基于PμSL 微尺度3D打印的三维微柱阵列电极

2020-12-02

     微芯片电化学检测系统(microchip-based electrochemical detection system,µEDS),是一种基于电化学方法与微流控技术的检测平台,其具有高灵敏度、极少试剂消耗、快速检测、可适性高、自动化等优点,常用于现场实时应用场景,比如床边检测等。此类芯片中核心组件是微电极,其检测性能尤为关键。传统的微电极主要是二维或平面式的结构,如环状、带状、平板式。另一方面,具有三维结构的微电极因其更大的反应面积和优异的检测灵敏度已获得越来越多研究学者的关注。微尺度3D打印技术的出现,使得三维微柱阵列电极的实现变得更加便捷、快速、高效。

     PμSL(Projection Micro Stereolithography,面投影微立体光刻)是一种面投影微尺度超高精度光固化增材制造技术,使用高精度紫外光刻投影系统,将需要打印的三维模型分层投影至树脂液面,分层光固化成型并逐层累加,最终从数字模型直接加工得到立体样件。该技术具有打印精度高、跨尺度加工、成型效率高、制造成本低等突出优势,被认为是目前最具有前景的三维微细结构加工技术之一。

图1:PμSL技术原理示意图

 

     通过结合软光刻以及金属沉积技术,PμSL微尺度 3D打印技术近期在电化学检测领域取得系列成果。其中的微电极的制备过程大致为:通过PμSL微尺度3D打印技术打印得到三维微柱阵列模具,然后通过PDMS二次翻模得到PDMS材质的三维微柱阵列,最后再经过磁控溅射等金属沉积方式将金属比如金沉积在三维微柱结构的表面作为导电层以形成最终的微柱电极。此外,还可选择性地在电极表面修饰Pt-Pd/多层碳纳米管等其他改性物质以提高电化学检测性能。

     研究一:基于微柱阵列电极的生物标记物高灵敏度检测研究

     摘要微柱阵列电极因其高质量运输、低检测极限以及微型化的特点被广泛用于电化学检测领域。该研究工作阐述了表面镀金的PDMS基微柱阵列电极的制备、数值仿真、表面改性以及表征。910的微柱阵列排布在0.09 cm2的区域内,其中微柱的高度分别为100 μm,300 μm 和500 μm。微柱阵列电极是使用PμSL微尺度3D打印技术与软光刻相结合的方法制备而得,通过SEM和循环伏安法进行表征测试。实验结果显示,无论扫描速率的高低,高度值更大的微柱有利于提高电流密度。Pt-Pd/多层碳纳米管材料涂覆可进一步提高微柱阵列电极的电化学检测性能。相较于平板式电极,微柱阵列电极的电化学检测灵敏度是前者的1.5倍。高度500 μm的Pt-Pd/多层碳纳米管改性的微柱阵列电极可用于检测肌氨酸(一种前列腺癌的生物标记物),其线性范围和检测极限分别是5-60 μM 和1.28 μM。 这个检测范围覆盖了肌氨酸在人体组织的浓度区间(0-60 μM)。其更高的微柱高度和更大的比表面积微柱阵列电极比平板式电极获得了更好的检测性能。该研究工作为高检测灵敏度的微柱阵列电极在低丰度分析物的检测应用提供了有效的指导 

 

图2: 微柱阵列电极的制备过程示意图及改性电极和电化学检测中典型的三电极式简易传感装置

 

     论文信息: DOI: 10.1039/d0ra07694e.

 

     研究二:动态微流体中微柱阵列电极的电化学检测研究

     摘要高集成度、高灵敏度、快速分析、极小的试剂消耗等优点促使µEDS备受学术界的关注。微小化的工作电极是µEDS的核心部件,其性能决定了整个µEDS的检测表现。相比于传统的微电极形貌,如带状、环状、圆片状,三维微柱阵列电极因其更大的反应面积,具有更高的响应电流和更低的检测极限。在该研究工作中,采用数值仿真研究了µEDS的检测性能以及三维微柱的形貌和流体的动力学参数,包括微柱的形状、高度以及排列方式和反应溶剂的流速。µEDS的尾端效应在基于预设的电流密度参数下也进行了定量分析。此外,通过结合PμSL微尺度3D打印技术与软刻蚀的方法制备的PDMS基三维微柱阵列电极与微通道集成,用于研究电化学检测。循环伏安法和计时电流法测试的结果表明,实验数据与模拟数据吻合较好。此研究为µEDS的参数设计提供了指导性建议,所使用的方案亦可适用或借鉴于分析和优化基于纳米芯片的电化学检测系统(nEDS)。

 

图3: μEDS和微柱阵列的示意图以及微柱阵列的形貌参数

 

论文信息: DOI:10.3390/mi11090858.

 

上述研究中微柱电极结构模具均采用PμSL微尺度3D打印技术加工,所采用的加工设备均为摩方精密(BMF, Boston Micro Fabrication)公司10 μm光学精度设备P140,其最大打印尺寸为19.2mm (L)×10.8mm (W)×45mm (H),打印层厚为 10~40 μm。

 

 图4:BMF公司10微米系列精度设备P140/S140