[論文レビュー] Fabrication of glucose biosensors by inkjet printing

Tianming Wang, Christopher Cook+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2012

Nanomaterials and Printing Technologies参考文献 30被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、グルコースオキシダーゼとスクリーンプロセスされたカーボン電極を用いて、インクジェット印刷法によるグルコースバイオセンサーの作製について新しい手法を提示している。印刷および乾燥条件の最適化—特にトリアコンXを界面活性剤として使用し、乾燥中に湿度を低減することにより、コーヒー・スターニングを抑制し、グルコース濃度に対して線形応答を達成することで、センサーの性能と均一性が顕著に向上した。

ABSTRACT

Inkjet printing has been used to fabricate glucose sensors using glucose oxidase and screen printed carbon electrodes. By appropriate selection of printing and drying conditions we are able to fabricate sensor structures that show a good linear response to glucose concentration. In order to achieve these structures we must carefully control the spreading and drying of the enzyme solution on the carbon electrode. Carbon electrode suirfaces are hydrophobic and Triton X was used as a surfactant to allow full coverage of the electrode surface. During drying, under ambient conditions the enzyme solution segregates to form a ring deposit (coffee staining). Coffee staining is shown to be deleterious to sensor performance and it can be removed by drying in a reduced humidity environment.

研究の動機と目的

• インクジェット印刷技術を用いて、低コストかつスケーラブルなグルコースバイオセンサーの作製法を開発すること。
• 酵素溶液の乾燥中に生じるコーヒー・スターニングの問題に取り組み、センサーの性能と均一性を低下させること。
• 印刷および乾燥パラメータを最適化し、一貫性があり、高性能なグルコースセンシングを実現すること。
• 疎水性カーボン電極上への酵素溶液の正確な堆積に、インクジェット印刷がどのように有効であるかを示すこと。
• 乾燥中の環境条件を制御することで、センサー応答の線形性と再現性を向上させること。

提案手法

• スクリーンプロセスされたカーボン電極上にグルコースオキシダーゼ溶液をインクジェット印刷した。
• 疎水性カーボン表面への完全な被覆を確保するため、トリアコンXを界面活性剤として添加した。
• ドロップレットの蒸発を制御し、コーヒー・リングの形成を最小限に抑えるために、大気中および低湿度環境下で乾燥処理を行った。
• 異なるグルコース濃度に対する線形応答を測定することで、センサー性能を評価した。
• 酵素溶液の広がり方および乾燥ダイナミクスを体系的に分析し、最適な条件を同定した。
• 界面活性剤濃度および湿度が膜の均一性とセンサー応答に与える影響を実験的に調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インクジェット印刷は、バイオセンサーの作製にあたって、どのようにグルコースオキシダーゼをカーボン電極上に正確に堆積可能にするか？
• RQ2 トリアコンXは、疎水性表面への酵素層の堆積均一性を向上させる上で、どのような役割を果たすか？
• RQ3 乾燥環境（大気中対低湿度）は、コーヒー・スターニングおよびセンサー性能にどのように影響するか？
• RQ4 制御された乾燥条件は、グルコースセンサー応答の線形性と再現性をどの程度向上させ得るか？
• RQ5 高性能なインクジェット印刷グルコースバイオセンサーを実現するための最適な印刷および乾燥パラメータは何か？

主な発見

• トリアコンXを界面活性剤として添加することで、グルコースオキシダーゼ溶液が疎水性カーボン電極表面を完全に被覆できた。
• 大気中で乾燥した場合、コーヒー・スターニングが生じ、酵素の堆積が非均一となり、センサー性能が劣化した。
• 低湿度環境下での乾燥は、コーヒー・スターニングを効果的に抑制し、より均一な酵素層を形成した。
• 最適化されたセンサーはグルコース濃度に対して良好な線形応答を示し、信頼性の高い再現性のある性能を示した。
• 制御された乾燥条件は、センサーの均一性と応答の一貫性を顕著に向上させた。
• 本研究は、適切なプロセス制御を伴うインクジェット印刷が、高性能グルコースバイオセンサーの作製に実用的であることを示している。