在导电聚合物的合成和制备中，对纳米尺寸控制的改进已经成功地克服 了加工性问题。在这些纳米颗粒分散体中应该存在很少或没有苯胺单体。 稳定的纳米分散体具有与真正的溶液无法区别的外观，并且更重要的是可 以被类似地处理和应用(Li等，2005)。另外，导电性聚合物材料改进的性 能在纳米尺寸变得明显，例如较高的导电性和更快速，离散的，电化学转 换过程，可以直接应用于电极装置的性能。
导电聚合物的纳米颗粒提供了克服溶解性后沉积问题的路径。一旦被印 刷于合适的基体上，纳米颗粒就粘附于该表面，并且使其不溶解于温和介 质中。相反，在掺杂聚苯胺的情况下，水溶性蛋白质结合入导电聚合物膜 (通过印刷，或其他方式)，将结合到聚合物上并且不容易分开或者溶解 于缓冲液中。纳米颗粒不仅克服了至关重要的加工性问题，与它们的溶解 性配对物相比，它们表现出如上所述的很多其它的优点，包括较高的导电 性和更快速的电化学转换过程。
通过喷墨印刷使用导电聚合物纳米颗粒能够实现感应装置的桌面生产 体系的实用路线。下面使用纳米颗粒形式聚苯胺对其进行了证实。使用常 规桌面Epson压电印刷机以及电脑控制软件PowerpointTM将聚苯胺纳米颗 粒超薄膜在丝网印刷的电极上成图。该膜是使用电化学和物理技术表征的 并且被证明在生物感应中可有效应用。
喷墨印刷可以用不同的油墨喷出技术进行，其中最常使用的是压电和热 技术。热和压电致动装置完成了从喷墨印刷头毛细喷嘴的微微升(pl)尺寸 的液滴分配。在热墨盒中，印刷头被安装于油墨墨盒中。印刷头包括与电 阻加热器元件相连的具有几个油墨喷出孔的喷嘴板并且与油墨储存池相接 触放置。当每一个单个的加热器元件被致动的时候，热量快速转移到位于 喷嘴内的一小部分油墨引起了蒸发，产生了导致液滴形成的溶解的气泡。 在压电致动器中，油墨墨盒是可以从印刷头上分开的。在施加电场的时候， 印刷头中的晶体材料经历了机械压力。这些被限制在喷嘴中的晶体的非常 小的收缩或膨胀，使得油墨的可用空间减少，这就增加了压力并且引起了 液滴喷出。在压电和热技术中液滴尺寸都根据所施加的温度梯度、频率、 和油墨粘度而改变。
实施例1-聚苯胺纳米颗粒的合成
材料：
苯胺购自Aldrich(13，293-4)，其经真空蒸馏并且在氮气氛围中冷冻储存。 过硫酸铵(APS)，蒸馏的苯胺，十二烷基苯磺酸(DBSA)和十二烷基磺酸钠 (SDS)。
方法：
应用了由Huang，& Kaner(2006)所描述的快速混合方法的改进方法。将 1.632g DBSA溶解于16.75ml水中(0.25M DBSA)。将0.0032mol苯胺 (0.2982g)和0.0008mol APS(0.1826g)分别溶解于10ml 0.25M DBSA中。 在小瓶中将两种溶液混合在一起。持续搅拌2.5hr。在聚合以后，将20ml0.05 M SDS加入到该聚合物分散体中。以4400rpm离心该溶液30分钟。倾倒 出上层清液并且将其放入渗析袋中。用0.05M SDS(400ml x 2)将其渗析42 个小时，其中每18个小时改变SDS溶液。注意：渗析是通过半渗透膜将小 溶质颗粒从胶体颗粒中分离出来。使用中止点为12,000分子量的渗析膜(如 在该例中)，随着时间的流逝，分子量低于此的所有物种都能够被迁移出 来。因此，在渗析了42小时以后，未反应的苯胺单体(分子量为93.13) 将被完全迁移出来。
在聚合反应开始的时候，引发剂分子(过硫酸铵(APS))通过引起邻近 的苯胺单体快速聚合形成纳米颗粒。如果引发剂分子被均匀地分布(在该实 施例中通过快速混合)，它们将被非常快地消耗。因此由于缺乏可用的反应 物，聚苯胺的二级生长是非常有限的。进行Huang & Kaner(2006)的技术导 致了纳米微束的形成。然而，在微束和掺杂剂十二烷基苯磺酸(DBSA)的存 在下进行该程序，由于微束疏水芯中所发生的反应有可能使这些颗粒稳定， 形成了直径分布在10-50nm或者20-80nm的球形纳米颗粒。
图A是实施例1中所描述的在DBSA微束体系中合成的聚苯胺纳米颗 粒的图示。
实施例2，3 & 4所用的材料
聚苯胺纳米颗粒是如实施例1所描述的那样合成的。辣根过氧化酶 (HRP，232-668-6)购自Biozyme Laboratories(South Wales，UK)。30％(v/v)过 氧化氢溶液购自Merck。聚乙烯基磺酸盐(PVS，27，842-4)购自Aldrich。银/ 氯化银(Ag/AgCl)参考电极购自Bioanalytical Systems Ltd.(Cheshire，UK)。 铂网孔辅助电极(29，809-3)购自Aldrich。Gwent(C10903D14)碳糊油墨购 自Gwent Electronic Materials Ltd.(Gwent，UK)。PF-410S银油墨 和 452 SS BLUE绝缘油墨购自Acheson。聚对苯二甲酸乙二醇 酯(PET)基体购自HiFi Industrial Film Ltd(Dublin，Ireland)。氧化铟锡溅射 的PET购自CPfilms。
