Czujnik oparty na pustych mikroiğłach do multipleksowego transdermalanego detekcji elektrochemicznej

Ogólnym celem niniejszej procedury jest wykonanie multipleksowego czujnika opartego na mikroigłach do transdermalnej detekcji elektrochemicznej różnych analitów docelowych, które mogą być mierzone jednocześnie. Pierwszym krokiem jest wykonanie macierzy pustych w środku mikroigieł przy użyciu litografii z wykorzystaniem wosku oraz stworzenie wgłębień pod macierz elektrod za pomocą mikroobróbki laserowej. 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 efekcie powstaje transdermalne urządzenie elektrochemiczne in vivo, które pozwala na jednoczesny pomiar wielu analitów w złożonych mikrośrodowiskach fizjologicznych w ramach różnorodnych zastosowań biomedycznych. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami jest możliwość prowadzenia detekcji multipleksowej w sposób małoinwazyjny.

Urządzenie to może być wykorzystywane jako narzędzie badawcze do pomiaru ostrych odpowiedzi medycznych, zrozumienia adaptacji podczas wysiłku fizycznego oraz monitorowania chorób skóry. Zastosowania tego czujnika z mikroigłami InVivo obejmują diagnostykę nowotworów skóry, ponieważ mikrośrodowisko guza może służyć jako wskaźnik proliferacji i przerzutów nowotworowych. Naszym celem przy opracowaniu tego urządzenia było wykorzystanie macierzy mikroigieł jako małoinwazyjnego mechanizmu uzyskiwania dostępu do płynu śródmiąższowego skóry w celu przeprowadzenia analizy elektrochemicznej.

Rozpocznij pracę w oprogramowaniu do modelowania trójwymiarowego SolidWorks i zaprojektuj pustą w środku macierz mikroigieł o kształcie paramentalnym. Następnie, używając oprogramowania Magic's RP 13, zaprojektuj strukturę wsporczą, która zapewni podstawę, na której zostaną zbudowane mikroigły. W kolejnym kroku steruj procesem wytwarzania, korzystając z oprogramowania refaktoryjnego RP.

Prześlij pliki zarówno połączonego wspornika, jak i matrycy mikroiłek. Następnie wybierz liczbę matryc mikroiłek do wytworzenia i określ rozmieszczenie urządzeń na płytce produkcyjnej w systemie szybkiego prototypowania pery. Wybierz tryb ultrafioletowy o mocy 100 milliwattów i przeprowadź procedurę kalibracji.

Zweryfikuj, czy odchylenie energii mieści się w przedziale plus lub minus dwa milliwaty. Po zakończeniu procesu wytwarzania macierzy mikroił, wyjmij macierz z płyty podstawowej. Wywołaj w izopropanolu przez 15 minut.

Następnie osusz matryce sprężonym powietrzem, aby zapewnić pełną polimeryzację. Utwardzaj mikroigły w temperaturze pokojowej przez 50 sekund. Przebadaj mikroigły za pomocą mikroskopii świetlnej.

Należy zweryfikować, czy otwór każdej w pełni wykonanej mikroiły jest pusty i drożny. Odsłonić znajdujące się poniżej, indywidualnie adresowalne miedziane przewody łączące w płaskim, elastycznym kablu. Stworzyć wzory dla ablacji laserowej i przesłać te wzory do systemu laserowego.

Następnie umieść kable w uchwycie, aby odpowiednio wyrównać je na płytce do ablacji laserowej; stosując podejście z góry, wykonaj otwory o średnicy 500 mikrometrów w izolacyjnej części elastycznego kabla. Oczyść zmodyfikowane płaskie kable elastyczne za pomocą aerografu rozpylającego aceton pod ciśnieniem 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 otworu stabilizującego dla past węglowych za pomocą taśmy ABL melanox zawierającej jednostronny akrylowy klej wrażliwy na nacisk, zgodnie z wzorem użytym wcześniej dla pasków elektrod. Teraz ułóż taśmę nad ablacyjnie przygotowanymi paskami elektrod.

