Sensor electroquímico microfluídico rápido, bajo costo fabricado directamente sobre electrodos serigrafiados para detección ultra-sensible PSA

Resumen

Presentamos primera demostración plataforma microfluídica fabricada directamente sobre electrodo serigrafiado (SPE) comercialmente disponible usando proceso simple, rápido e económico. Dispositivo —denominado CASPE-MFD (Dispositivo Microfluídico Basado en SPE Comercial)— combina microcanales polidimetilsiloxano (PDMS) con sustrato SPE recubierto vidrio. En suero humano, CASPE-MFD logra límite detección (LOD) 0,84 pg/mL (25,8 fM) antígeno prostático específico (PSA) y muestra excelente linealidad rango 0,001–10 ng/mL. Esta plataforma ofrece solución escalable, bajo costo para diagnósticos punto-atención, monitoreo ambiental y análisis seguridad alimentaria.

Antecedentes

Sistemas microfluídicos manipulan volúmenes nanolitros a picolitros dentro canales escala micrómetro, permitiendo análisis alto rendimiento, eficientes reactivos. Su integración con sensores electroquímicos confiere sensibilidad notable, respuesta rápida y requisitos instrumentación mínimos, haciéndolos ideales diagnósticos biomédicos in-situ.

Lecturas electroquímicas son inherentemente compatibles microfluídica, eliminando óptica voluminosa y simplificando fabricación. Sinergia microfluídica y SPEs —ya ampliamente usados dispositivos punto-atención clínicos— promete plataforma sensor totalmente integrada, desechable.

En este trabajo, fabricamos CASPE-MFDs uniendo microcanales PDMS sobre SPE recubierto vidrio vía activación plasma oxígeno. Dispositivo probado cuantificación PSA en tampón fosfato y suero humano usando cronoamperometría (CA) y voltametría onda cuadrada (SWV).

a Fabricación microcanales PDMS via fotolitografía SU-8. b Montaje CASPE-MFD: canales PDMS unidos SPE recubierto vidrio conteniendo dos electrodos trabajo/referencia oro y pseudo-referencia plata. c Fotografía CASPE-MFD completado.

Materiales y Métodos

Reactivos y Materiales

PSA, anti-PSA conjugado HRP, anti-PSA biotilizado, cuentas magnéticas estreptavidina, BSA, hidroquinona, Tween-20, H₂O₂, ácido ferrocenocarboxílico adquiridos proveedores comerciales (Petsec Energy Ltd., Fisher Scientific, Sigma-Aldrich). Pre-polímero PDMS y agente curado obtenidos Dow Corning. Todos tampones preparados agua ultrapura (Millipore Milli-Q).

Instrumentación

Imagen fluorescencia: Olympus U-CMAD3. Limpieza plasma: Harrick PDC-32G. Medidas electroquímicas: potenciostato CHI 760B (configuración tres electrodos: trabajo/referencia oro, pseudo-referencia plata).

Fabricación Chip Microfluídico

Canales PDMS patternados oblea silicio recubierta SU-8 2075, expuestos luz UV, curados. Sustrato SPE recubierto capa fina vidrio vía mezcla sol-gel (TEOS:MTES:etanol:agua = 1:1:1:1) y curado 65 °C overnight. Ambas superficies PDMS y SPE activadas 30 s plasma O₂ antes alineación y unión, formando sello hermético.

Experimentos Cronoamperométricos

Medidas realizadas 1× pH 7,4 PBS conteniendo 4,5 mM hidroquinona y 0,1 mM H₂O₂. CASPE-MFD primero activado ciclando 0,5–1,5 V en 0,5 M H₂SO₄. Luego, 50 µL anti-PSA anticuerpo conjugado cuentas magnéticas introducido 50 µL min⁻¹, seguido bloqueo, incubación PSA, adición HRP-anti-PSA, y finalmente solución electroactiva. Cronoamperometría realizada –2,0 mV versus pseudo-referencia plata, registrando corriente estado estable tras 30 s.

Resultados y Discusión

Caracterización Dispositivo

Microesferas fluorescentes inyectadas CASPE-MFD llenaron canales uniformemente sin burbujas, confirmando desempeño fluídico robusto tasas flujo hasta 100 µL min⁻¹ (Figura 2).

a Infiltración microesferas fluorescentes SPE. b Imagen campo claro CASPE-MFD lleno. c Vista ampliada distribución fluorescencia.

Voltametría cíclica con 0,5 mM ácido ferrocenocarboxílico confirmó transferencia electrón reversible (E_pa–E_pc = 62 mV) y cinética controlada difusión (i_pa ∝ √v). Corrientes CASPE-MFD igualaron solución a granel, indicando arquitectura microfluídica no compromete sensibilidad (Figura 3).

a CVs tasas barrido 10–350 mV s⁻¹. b Gráficos calibración i_pa e i_pc versus √tasa barrido.

Desempeño Detección PSA

Curvas cronoamperométricas (Figura 5a) muestran aumento monótono corriente con concentración PSA (0–10 ng mL⁻¹). Rango lineal (0,001–10 ng mL⁻¹) produce regresión I (µA) = 14,87 + 3,927 × log C_PSA (R² = 0,9985). LOD 0,84 pg mL⁻¹ supera ensayos comerciales (0,1 ng mL⁻¹) >100-vez y supera sensores microfluídicos comparables.

Voltametría onda cuadrada (SWV) produjo resultados paralelos, confirmando robustez lectura electroquímica (Figura 5c).

a Cronoamperometría 0–10 ng mL⁻¹. b Gráficos lineales tampón (azul) y suero humano (rojo). c Curvas SWV. d Ajuste lineal SWV (R² = 0,9884).

Selectividad y Análisis Muestras Reales

En suero humano, CASPE-MFD mantuvo misma linealidad y LOD, demostrando compatibilidad matrices biológicas complejas. No interferencia significativa observada componentes potenciales matriz, subrayando selectividad ensayo.

Conclusiones

CASPE-MFD combina fabricación bajo costo, control microfluídico y electroquímica SPE para entregar detección ultra-sensible PSA (<0,85 pg mL⁻¹) formato portátil. Su facilidad montaje, reproducibilidad y potencial multiplexado lo convierten plataforma prometedora diagnósticos punto-atención biomarcadores cáncer, electrolitos y ácidos nucleicos.

Abreviaturas

MFD

Dispositivos microfluídicos

CASPE-MFD

Dispositivos microfluídicos basados en electrodo serigrafiado

PDMS

Polidimetilsiloxano

PSA

Antígeno prostático específico

CA

Cronoamperometría

SWV

Voltametría onda cuadrada

LOD

Límite detección

HRP

Peroxidasa rábano picante

TEOS

Tetra-etoxisilano

MTES

Metil-trietoxisilano

BNP

Péptido natriurético tipo B