除了另有陈述，所有的电化学测量都是在pH为6.8的磷酸盐缓冲液 (PBS)(0.1mol dm-3磷酸盐，0.137mol dm-3NaCl和2.7mmol dm-3KCl)中进 行的。
实施例2，3 & 4的使用仪器
喷墨印刷体系是Epson Stylus C45印刷机。电路片恢复单元购自 www.9to6.ie。所有的电化学视听记录都是利用循环伏安法或者使用基于时 间的安培计模式，用带有CH1000软件的CH1000恒电位器进行的。DEK 248 丝网印刷机被用于制备碳糊和交叉排列电极。
实施例2-用于喷墨印刷的基体，包括电极基体
实施例2A-丝网印刷的电极是根据Grennan等(2001)使用DEK 248 内部生产的。简要地说，将电极丝网印刷到预收缩的聚对苯二甲酸乙二醇 酯(PET)基体上。对于碳糊电极：开始沉积银层作为导电通道。沉积Gwent 碳糊油墨(C10903D14)层作为工作电极。最后，沉积绝缘层来消除串馈并且 限定工作电极区域(9mm2)。
实施例2B：丝网印刷的电极是根据Grennan等(2001)使用DEK 248内 部生产的。对于交叉排列(IDA)电极：将银层作为电极层丝网印刷到预收 缩的PET基体上。经测量所形成的电极从顶到底30mm并且横跨基体 24mm。使用了多种间距尺寸，但是最常用的是数字宽度为200μm并且间 隔为1000或1500μm的IDA。这些维度是沿着电极的底部印刷的(即，对 于数字为200μm并且间隔为1500μm的IDA，200 x 1500)。200 x 1000和 200 x 1500的IDA在经测量约20 x 20mm的活性区域中分别具有17和12 的总数字数。
实施例2C：氧化铟锡溅射的PET
实施例2D：裸露的PET
实施例2E：金溅射的PET
实施例3-纳米颗粒的喷墨印刷
将与Epson C45兼容的Epson印刷墨盒(T036和T037)切开并且耗尽油 墨并且取出内部的海绵体。用去离子水将印刷墨盒的所有色槽(黑色，青 色，红紫色和黄色)彻底洗净。然后使用电路片恢复元件将墨盒上的电路 片恢复以至于印刷机能够完全读出该墨盒。然后将聚苯胺纳米颗粒分散体 (实施例1)倒入该墨盒中，例如，黄色色槽中。其它所有槽中都装满去离 子水。
使用来画彩色圆圈(直径为3mm)。在普通的印刷纸(210mm x 210mm)上以颜色，例如黄色来印刷该图案。然后将丝网印刷的电极附着 到印刷页上，其中圈与电极区域对准。然后从该印刷机中取出 颜料盒将其与填充了聚苯胺的墨盒放在一起。然后，使用印刷机所设置的 ′Best Photo′模式在丝网印刷的电极上印刷需要次数的聚苯胺。
实施例4-试验程序
实施例4A-氨感应(水相)
如Killard等，2001所描述的那样，将用聚苯胺纳米颗粒(根据实施例 1合成的)改性的电极结合到贯流元件结构中。相对于Ag/AgCl施加了-400 mV的电势。在达到稳定状态以后，氯化铵以变化的浓度以400μlmm-1的 流动速率通过该传感器20s并且监控电流输出量。
实施例4B-氨感应(气相)
将具有聚苯胺纳米颗粒(根据实施例1合成的)的相互交叉电极结合到 气体罐中用于顶部空间分析。如参考方法那样应用Impulse XP(Honeywell Analytics)氨传感器。将氨水逐滴引入到腔室中。聚苯胺相互交叉电极是以 2电极构型连接的并且应用循环伏安法(在+0.1V至-0.1V分析期间以 0.2Vs-1循环)。在+0.1V和-0.1V对电流取样并且相对时间画图，产生i-t 图。
实施例4C-过氧化氢感应
如Killard等，2001所描述的那样，将用聚苯胺纳米颗粒(根据实施例 1合成的)改性的电极结合到间歇式元件结构中。施加了相对于Ag/AgCl为 -100mV的电势。在达到稳定状态以后，将大量H2O2(8mM)添加物加入到 元件中，并且监控电流输出量。
实施例4D-生物感应
如Killard等，2001所描述的那样，将用聚苯胺纳米颗粒(根据实施例 1合成的)改性的电极结合到贯流元件结构中。施加了相对于Ag/AgCl为 -100mV的电势。在达到稳定状态以后，使辣根过氧化酶(HRP)以5—0.01μg ml-1的变化浓度以400μl min-1的流动速率通过该传感器20s并且监控电流 输出量。
