상용 스크린 프린트 전극(SPE) 위에 단순, 신속, 저비용 공정으로 마이크로플루이딕 플랫폼을 직접 제작한 최초 시연을 제시합니다. 이 소자(CASPE-MFD, Commercially Available SPE-Based Microfluidic Device)는 폴리디메틸실록산(PDMS) 미세채널과 유리 코팅 SPE 기판을 결합합니다. 인체 혈청에서 전립선 특이 항원(PSA)에 대해 검출한계(LOD) 0.84 pg/mL(25.8 fM)를 달성하고 0.001-10 ng/mL 범위에서 우수한 직선성을 보입니다. 이 플랫폼은 현장 진단, 환경 모니터링, 식품 안전 분석을 위한 확장 가능하고 저비용인 솔루션을 제공합니다.
마이크로플루이딕 시스템은 나노리터-피코리터 부피를 마이크로미터 규모 채널에서 조작하여 고처리량, 시약 효율적 분석을 가능하게 합니다. 전기화학 센서와의 결합은 뛰어난 감도, 빠른 응답, 최소한의 장비 요구로 현장 생물의학 진단에 이상적입니다.
전기화학적 읽기 방식은 본질적으로 마이크로플루이딕과 호환되어 부피가 큰 광학계를 없애고 제작을 단순화합니다. 임상 현장 진단 기기에 이미 널리 사용되는 SPE와의 시너지는 완전 통합형 일회용 센서 플랫폼을 약속합니다.
본 연구에서는 산소 플라즈마 활성화로 PDMS 미세채널을 유리 코팅 SPE에 접합하여 CASPE-MFD를 제작했습니다. 이 소자를 인산염 완충액과 인체 혈청에서 연쇄전류법(CA)과 방형파 전압전류법(SWV)으로 PSA 정량에 테스트했습니다.
a SU-8 포토리소그래피로 PDMS 미세채널 제작. b CASPE-MFD 조립: 두 금 작업/대전극과 은 준기준전극을 포함한 유리 코팅 SPE에 PDMS 채널 접합. c 완성된 CASPE-MFD 사진
PSA, HRP-결합 항-PSA, 비오틴화 항-PSA, 스트렙타비딘 자성 비드, BSA, 하이드로퀴논, Tween-20, H₂O₂, 페로센카복실산을 상업 공급업체(Petsec Energy Ltd., Fisher Scientific, Sigma-Aldrich)에서 구입. PDMS 프리폴리머와 경화제는 Dow Corning 제품. 모든 완충액은 초순수(Millipore Milli-Q)로 제조.
형광 이미징: Olympus U-CMAD3. 플라즈마 세정: Harrick PDC-32G. 전기화학 측정: CHI 760B 포텐쇼스태트(3전극계: 금 작업/대전극, 은 준기준전극).
PDMS 채널을 SU-8 2075 코팅 실리콘 웨이퍼에 패터닝하고 UV 노출, 경화했습니다. SPE 기판을 솔-겔 혼합물(TEOS:MTES:에탄올:물 = 1:1:1:1)로 얇은 유리층 코팅 후 65°C에서 하룻밤 경화. PDMS와 SPE 표면을 30초 O₂ 플라즈마로 활성화 후 정렬 접합하여 기밀 실링을 형성했습니다.
4.5 mM 하이드로퀴논과 0.1 mM H₂O₂를 포함한 1× pH 7.4 PBS에서 측정 수행. CASPE-MFD를 0.5 M H₂SO₄에서 0.5-1.5 V 사이클링으로 활성화. 50 µL/min으로 자성비드-결합 항-PSA 항체 50 µL 주입, 차단, PSA 인큐베이션, HRP-항-PSA 첨가, 마지막으로 전기활성 용액 순서로 진행. 은 준기준전극 대비 -2.0 mV에서 연쇄전류법 수행, 30초 후 정상상태 전류 기록.
