Snelle, goedkope microfluïdische electrochemische sensor gefabriceerd direct op scherm-geprinte elektrodes voor ultra-gevoelige PSA-detectie

Achtergrond

Microfluïdische systemen manipuleren volumes van nanoliters tot picoliters binnen micrometer-schaal kanalen, wat hoog-doorvoer, reagent-efficiënte analyses mogelijk maakt. Hun integratie met electrochemische sensoren verleipt opmerkelijke gevoeligheid, snelle respons, en minimale instrumentatie-eisen, wat ze ideaal maakt voor on-site biomedische diagnostiek.

Electrochemische uitlezing is inherent compatibel met microfluïdica, wat bulkeye optica elimineert en fabricage vereenvoudigt. De synergie van microfluïdica en SPE's - al wijd gebruikt in klinische point-of-care toestellen - belooft een volledig geïntegreerd, wegwerp sensorplatform.

In dit werk fabriceren we CASPE-MFD's door PDMS microkanalen te binden aan een glas-beklede SPE via zuurstofplasma-activering. Het toestel wordt getest voor PSA-kwantificering in fosfaatbuffer en menselijk serum met behulp van chronoamperometrie (CA) en blokgolf-voltammetrie (SWV).

a Fabricatie van PDMS microkanalen via SU-8 fotolithografie.b Montage van de CASPE-MFD: PDMS kanalen gebonden aan een glas-beklede SPE met twee goud werk-/tegenrelektrodes en een zilver pseudo-referentie-elektrode.c Foto van de voltooide CASPE-MFD.

Materialen en Methodes

Reagentia en Materialen

PSA, HRP-geconjugeerd anti-PSA, gebiotinyleerd anti-PSA, streptavidine magnetische korrels, BSA, hydrochinon, Tween-20, H₂O₂, en ferroceenzuur werden aangeschaft van commerciële leveranciers (Petsec Energy Ltd., Fisher Scientific, Sigma-Aldrich). PDMS pre-polymer en hardmaker werden verkregen van Dow Corning. Alle buffers werden bereid met ultrazuiver water (Millipore Milli-Q).

Instrumentatie

Fluorescentie-imaging: Olympus U-CMAD3. Plasma-reiniging: Harrick PDC-32G. Electrochemische metingen: CHI 760B potentiostaat (drie-elektrode opstelling: goud werk-/tegenrelektrode, zilver pseudo-referentie).

Microfluïdische Chip Fabricatie

PDMS kanalen werden gepatroneerd op een siliciumwafer bekleed met SU-8 2075, blootgesteld aan UV-licht, en gehard. Het SPE-substraat werd bekleed met een dunne glaslaag via een sol-gel mengsel (TEOS:MTES:ethanol:water = 1:1:1:1) en gehard bij 65 °C overnacht. Zowel PDMS- als SPE-oppervlakken werden geactiveerd door 30 s O₂-plasma voordat uitlijning en binding, wat een hermeneutische afdichting vormde.

Chronoamperometrische Experimenten

Metingen werden uitgevoerd in 1× pH 7,4 PBS bevattende 4,5 mM hydrochinon en 0,1 mM H₂O₂. De CASPE-MFD werd eerst geactiveerd door te cyclen tussen 0,5-1,5 V in 0,5 M H₂SO₄. Vervolgens werd 50 µL magnetische-korrel-geconjugeerd anti-PSA-antistof geïntroduceerd bij 50 µL min⁻¹, gevolgd door blokkeren, PSA-incubatie, HRP-anti-PSA toevoeging, en tenslotte de electroactieve oplossing. Chronoamperometrie werd uitgevoerd bij -2,0 mV versus de zilver pseudo-referentie, het vastleggen van de steady-state stroom na 30 s.

Resultaten en Discussie

Toestelkarakterisatie

Fluorescerende microkorrels geïnjecteerd in de CASPE-MFD vulden de kanalen uniform zonder bellen, wat robuuste microfluïdische prestaties bevestigt bij stroomsnelheden tot 100 µL min⁻¹ (Figuur 2).

a Fluorescerende microkorrel-infiltratie op de SPE. b Heldere-veldbeeld van de gevulde CASPE-MFD. c Vergrote weergave van de fluorescentiedistributie.

Cyclische voltammetrie met 0,5 mM ferrocenzuur bevestigde reversibele elektronenoverdracht (E_pa-E_pc = 62 mV) en diffusie-gecontroleerde kinetiek (i_pa ∝ √v). De stromen in de CASPE-MFD matched die in bulktoplossing, wat aangeeft dat de microfluïdische architectuur de gevoeligheid niet aantast (Figuur 3).

a CVs bij scansnelheden 10-350 mV s⁻¹. b Calibratieplots van i_pa en i_pc versus √scansnelheid.

PSA Detectieprestaties

Chronoamperometrische kurven (Figuur 5a) tonen een monotone toename in stroom met PSA-concentratie (0-10 ng mL⁻¹). Het lineaire bereik (0,001-10 ng mL⁻¹) levert een regressie van I (µA) = 14,87 + 3,927 × log C_PSA (R² = 0,9985). De LOD van 0,84 pg mL⁻¹ overtreft commerciële assays (0,1 ng mL⁻¹) met >100-voud en overtreft vergelijkbare microfluïdische sensoren.

Blokgolf-voltammetrie (SWV) produceerde parallelle resultaten, wat de robuustheid van de electrochemische uitlezing bevestigt (Figuur 5c).

a Chronoamperometrie voor 0-10 ng mL⁻¹. b Lineaire plots in buffer (blauw) en menselijk serum (rood). c SWV-kurven. d Lineaire fit voor SWV (R² = 0,9884).

Selectiviteit en Echt-monsteranalyse

In menselijk serum handhaafde de CASPE-MFD dezelfde lineariteit en LOD, wat compatibiliteit met complexe biologische matrices aantoont. Geen significante interferentie werd waargenomen van potentiële matrixcomponenten, wat de selectiviteit van de assay benadrukt.

Conclusies

De CASPE-MFD combineert goedkope fabricatie, microfluïdische controle, en SPE-electrochemie om ultra-gevoelige PSA-detectie (<0,85 pg mL⁻¹) in een draagbaar formaat te leveren. De gemakkelijke montage, reproduceerbaarheid, en potentieel voor multiplexing maken het een veelbelovend platform voor point-of-care diagnostiek van kankerbiomarkers, elektrolyten, en nucleïnezuren.

Afkortingen

MFD's

Microfluïdische toestellen

CASPE-MFD's

Scherm-geprinte-electrode-gebaseerde microfluïdische toestellen

PDMS

Polydimethylsiloxane

PSA

Prostaat-specifiek antigeen

CA

Chronoamperometrie

SWV

Blokgolf-voltammetrie

LOD

Detectielimiet

HRP

Horseradish peroxidase

TEOS

Tetra-ethoxy-silaan

MTES

Metyl-triethoxysilaan

BNP

B-type natriuretisch peptide