结果及讨论
颗粒(在实施例1中合成的)在水性分散体中的特性
聚苯胺纳米颗粒分散体(实施例1)的临界性质是在浓缩溶液中的粒径 尺寸。使用动态光散射根据图1a & b所示的尺寸分布来确定粒径尺寸。这 表明分散体中粒径尺寸在10-50nm或20-80nm的范围内。可能存在这样 的情况，例如物理条件例如温度或微小的试验变化从而导致两种截然不同 的尺寸范围。除这些可能性以外，还不知道为什么存在粒径大小的变化。 从印刷的角度，典型的颜料粒径尺寸为100-400nm(Magdassi & Ben Mo She， 2003)，这可以使用喷嘴直径为大约30-60μm(Le，1998)的喷墨印刷机印刷。 因此，聚苯胺纳米颗粒的粒径应该至少与典型的颜料粒径尺寸的数量级相 同或者甚至更小。由于聚合物聚集的效应，大于1000nm的粒径由于可能 阻塞印刷头而被认为是不合适的。
聚苯胺纳米颗粒的透射电子显微镜(TEM)图显示了所使用的乳液聚合 方法导致了球形颗粒的形成。将聚苯胺纳米颗粒作像于碳片上，其中经测 量这些颗粒为30-80nm(图2)。
聚苯胺纳米颗粒的喷墨印刷(描述于实施例3的方法论)
使用利用压电技术的桌面Epson印刷机来印刷聚苯胺纳米颗粒(按照实 施例1合成的)。与热敏印刷机例如Hewlett Packard印刷机不同，不需要热 来形成液滴。热敏印刷使用在约300℃温度的热冲击。虽然这些冲击的闪光 时间仅仅为2μs，但是这样的高温能够引发印刷材料的热降解。压电技术 不使用热，并且不能以任何形式使该材料降解。相对于热敏印刷，另外一 个重要的优点是更柔软的油墨配方和基体可以使用于压电技术中。
聚苯胺纳米颗粒(2.3％w/v)的印刷是如本文中所描述的(实施例3)那 样使用Epson Desktop C45印刷机进行的。为了使用喷墨印刷技术使分散体 形成图案，分散体中的粒径尺寸必须比喷墨印刷头小几个数量级以防止阻 塞和封锁喷嘴。据报道Epson压电印刷头的喷嘴直径为30μm。根据粒径分 布分析(PSD)在该研究中所使用的聚苯胺纳米颗粒被证实具有在1nm— 100nm范围内的直径，例如10—50nm，20—80nm，以及30—80nm，因此 能够容易地用Epson印刷机印刷。另外，如果纳米颗粒在印刷头中发生任 何聚集，则该纳米颗粒分散体含有帮助防止喷嘴阻塞的表面活性剂SDS和 DBSA。作为表面活性剂存在于水性分散体中的DBSA和SDS将用来降低 该分散体的表面能。在不希望受到理论约束的同时，认为分散体表面能的 降低有助于压电印刷以及在沉积油墨来形成均相膜的时候有助于油墨扩散 于基体上。
所开发的纳米颗粒分散体的主要优点是尽管是从水性分散体中沉积出 来的，但它们不溶解于水性介质中。这导致环境友好的、容易的方法来沉 积能够为溶剂敏感性应用例如生物或免疫感应所使用的薄膜。然而，已经 证实虽然该沉积膜是不溶解的，但是该膜在所有基体上都不稳定。两种导 电性的柔性基体被用于印刷纳米颗粒—氧化铟锡(ITO)(实施例2C)和丝 网印刷电极(实施例2A)。ITO-溅射的塑料具有光滑的形态并且虽然纳米颗 粒很好地粘附于基体，但是在水性介质中这些薄膜剥离开。这被认为是由 于ITO表面性能与薄膜中剩余表面活性剂的结合。已经显示在浸入水性缓 冲液之前用乙醇轻轻地冲洗ITO改性薄膜时，剩下的薄膜粘附于该表面。 然而，该方法削弱了掺杂聚苯胺薄膜的质量，并且因此而表现出较差的电 化学性。丝网印刷的碳电极也被作为基体进行研究。丝网印刷的电极的表 面非常粗糙并且被显示对于印刷纳米颗粒是理想的。纳米颗粒粘附于电极 表面，并且被显示在水性介质中是稳定的。
应该注意到虽然本研究是使用聚苯胺纳米颗粒的喷墨印刷膜示范的，但 是纳米颗粒本身可以以很多方式沉积，例如，但不限于，电化学沉积，滴 涂，旋转涂布，喷墨和丝网印刷以及辊—辊印刷。
物理特性
使用了表面光度测定法检测了薄膜形态和厚度(图3)。喷墨印刷膜的表 面表现的非常粗糙，并且由颗粒集结构成，其中在薄膜形成的时候纳米颗 粒连续沉积其上。将PET(实施例2D)基体上的喷墨印刷膜(根据实施例 3生产的)与由5μl分散体滴涂形成的膜相对比。喷墨印刷的膜在性质上 显示出高均匀性(图3a)。对于48印迹薄膜厚度经测量为2.5μm。滴涂膜 导致“圆环形的”非均相膜(图3b)。薄膜的周边具有22微米的厚度而薄膜 的中心比周边薄10倍(2.2微米)。因此这种沉积于水性介质的方式更加 不容易控制。另外，它们显示更加均匀。图3a显示了在裸露PET上的喷 墨印刷膜的3-D轮廓测定图。
