直接在丝网印刷电极上快速低成本制造微流控电化学传感器实现超灵敏PSA检测

摘要

我们首次演示了一种直接在商用丝网印刷电极（SPE）上制造的微流控平台，工艺简单、快速、低成本。该器件称为CASPE-MFD（商用SPE基微流控器件），将聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道与玻璃涂层SPE基底结合。在人血清中，CASPE-MFD对前列腺特异性抗原（PSA）检测限（LOD）达0.84 pg/mL（25.8 fM），在0.001–10 ng/mL范围内表现出优异线性。该平台为即时检测（POC）诊断、环境监测和食品安全分析提供可规模化、低成本的解决方案。

背景

微流控系统在微米级通道中操控纳升至皮升体积，实现高通量、低试剂消耗分析。其与电化学传感器集成赋予卓越灵敏度、快速响应和最小仪器需求，使其成为现场生物医学诊断的理想选择。

电化学读出天然兼容微流控，免除笨重光学系统并简化制造。微流控与SPE的协同——SPE已广泛用于临床POC设备——有望实现全集成、一次性传感器平台。

本工作通过氧等离子体活化将PDMS微通道键合至玻璃涂层SPE制备CASPE-MFD。器件用时序安培法（CA）和方波伏安法（SWV）在磷酸盐缓冲液和人血清中定量PSA。

材料与方法

试剂与材料

PSA、HRP标记抗PSA、生物素化抗PSA、链霉亲和素磁珠、BSA、对苯二酚、吐温-20、H₂O₂、阿魏酸从商业供应商购买（Petsec Energy Ltd.、Fisher Scientific、Sigma-Aldrich）。PDMS预聚物和固化剂来自陶氏康宁。所有缓冲液用超纯水（Millipore Milli-Q）配制。

仪器

荧光成像：Olympus U-CMAD3。等离子清洗：Harrick PDC-32G。电化学测量：CHI 760B电化学工作站（三电极体系：金工作/对电极，银准基准电极）。

微流控芯片制造

PDMS通道在涂覆SU-8 2075的硅片上图案化，UV曝光固化。SPE基底经溶胶-凝胶混合物（TEOS:MTES:乙醇:水=1:1:1:1）涂覆薄玻璃层，65 ℃过夜固化。PDMS与SPE表面经30 s O₂等离子体活化后对齐键合，形成密封。

时序安培实验

在含4.5 mM对苯二酚和0.1 mM H₂O₂的1×pH 7.4 PBS中测量。CASPE-MFD先在0.5 M H₂SO₄中0.5–1.5 V循环活化。随后以50 µL min⁻¹引入50 µL磁珠偶联抗PSA抗体，经封闭、PSA孵育、HRP-抗PSA加入，最后加入电活性溶液。相对银准基准电极在–2.0 mV下进行时序安培，记录30 s后稳态电流。

结果与讨论

器件表征

荧光微球注入CASPE-MFD均匀填充通道无气泡，确证流体性能稳健，流速高达100 µL min⁻¹（图2）。

用0.5 mM阿魏酸循环伏安法确证可逆电子转移（E_pa–E_pc=62 mV）和扩散控制动力学（i_pa∝√v）。CASPE-MFD电流与本体溶液一致，表明微流控结构不损害灵敏度（图3）。

PSA检测性能

时序安培曲线（图5a）显示电流随PSA浓度（0–10 ng mL⁻¹）单调增加。线性范围（0.001–10 ng mL⁻¹）回归为I(µA)=14.87+3.927×log C_PSA（R²=0.9985）。LOD 0.84 pg mL⁻¹较商业检测（0.1 ng mL⁻¹）提升>100倍，优于同类微流控传感器。

方波伏安法（SWV）给出平行结果，确证电化学读出稳健性（图5c）。