基于中空微针的多通道透皮电化学传感传感器

本实验的总体目标是制备一种基于多重微针的传感器，用于经皮电化学检测多种可同时测定的目标分析物。第一步是采用神秘光刻技术制备中空微针阵列，并利用激光微加工技术构建电极阵列腔体。随后配制独立的碳糊材料，并将电极阵列腔体填充完毕。

接下来，在一系列生理相关浓度范围内校准每种碳糊电极。最终，构建出一种经皮体内电化学装置，能够同时在复杂的生理微环境中检测多种分析物，适用于多种生物医学应用。与现有方法相比，该技术的主要优势在于能够以微创方式实现多重检测。

该设备可作为研究工具，用于测量急性医学反应，深入了解身体运动过程中的适应性变化，并监测影响皮肤的疾病。这种活体微针传感器的应用前景包括皮肤肿瘤的诊断，因为肿瘤微环境可作为肿瘤增殖和转移的指示指标。我们研发该设备的目标是利用微针阵列作为一种微创机制，获取真皮层间质液，以进行电化学分析。

首先在三维建模软件 SolidWorks 中开始，设计一个参数化的空心微针阵列。然后使用 Magic's RP 13 软件设计支撑结构，为微针的构建提供基础。接下来，使用 refactory RP 软件控制 fabrication（制造）过程。

上传关联的支撑结构文件和微针阵列文件。然后选择需要制备的微针阵列数量，并确定微针装置在快速原型制造系统构建板上的放置位置。选择100毫瓦的紫外模式，并执行校准程序。

确认能量偏差在正负2毫瓦范围内。微针阵列制备完成后，将微针阵列从基板上取下。用异丙醇显影15分钟。

然后用压缩空气干燥阵列，以确保完全聚合。在室温下固化微针50秒。通过光学显微镜检查微针。

验证每个完全制备的微针针孔均为中空且无堵塞。暴露扁平柔性电缆中可单独寻址的连接铜线。创建激光烧蚀图案，并将这些图案发送至激光系统。

现在，将电缆放置于夹具中，通过抬升方式精确定位在激光烧蚀板上，于柔性电缆的绝缘部分制备直径为 500 微米的孔洞。使用喷射丙酮的喷枪清洗经改造的扁平柔性电缆，压力为 40 PSI，随后在光学显微镜下用异丙醇和去离子水冲洗。

确认暴露的铜条上无任何绝缘膜残留。下一步是为碳糊制作固定腔室，使用之前电极条所用图案的ABL melanox胶带，该胶带含有单面丙烯酸压敏胶。现在将胶带对准置于烧蚀后的电极条上方。

按压胶带以确保连接牢固。然后烧蚀双面Melin X胶带，并对齐胶带，使微针阵列与碳糊电极阵列之间实现键合。将10毫克葡萄糖氧化酶和2.2毫克聚乙烯胺混合，制成均匀的葡萄糖敏感型碳糊。

然后加入60毫克碳载铑粉末，并混入40毫克矿物油。将糊状物于4°C保存，用于pH敏感型碳糊电极。混合30%矿物油和70%石墨粉末。使用一小片塑料作为抹刀，将糊状物压入电极腔体，直至形成光滑表面。

用第二个干净的称量皿重复操作，直至去除多余的糊状物。然后用去离子水冲洗。接着，在压实的糊状电极上放置一滴20 µL新配制的快蓝溶液。

经过30分钟的孵育后，用去离子水冲洗乳酸敏感型碳糊。将2.5毫克负载在碳粉上的铑与2.5毫克乳酸氧化酶混合。交替进行超声处理5分钟和涡旋振荡5分钟，共重复5个循环。

继续将糊状物填充到电极腔中。最后，用去离子水冲洗以检测乳酸。测量传感器的计时和参数响应，并在15秒后记录电流以检测葡萄糖。

测量传感器对乳酸和葡萄糖的计时安培响应，依次建立乳酸和葡萄糖传感器的校准曲线。在进行计时安培和参数测量前，加入相应的分析物。或者，可在搅拌条件下进行固定电位的计时安培和参数测量。

每次添加分析物之间需留出足够时间，以确保电流稳定。为监测pH值，需进行循环伏安扫描，并记录氧化峰电位的位置，通过测量一系列已知pH值条件下记录的循环伏安图中氧化峰电位的位置，绘制pH校准曲线。构建基于多重微针的传感器的过程始于在SolidWorks中设计微针阵列，随后在magic's RP 13中设计支撑结构。

这些扫描电子显微镜图像展示了一个微针阵列以及该阵列中的单个微针。基于微针的传感器的检测平台是通过激光烧蚀技术在扁平柔性电缆上制备电极阵列，随后将碳糊填充至这些阵列中而形成的。文中同时展示了葡萄糖和乳酸的电催化反应，以及检测所用的操作参数。

这种典型的乳酸敏感糊剂校准采用15秒的计时电流扫描，显示每次电流的增加对应于添加2毫摩尔的乳酸。在监测葡萄糖校准时，采用单次连续的计时电流扫描，通过向溶液中加入不同浓度的葡萄糖，然后等待电流稳定来完成传感器的校准。该示意图展示了酸度检测的电催化反应过程，其中在pH敏感微针上，于0.1摩尔磷酸盐缓冲液中测得的循环伏安图显示了四种不同溶液的结果，其pH值从5到8，以1个单位递增。

由于氧化峰电位随pH值升高而发生偏移，该现象可作为pH值的指示依据。一旦掌握，该装置可在两天内正确制备完成。在进行此操作时，需注意不同类型的碳材料若相互混合，将无法保持其原有的选择性。

通过该方法，可向电极阵列中添加其他选择性碳电极，以监测皮肤中的其他分析物。该装置的开发可为可穿戴传感器领域的研究人员进行医学诊断并探索基础生物医学科学问题铺平道路。