使用原子力显微镜方法(AFM)来研究所形成的喷墨印刷聚苯胺纳米 颗粒膜的纳米结构。由于碳糊表面(实施例2A)被证实具有太粗糙的表面 以至于不能看到纳米颗粒，使用了金聚酯膜作为基体(实施例2E)。图4a显 示了对于1微米的扫描尺寸区域，裸露的金和用单印刷纳米颗粒(图4b) 改性的金基体的形态。可以观察到纳米颗粒覆盖了金膜的基底。图4c显示 了使用10印迹印刷的薄膜。在这种情况下节结的尺寸大的多，这可能是因 为在较厚膜中干燥时增加的聚集。还进行了断面分析。测量了不同薄膜中 单个纳米颗粒的尺寸。这些颗粒的最大宽度对于5印迹为约66nm对于10 印迹为133nm。这些粒径大小比通过PSD分析所测量的大，这归因于在干 燥(即，除去溶剂)时纳米颗粒的聚集以及增加的结块。AFM尖端变形也 是原因之一。
喷墨印刷膜的电化学
在HCl(1M)中对碳糊丝网印刷电极(实施例2A)上的喷墨印刷聚苯胺 膜(实施例3)进行了循环伏安法(CV)研究(图5a)。该薄膜的电化学性显示 为清晰的并且稳定的，含有两组主要的可逆峰。增加电势的变化速率引起 了电极表面电解速度增加并且导致了增加的峰值电流。使用单个聚苯胺改 性电极，将扫描速率从25mV s-1改变到500mV s-1并且研究峰值电流与 扫描速率之间的关系(图5b)。峰值电流与扫描速率之间的线性关系与经历 非扩散Nernstian反应而吸附了电活性物种的薄膜的相一致。该研究还证明 了丝网印刷碳糊电极表面上的薄膜的稳定性水平。
所有的桌面印刷机使用单向印刷，其中印刷头和墨盒在线记录操作中横 向来回运动并且在金属杆的x方向后退，根据与其相连的计算机程序从喷 嘴中喷出油墨。基体在移动的印刷头下面以限定的速率送出并且吸纳正在 被印刷的油墨。使用单向印刷方法，观察到纳米颗粒由线构成，而不是填 满的均匀的圆圈，为了克服这个问题，使用了双向印刷方法，其中对于每 一个交替的印刷基体都被旋转了90°。这导致在电极表面的x和y方向高得 多的覆盖。
对于以单向和双向印刷的多层膜产生了循环伏安图(图6a)。制备了五 种薄膜中的每一种并且这些数据显示了单向和双向印刷在CV中没有全面 差异。对于大量印迹(图6b)％RSD值都是由峰I获得的。其显示了当薄膜 由20或更多印迹组成的时候，双向印刷比单向印刷的每一个印迹的％RSD 都明显较低，可能是由于改进的均匀度。结果是，所有其它的印刷都是以 双向模式进行的。
对两种膜进行了电化学，并且显示了关于峰值电势有可比性。然而喷墨 印刷膜在低于400mV的电势具有更加清楚的CV。尽管喷墨印刷膜比滴涂 膜的主体区域薄10倍，但是两种膜的峰值电流几乎是相同大小。这允许我 们评估每一个喷墨印迹所沉积的油墨体积。假设以相等的体积将2.5μl在薄 膜中形成50个印迹。这意味着每一个印迹沉积了50nl(图7)。
导电性
使用不同比率的苯胺、氧化剂和掺杂剂来合成(按照实施例1的方法论， 然而物质的比率被改变)并且使用四点探针方法对每一种浇注聚合物膜(滴 涂于PET基体上，实施例2D)进行导电性测量(表1)。所使用的APS 的比例越高，则所获得的导电性越高，其对于合成过程中的氧化过程有利。 较高的DBSA比例导致了较低的导电性，这是因为该表面活性剂的绝缘效 应。将导电物质例如金纳米颗粒或者单壁碳纳米管(SWNT)结合到聚苯胺分 散体中将有助于抵消DBSA的绝缘效应并且提高整体的导电性。
表1
  配方 导电率 1.00：0.25：1.60苯胺：APS：DBSA (实施例1) 1.00：0.5：1.6苯胺：APS：DBSA 1.00：1.0：1.6苯胺：APS：DBSA 1.00：0.5：1.6苯胺：APS：DBSA 0.8±0.1 2.2±0.2 32.8±7.4 4.3±0.6
聚苯胺纳米分散体的导电性测量(n＝3)
备注：使用不同比率的苯胺：APS：DBSA(不同于实施例1)所合成的纳米颗粒分散体都 被证实可以用于喷墨印刷，然而所形成的纳米颗粒的尺寸可以改变，但是所有的都在“可 以喷墨印刷”的范围内，即，低于1000nm。
表面张力和流变学研究
对表1中每一种聚苯胺纳米分散体的表面张力都进行了测量并且与如 图2所示的那样与Epson T038黑色油墨相比较。所有的分散体都表现出适 合于喷墨印刷范围内的表面张力(20-70dyne cm-1)，尽管所有的都略微低于 市售Epson ink(T038)的表面张力。
表2聚苯胺纳米分散体和市售Epson T038油墨的表面张力数据