CASPE-MFD에 주입된 형광 마이크로비드가 기포 없이 채널을 균일하게 채워 100 µL/min까지 유량에서 견고한 유체 성능을 확인했습니다(그림 2).
a SPE 상 형광 마이크로비드 침투. b 채워진 CASPE-MFD 명시야 이미지. c 형광 분포 확대 뷰
0.5 mM 페로센카복실산으로 순환전압전류법 측정 시 가역적 전자전달(E_pa-E_pc = 62 mV)과 확산 제어 동역학(i_pa ∝ √v) 확인. CASPE-MFD 전류가 벌크 용액과 일치하여 마이크로플루이딕 구조가 감도를 저해하지 않음 확인(그림 3).
a 10-350 mV/s 주사속도 CV 곡선. b i_pa, i_pc 대 √주사속도 보정 플롯
연쇄전류 곡선(그림 5a)은 PSA 농도(0-10 ng/mL)에 따라 단조로운 전류 증가를 보입니다. 선형 범위(0.001-10 ng/mL)에서 회귀식 I(µA) = 14.87 + 3.927 × log C_PSA (R² = 0.9985). LOD 0.84 pg/mL로 상용 분석법(0.1 ng/mL) 대비 100배 이상 우수하며 비교 가능한 마이크로플루이딕 센서보다도 뛰어납니다.
방형파 전압전류법(SWV)도 유사한 결과를 보여 전기화학적 읽기의 견고성을 확인했습니다(그림 5c).
a 0-10 ng/mL 연쇄전류법. b 완충액(파랑) 및 인체 혈청(빨강) 선형 플롯. c SWV 곡선. d SWV 선형 피팅(R² = 0.9884)
인체 혈청에서 CASPE-MFD는 동일한 직선성과 LOD를 유지하여 복잡한 생물학적 매트릭스와의 호환성을 입증했습니다. 잠재적 매트릭스 성분으로부터 유의한 간섭이 관찰되지 않아 분석법의 선택성을 강조합니다.
CASPE-MFD는 저비용 제작, 마이크로플루이딕 제어, SPE 전기화학을 결합하여 휴대용 형식으로 초고감도 PSA 검출(<0.85 pg/mL)을 구현했습니다. 조립 용이성, 재현성, 다중화 잠재력으로 암 바이오마커, 전해질, 핵산 현장 진단을 위한 유망한 플랫폼입니다.
나노물질
요약 본 논문에서는 전금속 메타물질 기반 테라헤르츠(THz) 바이오센서를 이론적으로 연구하고 실험적으로 검증했습니다. 이 THz 메타물질 바이오센서는 레이저 드릴링 기술로 제조된 스테인리스강 소재를 사용합니다. 시뮬레이션 결과, 이 메타물질 센서의 최대 굴절률 감도와 성능 지수(FOM)는 각각 294.95 GHz/RIU와 4.03으로 나타났습니다. 이어서 소혈청알부민(BSA)을 검출 물질로 선정해 바이오센서의 유효성을 평가했습니다. 실험 결과 검출 감도는 72.81 GHz/(ng/mm2), 검출 한계(LOD)는 0.035 mg/mL
소량의 마이크로플루이딕 디바이스 또는 랩온어칩(Lab-on-a-Chip)을 CNC 가공이나 사출 성형으로 제조하는 것은 전통적으로 어려웠지만, 프로토랩스는 이를 위해 3D 프린팅 기반 마이크로플루이딕 제작 서비스를 제공합니다. 마이크로플루이딕은 일반적으로 매우 평평한 표면과 투명하고 얕은 특징을 요구하는데, 이는 밀링 및 핸드 폴리싱된 금형에서 제작하기 어렵습니다. 이러한 미세 특징은 쉽게 식별되지 않아 세심한 폴리싱이 필요하며, 사출 성형 압력은 에지를 더욱 둥글게 만들 수 있을 뿐만 아니라 이젝터 핀이 부품 표면에 영향을