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

Następnie dodaj 60 mg proszku rodu na węglu i wymieszaj z 40 mg oleju mineralnego. Pastę przechowuj 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 jamę elektrody pastą, aż do uzyskania gładkiej powierzchni.

Powtórz czynność z drugą czystą łódką wagową, aż do usunięcia nadmiaru pasty. Następnie przemyj oddejonizowaną wodą. Potem nanieś kroplę 20 µL świeżo przygotowanego roztworu fast blue na elektrodę z upakowaną pastą.

Po 30-minutowym okresie inkubacji przepłukać wodą dejonizowaną w przypadku elektrody z pasty węglowej czułej na mleczan. Połączyć 2,5 mg proszku rodu na węglu z 2,5 mg oksydazy mleczanowej. Stosować naprzemiennie pięć minut sonikacji i pięć minut mieszania w wirówce (vortexowaniu) przez pięć cykli.

Następnie należy wprowadzić pastę do otworu elektrody. Na koniec wypłukać wodą dejonizowaną w celu wykrycia mleczanu. Zmierzyć odpowiedź chrono- i parametryczną sensora i zapisać natężenie prądu po 15 sekundach w celu wykrycia glukozy.

Zmierz odpowiedź chronoamperometryczną czujnika, aby kolejno sporządzić krzywe kalibracyjne dla czujników mleczanu i glukozy. Przed pomiarami chrono i parametrycznymi dodaj odpowiedni anality. Alternatywnie, przeprowadź pomiary chrono i parametryczne przy stałym potencjale podczas mieszania.

Należy pozostawić odpowiednią ilość czasu pomiędzy każdym dodaniem anality w celu stabilizacji prądu. Aby monitorować pH, należy przeprowadzić cykliczne skanowanie woltamperometryczne i zarejestrować wartości potencjałów szczytowych utleniania; krzywe kalibracyjne pH tworzy się poprzez pomiar pozycji potencjału szczytowego utleniania w zarejestrowanych woltamperogramach cyklicznych dla serii znanych wartości pH. Proces konstrukcji multipleksowego czujnika opartego na mikroigłach rozpoczyna się od zaprojektowania matrycy mikroigieł w programie SolidWorks, a następnie zaprojektowania struktur wsporczych w programie Magic's RP 13.

Te mikrografie z elektronowego mikroskopu skaningowego przedstawiają macierz mikronigieł oraz pojedynczą mikronigłę w obrębie tej macierzy. Platforma sensoryczna czujnika opartego na mikronigłach została stworzona poprzez zastosowanie ablacji laserowej w celu wytworzenia macierzy elektrod w płaskim, elastycznym kablu, a następnie wypełnienie tych macierzy pastą węglową. Reakcje elektrokatalityczne dla glukozy i mleczanu są przedstawione wraz z parametrami operacyjnymi dla detekcji.

Ta typowa kalibracja pasty wrażliwej na mleczan z 15-sekundowymi skanami chronometrycznymi pokazuje każdy wzrost prądu odpowiadający dodaniu 2 mM mleczanu. Wykorzystuje się pojedynczy ciągły skan chronometryczny, podczas gdy monitorowanie kalibracji sensora względem glukozy odbywa się poprzez dodawanie kolejnych stężeń glukozy i oczekiwanie na stabilizację prądu. Ten schemat przedstawia reakcje elektrokatalityczne służące do detekcji kwasowości; tutaj przedstawiono woltamperogramy cykliczne dla mikroiły wrażliwej na pH w 0,1 M buforze fosforanowym dla czterech różnych roztworów o wartościach pH od 5 do 8 w odstępach jednej jednostki.

Ponieważ potencjał piku oksydacyjnego 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. Podczas przeprowadzania 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 dodatkową selektywną warstwę węgla w celu monitorowania innych analitów w skórze. Opracowanie tego urządzenia może utorować drogę badaczom z dziedziny czujników ubieralnych do przeprowadzania diagnostyki medycznej oraz zgłębiania fundamentalnych zagadnień z zakresu nauk biomedycznych.