  配方 表面张力(dyne cm-1) 1.00：0.25：1.60苯胺：APS：DBSA (实施例1) 1.00：0.50：1.60苯胺：APS：DBSA 1.00：1.00：1.60苯胺：APS：DBSA 1.00：0.50：1.60苯胺：APS：DBSA Epson黑色油墨(T038) 27±0.1 27±0.0 29±0.1 28±0.1 30±0.1
对所有的聚苯胺纳米分散体(包括根据实施例1合成的那些)以及Epson T038油墨进行了流变学研究并且结果显示于图8中。在高剪切速率(>500 s-1)，聚苯胺纳米颗粒分散体与Epson T038油墨是可比的并且表现为牛顿流 体。在压电印刷头喷嘴中需要高剪切速率(500-105s-1[13，14])。在较低的剪 切速率，Epson T038本质上表现为非牛顿流体，表现出理想油墨性能的剪 切变稀。聚苯胺油墨与牛顿流体略有不同，在低剪切速率下显示了适度较 高的粘度。此外，所有聚苯胺纳米颗粒的粘度都在喷墨印刷的合适范围 (0.5-40mPas)，尽管在应用低于500s-1的剪切速率的时候，其比Epson T038 油墨的粘度低的相当多。
将喷墨形成图案的薄膜应用于氨感应应用中(实施例4A & B)
导电聚合物，特别是，聚苯胺开始是作为氨的优异感应材料出现的。该 聚合物被认为是由氨去质子化了的，这导致了导电性上可以测量的变化。 将喷墨印刷膜作为用于检测氨离子的电势感应平台进行检测。来自雨和雪 的氨水，其氨离子平衡。其被频繁地用于制冷体系并且为了有效的制冷以 及为了人员安全需要而被监控。含有氨的化学肥料能够促进浮游生物的生 长并且对鱼类是有害的。为了防止水污染，监控氨离子的含量是非常重要 的。此外，已经发现在过去的10年中，在生物传感器中对氨离子测量成增 长状态，这是因为氨离子在很多酶反应中都是代谢产物。例如，通过尿素 的代谢以及尿素酶的酶反应可以生产氨和重碳酸盐离子。因此，通过感应 尿素的代谢产物，即，氨离子就可以监测尿素。表3中给出了氨感应的其 它应用。
当暴露于氨的时候，聚苯胺主链被去质子化。同样，特定的胺例如二乙 基胺、三甲基胺和四乙基胺与聚苯胺相结合，尽管它们之间的相互作用将 部分受到胺上的氮的取代基的影响。
表3.在不同的应用领域中对氨分析设备的要求

可处理的丝网印刷碳糊电极平台(实施例2A)上的聚苯胺喷墨印刷膜 (实施例3)提供了生产氨传感器的可行路线。它们可以以非常低的成本大 量生产并且提供了与市售的基于金属氧化物的传感器具有可比性的检测限 度和线性范围。图9a & b是使用贯流注射设备(实施例4A)喷墨印刷聚苯胺 膜(沉积于碳糊丝网印刷电极平台上，实施例2A)对溶液中的氨离子的电 流响应。使用400μl min-1的流速，在高氨浓度(50ppm)时，响应时间大约 350s。在较低氨浓度时，响应时间降低到约150s。进一步优化，这些响 应时间能够被进一步降低。流速决定了在贯流电解池中建立稳定状态的速 度。相对湿度也可能影响响应时间，这些试验没有对此进行研究。
图10a显示了碳糊丝网印刷电极上的喷墨印刷聚苯胺纳米颗粒膜对 0-85ppm的氨离子的电流响应。电势被保持在相对Ag/AgCl-0.4V。所使 用的缓冲液是磷酸盐缓冲液(0.1M，pH 6.6)。图10b & c显示了在此范围内 NH4+的两种线性范围(0-5.3ppm和10-85ppm)。
喷墨印刷的聚苯胺膜还可以用来探测气相中的氨(实施例4B)。在这种 情况下，基体/电极具有交叉排列(IDA)的形式；使用银油墨丝网印刷(参见 实施例2B)。聚苯胺纳米颗粒膜是如实施例3中描述的那样喷墨印刷的。 一旦印刷，这些聚苯胺纳米颗粒改性的IDA就在75℃下被热固化30分钟。 可以应用各种构型和尺寸的IDA，图11显示了其上喷墨印刷了25层聚苯 胺纳米颗粒膜的银IDA电极的实例(在该实例中尺寸为25 x 14mm)。在下 文中，该构型将被称为PANI-IDA电极。PANI-IDA电极使用于2-电极电 池构型中(即，阳极和阴极)。在特定的电势，通过电极间的电流取决于薄膜 的导电性。
在电极间施加固定的电势，在普通大气条件下导致导电性的逐渐降低 直到成为非导电形式，这可能是由于聚合物的氧化状态改变。该效应可以 通过向电极施加波形来抵消(即如在循环伏安法中所应用的锯齿)。图12 显示了改变电势所获得的电流响应。该图的斜率(与薄膜的导电性相关) 不依赖于扫描速率。锯齿图导致了电势和电流之间的线性关系-意味着遵循 欧姆定律。与应用固定电势的情况不同，PANI-IDA在长时间内显示了稳定 性能。
图13显示了当暴露于氨气的时候PANI-IDA电极的响应。图13a显示 了电流-电势原始数据图，而图13b显示了在指示的电势下采集电流的时候 所获得的电流—时间响应。开始，在大气条件下，获得了稳定的欧姆图。 当暴露于氨的时候，聚苯胺的导电性快速降低-如在图13a中下降的斜率以 及图13b中采样电流的下降所证实的那样。一旦除去氨气，电极就缓慢复 原。
