Czujnik oparty na pustych mikroiğłach do multipleksowego transdermalanego detekcji elektrochemicznej

Ogólnym celem niniejszej procedury jest wykonanie multipleksowego czujnika opartego na mikroiigłach do transdermalnego elektrochemicznego wykrywania różnych analizatów docelowych, które mogą być mierzone jednocześnie. Pierwszym krokiem jest wykonanie macierzy pustych w środku mikroigieł przy użyciu litografii poświęcalnej oraz stworzenie wgłębień macierzy elektrod za pomocą mikrobobierania laserowego. Następnie należy przygotować poszczególne pasty węglowe i wypełnić nimi wgłębienia macierzy elektrod.

Następnie należy skalibrować każdą z past węglowych w zakresie stężeń istotnych fizjologicznie. W końcowym etapie powstaje transdermalne urządzenie elektrochemiczne in vivo, które umożliwia jednoczesny pomiar wielu analitów w złożonych fizjologicznych mikrośrodowiskach w ramach szeregu zastosowań biomedycznych. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami jest możliwość wykonywania detekcji multipleksowej w sposób małoinwazyjny.

Urządzenie to może być wykorzystywane jako narzędzie badawcze do pomiaru ostrych odpowiedzi medycznych, pogłębiania wiedzy na temat adaptacji podczas wysiłku fizycznego oraz monitorowania chorób skóry. Zastosowania tego czujnika typu InVivo z mikroiłkami obejmują diagnostykę nowotworów skóry, ponieważ mikrośrodowisko guza może służyć jako wskaźnik proliferacji i przerzutowania nowotworu. Naszym celem w odniesieniu do tego urządzenia jest wykorzystanie macierzy mikroiłków jako małoinwazyjnego mechanizmu dostępu do płynu śródmiąższowego skóry w celu przeprowadzenia analizy elektrochemicznej.

Rozpocznij pracę w oprogramowaniu do modelowania trójwymiarowego SolidWorks i zaprojektuj pustą w środku macierz mikroił oraz o kształcie paramentalnym. Następnie, korzystając z oprogramowania Magic's RP 13, zaprojektuj strukturę wsporczą, która zapewni podstawę do budowy mikroigieł. W dalszej kolejności steruj procesem wytwarzania za pomocą oprogramowania refaktorycznego RP.

Prześlij oba pliki: powiązaną podstawkę oraz macierz mikroigieł. Następnie wybierz liczbę macierzy mikroigieł do wykonania i określ rozmieszczenie urządzeń na płytce produkcyjnej w systemie szybkiego prototypowania pery. Wybierz tryb ultrafioletowy przy mocy 100 milliwatts i przeprowadź procedurę kalibracji.

Zweryfikuj, czy odchylenie energii mieści się w zakresie plus lub minus dwa miliwaty. Po zakończeniu procesu wytwarzania macierzy mikroiłek, wyjmij macierz z płyty podstawowej. Płucz w izopropanolu przez 15 minut.

Następnie wysuszyć matryce sprężonym powietrzem, aby zapewnić całkowitą polimeryzację. Utwardzać mikroiły w temperaturze pokojowej przez 50 sekund. Przebadać mikroigły za pomocą mikroskopii świetlnej.

Upewnij się, że każdy całkowicie wykonany otwór mikroigły jest pusty i niedrożny. Odsłoń znajdujące się poniżej, indywidualnie adresowalne miedziane przewody łączące w płaskim, elastycznym kablu. Stwórz wzory dla ablacji laserowej i prześlij te wzory do systemu laserowego.

Następnie umieść kable w uchwycie, aby odpowiednio wyrównać je na płytce do ablacji laserowej; stosując podejście rastrowe, wytwórz otwory o średnicy 500 µm w części izolacyjnej elastycznego kabla. Oczyść zmodyfikowane płaskie kable elastyczne za pomocą aerografu rozpylającego aceton przy ciśnieniu 40 PSI, a następnie wypłucz izopropanolem i wodą dejonizowaną, kontrolując proces pod lekkim mikroskopem.

Upewnij się, że na odsłoniętych miedzianych paskach nie pozostała żadna folia izolacyjna. Kolejnym krokiem jest utworzenie wgłębienia do utrzymania past węglowych za pomocą taśmy ABL melanox zawierającej jednostronny akrylowy klej wrażliwy na nacisk, zgodnie z wzorem zastosowanym wcześniej dla pasków elektrod. Następnie umieść taśmę nad abladowanymi paskami elektrod.

Dociśnij taśmę, aby zapewnić właściwe połączenie. Następnie usuń zabezpieczenie z dwustronnej taśmy melin X i dopasuj taśmę, aby umożliwić połączenie macierzy mikroił oraz macierzy elektrod z pasty węglowej. Wymieszaj 10 mg oksydazy glukozowej i 2,2 mg polietyleniaminy, aby przygotować jednorodną, czułą na glukozę pastę węglową.

