claypole T. The influence of carbon morphologies and concentrations on the rheology and electrical performance of screen-printed carbon pastes. Journal of Materials Science. 2022;57(4):2650-2666. DOI: 10.1007/s10853-021-06724-1

14. Phillips C, Al-Ahmadi A, Potts SJ, Claypole T, Deganello D. The effect of graphite and carbon black ratios on conductive ink performance. Journal of Materials Science. 2017;52:9520-30. DOI: 10.1007/s10853-017-1114-6

15. Kitova A, Tarasov S, Plekhanova Y, Bykov A, Reshetilov A. Direct bioelectrocatalytic oxidation of glucose by gluconobacter oxydans membrane fractions in PEDOT:PSS/TEG-modified biosensors. Biosensors. 2021; 11:144. DOI: 10.3390/bios11050144

16. Scognamiglio V. Nanotechnology in glucose monitoring: Advances and challenges in the last 10 years. Biosensors and Bioelectronics. 2013;47:12-25. DOI: 10.1016/J.BIOS.2013.02.043

17. Hwang HS, Jeong JW, Kim YA, Chang M. Carbon nanomaterials as versatile platforms for biosensing applications. Micromachines. 2020;11:814. DOI: 10.3390/mi11090814

18. Suresh RR, Lakshmanakumar M, Arockia Jayalatha JBB, Rajan KS, Sethuraman S, Krishnan UM, et al. Fabrication of screen-printed electrodes: opportunities and challenges. Journal of Materials Science. 2021;56:8951-9006. DOI: 10.1007/s10853-020-05499-1

19. Plekhanova Y, Tarasov S, Kitova A, Kolesov V, Kashin V, Sundramoorthy AK, et al. Modification of thermally expanded graphite and its effect on the properties of the amperometric biosensor. 3 Biotech. 2022;12:42. DOI: 10.1007/s13205-021-03107-w

20. Debelak B, Lafdi K. Use of exfoliated graphite filler to enhance polymer physical properties. Carbon. 2007;45:1727-34. DOI: 10.1016/j.carbon.2007.05.010

21. Hatala M, Gemeiner P, Hvojnik M, Mikula M. The effect of the ink composition on the performance of carbon-based conductive screen printing inks. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 1234;30:1034-44. DOI: 10.1007/s10854-018-0372-7

22. Griaznova MI, Lugvishchuk DS, Gryaznov KO, Mitberg EB, Karaeva AR, Mordkovich VZ. Electroconductive paste based on thermally expanded graphite for screen printed electrodes of medical applications. Nanobiotechnology Reports. 2022;17:500-6. DOI: 10.1134/S2635167622040115