图14中给出了环境温度对电极响应的影响。可见对于PANI-IDA，测 量的电流与20-120℃范围内的温度显示了正相关系数-这意味着聚苯胺纳米 颗粒的内在导电率随着温度增加而增加。从图14a可以看出，对高达约120℃ 的温度，电极在短时间显示出优良的热稳定性。当温度下降，测量的电流 回到底时该效应是可逆的。在高于140℃的温度，由于聚苯胺经历了热降解 观察到了测量电流的可逆下降。导电率的下降随着温度增加而加速。
图15中给出了温度暴露的长期效应。在这种情况下，使PANI-IDA经 过多于7天的75℃暴露。从烘箱中取出PANI-IDA并且在进行测量前将其 冷却到室温。第一天，在加热前后观察到了测量电流的急剧增加。已发现， 对于新制备的PANI-IDAs，暴露于75℃ 30分钟将导致测量电流的显著增加， 在该实施例中36％(通常25-50％)。如前面所注意到的，这是作为固化方 法，在进行PANI-IDA制备以后应用的。在过了几天后，观察到测量电流 逐渐下降-尽管PANI-IDA在此之后保留其功能。在室温下储存的 PANI-IDAs显示了类似的趋势，虽然在更长的时间内并且保持功能6个月 及更长。
已经观察到电极的响应时间非常快。图16a显示了当暴露于0.25％氨水 溶液的蒸汽(～60ppm)时，25层喷墨印刷的PANI-IDA电极所获得的响应。 根据四次重复试验，可以看出传感器的T50(达到最终体积50％所需要的时 间)和T90(达到最终体积90％所需要的时间)很好地落在Instrument Society of America所要求的90s反应的范围内。在图13中，可以注意到传 感器没有快速恢复。为此研究了改进传感器恢复的大量不同方法。在图16b 中，不同技术的结果与大气中的常态恢复一起存在。到目前为止，发现最 佳的恢复方法是通过加热枪在电极上应用加热的空气流。加热的空气可以 被应用到传感器上面。作为选择，加热的空气可以被直接应用到传感器。 可以看出在除去加热枪之后回到起始状态之前在施加热时所测量的电流超 过翻倍-这与图14所示的数据相一致。通过这种方法，可以达到<90s的恢 复时间。应该注意到烘箱加热具有类似效果-电极响应快速恢复。
图17显示了在25喷墨层PANI-IDA上进行的顶部空间分析的结果。 在该研究中，该PANI-IDA被放置于具有市售氨传感器(Impulse XP， Honeywell Analytics)的气罐中。当气罐中的氨浓度建立起来的时候，注意到 了PANI-IDA和Impulse XP的响应。图17的插图显示了在氨浓度增加时， PANI-IDA记录的电流下降。主图显示了当相对于氨浓度的对数对测量的 和起始电流之差(9.23μA，在这种情况下)作图的时候，所获得的结果。起始 电流I0是在不存在氨的情况下测量的值。在较大浓度时随着偏差的增加， 获得了准线性反应。从0到15ppm氨观察到的测量电流的巨大下降(9.23到 1.23μA)暗含着该水平以下的浓度应该是能够观测到的。
喷墨形成图案的膜在过氧化氢感应体系中的应用(根据实施例4C的方法)
在很多领域中精确的感应过氧化氢也是很重要的。其在很多工业应用 中都被用作氧化、漂白和消毒剂。其在原子能发电站是废品。印刷电路板 (PCB)制造工业对多种生产方法，例如用于多层PCBs通孔电镀板的生产(黑 洞方法)，应用基于硫酸的蚀刻池。在大多数情况下，蚀刻池都是由约25g/l 的过氧化氢成分构成。具体地，过氧化氢的浓度对于产品的质量是决定性 的，并且应该尽可能地保持恒定。根据被加工板的数量，蚀刻池中过氧化 氢的浓度由于分散和分解而减小。Jumo Corrotrode是用于该机会市场而销 售的并且作为过氧化氢监测器的电势测量传感器。
在过去的二十年中，过氧化氢成为纺织工业中最重要的漂白剂。由于 过氧化氢与通常所用的漂白产品例如NaOCl和NaClO2相比所具有的有利 生态性能(反应产物是氧气和水)，建立于使用过氧化氢的增长也发生于 其它工业应用中。被漂白产品的质量紧紧依赖于过氧化氢的浓度。过氧化 氢的浓度通常是在漂白以后，通过使用光学技术离线确定的。不足的过氧 化氢浓度可能引起不充分的漂白效果并且降低织物染色过程的质量以及在 漂白后随之而来的颜色牢固性。另一方面，过量的过氧化氢浓度引起了织 物结构自身的降解。