Następnie należy dodać 60 mg sproszkowanego rodu na węglu i wymieszać z 40 mg oleju mineralnego. Pastę należy przechowywać w temperaturze 4 °C. W przypadku pasty węglowej wrażliwej na pH, wymieszaj 30% oleju mineralnego i 70% proszku grafitowego. Używając cienkiego kawałka plastiku jako szpachelki, wypełnij zagłębienie elektrody pastą, aż do uzyskania gładkiej powierzchni.

Powtórz czynność, używając drugiej czystej łódeczki wagowej, aż do usunięcia nadmiaru pasty. Następnie przemyj wodą dejonizowaną. Potem nanieś kroplę 20 µL świeżo przygotowanego roztworu fast blue na elektrodę z upakowaną pastą.

Po 30-minutowym czasie inkubacji opłukać pastę węglową czułą na mleczan wodą dejonizowaną. Połączyć 2,5 mg proszku rodu na węglu z 2,5 mg oksydazy mleczanowej. Naprzemiennie sonikować przez pięć minut i mieszać w wortexie przez pięć minut, powtarzając ten cykl pięć razy.

Następnie należy wprowadzić pastę do otworu elektrody. Na koniec opłukać wodą dejonizowaną w celu wykrycia mleczanu. Zmierzyć odpowiedź chronamperometryczną i parametryczną czujnika oraz zarejestrować natężenie prądu po 15 sekundach w celu wykrycia glukozy.

Zmierz odpowiedź chronoamperometryczną czujnika, aby kolejno stworzyć krzywe kalibracyjne dla czujników mleczanu i glukozy. Przed pomiarami chronoamperometrycznymi dodaj odpowiedni analityt. Alternatywnie, przeprowadź pomiary chronoamperometryczne przy stałym potencjale podczas mieszania.

Należy pozostawić wystarczającą ilość czasu pomiędzy każdym dodatkiem analitytu w celu stabilizacji prądu. Aby monitorować pH, należy przeprowadzić cykliczne skanowanie woltamperometryczne i zapisać wartości potencjału szczytu utleniania; krzywe kalibracyjne pH tworzy się poprzez pomiar położenia potencjału szczytu utleniania w zarejestrowanych woltamperogramach cyklicznych dla serii znanych wartości pH. Proces konstrukcji multipleksowego czujnika opartego na mikroiigłach rozpoczyna się od zaprojektowania macierzy mikroigieł w programie SolidWorks, a następnie zaprojektowania struktur wspierających w programie Magic RP 13.

Te mikrografie z transmisyjnego mikroskopu elektronowego przedstawiają macierz mikroił i pojedynczą mikroigłę w obrębie tej macierzy. Platforma sensoryczna czujnika opartego na mikroigłach jest tworzona poprzez zastosowanie ablacji laserowej w celu wytworzenia macierzy elektrod w płaskim, elastycznym przewodzie, a następnie wypełnienie tych macierzy pastą węglową. Reakcje elektrokatalityczne dla glukozy i mleczanu są przedstawione wraz z parametrami pracy dla detekcji.

Ta typowa kalibracja pasty czułej na mleczany z 15-sekundowymi skanami chronometrycznymi pokazuje, że każdy wzrost prądu odpowiada dodaniu 2 mM mleczanu. Wykorzystano pojedynczy ciągły skan chronometryczny, podczas gdy kalibracja czujnika względem glukozy została przeprowadzona poprzez dodawanie określonych stężeń glukozy i oczekiwanie na stabilizację prądu. Ten schemat przedstawia reakcje elektrokatalityczne służące do wykrywania kwasowości; woltamperogramy cykliczne dla mikroiigły czułej na pH w 0,1 M buforze fosforanowym przedstawiono dla czterech różnych roztworów o wartościach pH od 5 do 8 w odstępach jednej jednostki.

Ponieważ potencjał szczytu utleniania przesuwa się wraz ze wzrostem wartości pH, zjawisko to jest wykorzystywane jako wskaźnik wartości pH. Po opanowaniu techniki urządzenie to można prawidłowo wykonać w ciągu dwóch dni. Przy próbie przeprowadzenia tej procedury należy pamiętać, że poszczególne pasty węglowe utracą swoją selektywność, jeśli zostaną ze sobą zmieszane.

Po zastosowaniu tej procedury do macierzy elektrod można dodać dodatkowe selektywne warstwy węgla, aby monitorować inne anality w skórze. Opracowanie tego urządzenia może utorować drogę badaczom w dziedzinie czujników ubieralnych do przeprowadzania diagnostyki medycznej oraz zgłębiania fundamentalnych pytań z zakresu nauk biomedycznych.