Sensor Elektrokimia Mikrofluida dengan Biaya Rendah dan Cepat yang Diproduksi Secara Langsung pada Elektroda Cetak Layar untuk Deteksi PSA yang Sangat Sensitif
Abstrak
Kami menyajikan demonstrasi pertama dari platform mikrofluida yang dibuat secara langsung pada elektroda cetak layar (SPE) komersial yang tersedia menggunakan proses yang sederhana, cepat, dan murah. Perangkat—disebut CASPE-MFD (Perangkat Mikrofluida Berbasis SPE Komersial)—menggabungkan saluran mikro polidimetilsiloksan (PDMS) dengan substrat SPE yang dilapisi kaca. Dalam serum manusia, CASPE-MFD mencapai batas deteksi (LOD) 0,84 pg/mL (25,8 fM) untuk antigen spesifik prostat (PSA) dan menunjukkan linearitas yang baik di rentang 0,001–10 ng/mL. Platform ini menawarkan solusi yang dapat diskalakan dan hemat biaya untuk diagnostik perawatan primer, pemantauan lingkungan, dan analisis keamanan pangan.
Latar Belakang
Sistem mikrofluida mengelola volume dari nanoliter hingga pikoliter dalam saluran mikrometer, memungkinkan analisis yang efisien reagent dan throughput tinggi. Integrasinya dengan sensor elektrokimia memberikan sensitivitas yang luar biasa, respons cepat, dan persyaratan instrumen minimal, membuatnya ideal untuk diagnostik medis di lokasi.
Baca elektrokimia secara inheren kompatibel dengan mikrofluida, menghilangkan optik besar dan menyederhanakan pembuatan. Sinergi mikrofluida dan SPE—yang sudah banyak digunakan dalam perangkat perawatan primer klinis—menjanjikan platform sensor terintegrasi dan sekali pakai yang sepenuhnya.
Dalam karya ini, kami memproduksi CASPE-MFD dengan menempelkan saluran mikro PDMS pada SPE yang dilapisi kaca melalui aktivasi plasma oksigen. Perangkat diuji untuk kuantifikasi PSA dalam fosfat buffer dan serum manusia menggunakan kronoamperometri (CA) dan voltametri gelombang persegi (SWV).
a Pembuatan saluran mikro PDMS melalui fotolitografi SU-8. b Rangkaian CASPE-MFD: saluran PDMS yang ditempel pada SPE yang dilapisi kaca yang berisi dua elektroda emas kerja/lawan dan elektroda referensi pseudo perak. c Foto perangkat CASPE-MFD yang selesai.
Bahan dan Metode
Reagen dan Bahan
PSA, anti-PSA konjugat HRP, anti-PSA biotinilasi, kantong magnetik streptavidin, BSA, hidrokinon, Tween-20, H₂O₂, dan asam ferosena karbo kalsih dari pemasok komersial (Petsec Energy Ltd., Fisher Scientific, Sigma-Aldrich). PDMS pre-polim dan agen pengental diperoleh dari Dow Corning. Semua buffer disiapkan dengan air ultrapure (Millipore Milli-Q).
Instrumentasi
Imaging fluorescensi: Olympus U-CMAD3. Pembersih plasma: Harrick PDC-32G. Pengukuran elektrokimia: potensiostat CHI 760B (setup tiga elektroda: emas kerja/lawan, referensi pseudo perak).
Pembuatan Chip Mikrofluida
Saluran PDMS dicetak pada wafer silikon yang dilapisi SU-8 2075, diekspos ke cahaya UV, dan dikeringkan. Substrat SPE dilapisi dengan lapisan kaca tipis melalui campuran sol-gel (TEOS:MTES:etanol:air = 1:1:1:1) dan dikeringkan pada 65 °C selama malam hari. Kedua permukaan PDMS dan SPE diaktifkan oleh plasma O₂ selama 30 detik sebelum perataan dan perekatan, membentuk perekat yang erat.
Eksperimen Kronoamperometri
Pengukuran dilakukan dalam PBS pH 7,4 1× yang mengandung 4,5 mM hidrokinon dan 0,1 mM H₂O₂. CASPE-MFD pertama diaktifkan dengan mencicling antara 0,5–1,5 V dalam H₂SO₄ 0,5 M. Kemudian, 50 µL abson anti-PSA yang dikonjugasikan kantong magnetik diperkenalkan pada 50 µL min⁻¹, diikuti oleh pemblokiran, inkubasi PSA, penambahan anti-PSA HRP, dan akhirnya larutan elektroaktif. Kronoamperometri dilakukan pada –2,0 mV terhadap referensi pseudo perak, mencatat arus keadaan stabil setelah 30 detik.
Hasil dan Pembahasan
Karakterisasi Perangkat
Mikrobola fluoresens yang diinjeksikan ke dalam CASPE-MFD mengisi saluran secara seragam tanpa gelembung, mengonfirmasi performa fluida yang kuat pada laju aliran hingga 100 µL min⁻¹ (Gambar 2).
a Infiltrasi mikrobola fluoresens pada SPE. b Citra cahaya terang dari CASPE-MFD yang terisi. c Tampilan diperbesar dari distribusi fluoresens.
Voltametri siklus dengan asam ferosena karbo kalsih 0,5 mM mengonfirmasi transfer elektron yang reversible (E_pa–E_pc = 62 mV) dan kinetika yang dikontrol difusi (i_pa ∝ √v). Arus dalam CASPE-MFD cocok dengan larutan bulk, menunjukkan bahwa arsitektur mikrofluida tidak mengkompromikan sensitivitas (Gambar 3).
a CV pada laju penindasan 10–350 mV s⁻¹. b Plot kalibrasi i_pa dan i_pc versus √laju penindasan.
Performa Deteksi PSA
Kurva kronoamperometri (Gambar 5a) menunjukkan peningkatan arus monoton dengan konsentrasi PSA (0–10 ng mL⁻¹). Rentang linier (0,001–10 ng mL⁻¹) menghasilkan regresi I (µA) = 14,87 + 3,927 × log C_PSA (R² = 0,9985). LOD sebesar 0,84 pg mL⁻¹ melebihi uji komersial (0,1 ng mL⁻¹) lebih dari 100 kali dan mengalahkan sensor mikrofluida yang serupa.
Voltametri gelombang persegi (SWV) menghasilkan hasil paralel, mengonfirmasi keandalan baca elektrokimia (Gambar 5c).
a Kronoamperometri untuk 0–10 ng mL⁻¹. b Plot linier dalam buffer (biru) dan serum manusia (merah). c Kurva SWV. d Fit linier untuk SWV (R² = 0,9884).
Selektivitas dan Analisis Sampel Nyata
Dalam serum manusia, CASPE-MFD mempertahankan linearitas dan LOD yang sama, menunjukkan kompatibilitas dengan matriks biologis kompleks. Tidak ada interferensi signifikan yang diamati dari komponen matriks potensial, menekankan selektivitas uji.
Kesimpulan
CASPE-MFD menggabungkan pembuatan hemat biaya, kontrol mikrofluida, dan elektrokimia SPE untuk menyajikan deteksi PSA yang sangat sensitif (<0,85 pg mL⁻¹) dalam format portabel. Kemudahan rangkaian, keandalan, dan potensi untuk multiplexing menjadikannya platform yang menjanjikan untuk diagnostik perawatan primer biomarker kanker, elektrolit, dan asam nukleat.
Singkatan
MFDs
Perangkat mikrofluida
CASPE-MFDs
Perangkat mikrofluida berbasis elektroda cetak layar