Russell Mainstreams上市了一种适合于水消毒应用的过氧化氢探针传 感器(WP7过氧化氢探针)。由于特定的隔膜体系保护传感器，该传感器 耐化学试剂和表面剂。该传感器的敏感度在0—2000ppm过氧化氢的范围 内，然而该传感器的响应时间很慢，其T90(达到最终体积90％所需要的时 间)为约4分钟；该响应时间落在Instrument Society of America所要求的 90s响应时间的范围之外。
需要H2O2分析的另一个市场是临床领域，在那里经常监测呼出气息以 监测H2O2。呼吸中的过氧化氢是肺部疾病例如哮喘和慢性妨碍肺病的指示。 到目前为止，收集呼出气息冷凝物的常规方法是使用包括冰冻冷却管(通 常使用冰或液氮冷却)和具有制冷器电路的冷却机的专用冷却收集器。一 旦被收集，就通过技术，例如光谱学，在过氧化酶的帮助下对冷凝物进行 分析。H2O2也是氧化压力的最有价值的标记，氧化压力被公认为是在糖尿 病，动脉硬化，肾病，癌症，老化和其它状态下与疾病相关的病理综合征 发展中一个主要的危险因子。过氧化氢传感器对于基于酶氧化酶的生物传 感器的开发也是需要的。Universal Sensors上市了一种基于铂电极的测量电 流过氧化物电极，对于这些种类的应用需要约$630USD的花费。
过氧化氢感应的其它应用包括
(http://www.h2o2.com/intro/o verview.html)：
气味控制-氧化硫化氢，硫醇，胺和醛类。H2O2可以被直接应用于含 有这些有气味物质的水性废液中，或者将它们弄湿用来将它们从气流中除 去的空气洗涤器。
腐蚀控制-破坏残留的氯和减少的硫化物(硫代酸盐，亚硫酸盐，和 硫醚)，当凝结到加工设备并且被空气氧化的时候它们形成腐蚀性酸。
生化需氧量(BOD)和化学需氧量(COD)去除—氧化对BOD和COD有 贡献的有机和无机污染物—可能需要H2O2来氧化更加有抵抗力的物质。 H2O2还可以通过提高其它过程的性能来影响BOD/COD去除。
无机氧化—氧化氰化物，NOx/SOx，亚硝酸盐，肼，羰基硫化物，和上 面所提及的其它还原的硫化物(气味/腐蚀控制)。
有机氧化—水解甲醛，二硫化碳，碳水化合物，有机磷和氮化合物， 以及各种水溶性聚合物；以及(通过催化作用)破坏酚类，苯，甲苯，乙苯和 二甲苯(BTEX)杀虫剂，溶剂，增塑剂，螯合遮蔽剂，以及本质上任何需要 处理的其它有机物。
金属氧化—氧化铁离子，锰，砷，和硒来提高它们的吸附性，过滤性， 或者从加工水和废水中沉淀出来。
毒性降低/生物可降解性提高—通过催化剂，将复杂的有机物化学消化 成较小的，较低毒性的以及更容易生物降解的碎片。
消毒/生物控制—检查水供给和冷却环路中过量的生物长成物，并且(通 过催化剂)消毒加工用水和生物污水。
地下水补救
工业废水处理
水/废水处理
漱口水
防腐食品包装
上面所提及的每一种应用都需要在一定水平上监测过氧化氢。然而， 没有充分的技术来产生用于多种应用的具体的，便携的过氧化物传感器。
已经对由聚苯胺构成的本体聚合物导电膜进行了广泛研究。这些膜是 非常有用的材料并且可以被用作改进的电极材料，其中该膜可以作为无媒 质电子转移层。这样的用途特别有用的一种方法是在生物感应领域，在这 里导电聚合物能够通过被称为直接电子转移的方法有效地将酶连接到电 极。这样的连接过程允许很多反应发生，否则的话，没有生物种类这些反 应将是热力学不利的。例如，过氧化氢还原。在酶的存在下，其可以以相 对低的电势，例如对于Ag/AgCl-0.1V发生。对于这些本体膜不曾显示的 一种可能现象是过氧化氢显著的直接还原。然而，使用由该本体材料形成 的纳米颗粒，其性能显著改变。
通过包括沉积到丝网印刷碳糊电极(实施例2A)上的聚苯胺纳米颗粒电 极(通过喷墨印刷(参见实施例3)或其它方式)证实了该现象。从这些材料 我们所看到的显著提高的感应能力可能是纳米结构的结果。这可能归因于 由该材料所带来的表面积的显著增加。
使用实施例3的喷墨印刷技术，使用20印迹制备了聚苯胺纳米颗粒膜。 对这些改进的电极对H2O2的感应性能进行了研究。电流图记录了在pH为 6.8的磷酸盐缓冲液(实施例4)中以相对Ag/AgCl-100mV时对H2O2的还 原。将此与电聚合本体聚苯胺膜(根据Grennan等，2001制备的)相同的方 法相比较。在图18中对不同聚苯胺材料的电流图进行了比较。对于H2O2 还原，由喷墨印刷的纳米颗粒薄膜所观察到的比由本体聚合物所观察到的 电流高的多(约10倍)。在纳米颗粒膜对H2O2还原，所观察到的电流显 著增加归因于这些材料较高的表面积/体积比以及它们与本体聚合物相比优 良的电性能。
图19显示了喷墨印刷膜对H2O2的电流计量反应，其中发现基于信噪 比3，灵敏度为0.5419μA mM-1并且监测限度为1.146 x 10-3M。发现线性范 围横跨三个数量级，8 x 10-3-1.12 x 10-1M(r＝0.995，n＝3)。根据作者的所 知，这是对线性度在该范围的H2O2传感器的首次报道。在这里所报道的分 析参数适合应用于葡萄糖生物传感器，其中可以开发H2O2来进行葡萄糖监 测，这是因为其是通过葡萄糖氧化酶(GOD)对葡萄糖的催化作用的当量 等价产物。对工业品中葡萄糖监测的临床范围是1 x 10-3M至3.5 x 10-2M (Wang等，2005)，这落在该过氧化物传感器的线性范围内。就再现性而言， 发现对8 x 10-3M H2O2进行九次连续测量，喷墨印刷的聚苯胺传感器的相 对标准偏差(RSD)是2.13％。
喷墨形成图案的膜在生物感应应用中的应用(根据实施例4D的方法)
为了证实聚苯胺纳米颗粒喷墨印刷膜对生物感应的适合性，对游离辣 根过氧化酶(HRP)进行了电流计量试验。这是根据实施例4D进行的，其中 将聚苯胺纳米颗粒(实施例1)喷墨印刷(实施例3)到碳糊丝网印刷电极上 (实施例2C)。HRP能够直接结合到聚苯胺并且当结合的时候，酶(HRP)催 化了H2O2还原反应，这导致了HRP催化信号的增强(Morrin等，2003)。这 证明了聚苯胺膜可以作为被束缚HRP与电极表面之间有效的电荷转移媒 介。图20证实了喷墨印刷的膜能够在被束缚的，被催化的HRP与电极表 面之间进行电荷转移调节。该图显示了在H2O2存在下，HRP与电极表面的 粘结曲线。在HRP粘结以后，通过用H2O2代替缓冲液，HRP的粘结被确 认为是永久的。酶催化信号被恢复，这显示了催化信号完全是由于粘结的， 而不是游离的HRP。在理论上，对于酶例如尿素酶或者肌酸酐亚氨基水解 酶，这还有可能是催化它们各自的基体，尿素和肌酸酐来产生氨。假设证 明了聚苯胺纳米颗粒膜对氨的敏感度，对这样的分析物的低成本生物传感 器也是可能的。
喷墨形成图案的薄膜在免疫感应应用中的应用
为了分析的目的，免疫测定使用特定的抗原—抗体络合反应。在临床 诊断学很好地建立了酶免疫测定。为了开发能够用于护理测量点的手持装 置，电化学免疫测定有希望成为现有免疫化学测试的替代方法。此外，对 于不透明物或者光学密集基质，电化学方法是较好的。有竞争力的和没有 竞争力的电化学免疫测试通常是用酶为标志使用导电聚合物作为非扩散媒 介开发的。
有花纹的聚苯胺薄膜在下面的理论状况下可以被用作酶基免疫传感 器：
最初使检测抗体对于聚苯胺表面固定不动。然后将该表面暴露于未知 浓度的兴趣抗原和酶(例如HRP)标记的抗原。使这两种都结合到对于PANI 表面不动的抗体上。然后除去所有过量(未结合的)材料并且将PANI的表 面暴露于培养基(例如H2O2)，该培养基在表面被结合的酶标记抗原(HRP) 催化。在该实施例中，聚苯胺纳米颗粒喷墨印刷膜将被用作直接电子转移 媒介(而不是使用溶解性媒介)。所产生的电化学信号的量将与“游离”的未 知抗原的量成反比(图21)。
Grennan等(2003)报道了一种关于电聚合聚苯胺膜在免疫测试中无再 生多校准物的策略。HRP被用作测试的标记并且被H2O2催化。为了证实这 些喷墨印刷膜对此的适宜性，使用了更加复杂的方法，再次使用游离HRP 作为将被测量的生物分子。图22显示了当不同浓度的HRP短时间经过电 极表面的时候，电流测量信号斜率的变化。这显示了这些喷墨有花纹的聚 苯胺纳米颗粒膜对于低浓度(mg ml-1)HRP非常敏感，因此有希望用于免疫 传感器方法中，它们主要的优点是它们容易制造。
举例说明了通过开发用于喷墨印刷的纳米颗粒形式的聚合物在导电基 质上形成高质量图案导电聚合物膜的方法。将聚苯胺纳米颗粒的水性分散 体喷墨印刷到PET基丝网印刷碳电极上(实施例2A)。所形成的膜很好地粘 附到电极表面，在水性介质中进行电化学而没有影响薄膜的稳定性。聚苯 胺薄膜在酸性介质中具有非常明确的可逆的电化学性并且它们的用途被描 述于两种应用中：直接氨感应和使用HRP的生物感应。结果表明导电聚合 物纳米颗粒在例如化学和生物感应领域具有很宽范围的应用。
虽然说明书具体参照了聚苯胺，但应该理解任何合适的导电聚合物材 料都可以使用。其它导电聚合物的实施例是聚乙炔类，聚二乙炔类，聚对 苯类，聚吡咯类，聚噻吩类，聚二噻吩类，聚异噻吩类，聚苯硫醚类和聚 苯胺类。更全面的列表在Hari Singh Nalwa编辑的有机导电分子和聚合物 手册(1997)中给出。
本发明不限于上面所述的技术方案，可以详细地对这些技术具体地进 行改变。
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