基于PμSL 微尺度3D打印的三維微柱陣列電極

微芯片電化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)（microchip-based electrochemical detection system, µEDS），是一種基于電化學(xué)方法與微流控技術(shù)的檢測(cè)平臺(tái)，其具有高靈敏度、極少試劑消耗、快速檢測(cè)、可適性高、自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，常用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)景，比如床邊檢測(cè)等。此類芯片中核心組件是微電極，其檢測(cè)性能尤為關(guān)鍵。傳統(tǒng)的微電極主要是二維或平面式的結(jié)構(gòu)，如環(huán)狀、帶狀、平板式。另一方面，具有三維結(jié)構(gòu)的微電極因其更大的反應(yīng)面積和優(yōu)異的檢測(cè)靈敏度已獲得越來越多研究學(xué)者的關(guān)注。微尺度3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，使得三維微柱陣列電極的實(shí)現(xiàn)變得更加便捷、快速、高效。

PμSL（Projection Micro Stereolithography，面投影微立體光刻）是一種面投影微尺度超高精度光固化增材制造技術(shù)，使用高精度紫外光刻投影系統(tǒng)，將需要打印的三維模型分層投影至樹脂液面，分層光固化成型并逐層累加，最終從數(shù)字模型直接加工得到立體樣件。該技術(shù)具有打印精度高、跨尺度加工、成型效率高、制造成本低等突出優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是目前*有前景的三維微細(xì)結(jié)構(gòu)加工技術(shù)之一。

圖1：PμSL技術(shù)原理示意圖

通過結(jié)合軟光刻以及金屬沉積技術(shù)，PμSL微尺度 3D打印技術(shù)近期在電化學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域取得系列成果。其中的微電極的制備過程大致為：通過PμSL微尺度3D打印技術(shù)打印得到三維微柱陣列模具，然后通過PDMS二次翻模得到PDMS材質(zhì)的三維微柱陣列，最后再經(jīng)過磁控濺射等金屬沉積方式將金屬比如金沉積在三維微柱結(jié)構(gòu)的表面作為導(dǎo)電層以形成最終的微柱電極。此外，還可選擇性地在電極表面修飾Pt-Pd/多層碳納米管等其他改性物質(zhì)以提高電化學(xué)檢測(cè)性能。

研究一：基于微柱陣列電極的生物標(biāo)記物高靈敏度檢測(cè)研究

摘要：微柱陣列電極因其高質(zhì)量運(yùn)輸、低檢測(cè)極限以及微型化的特點(diǎn)被廣泛用于電化學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域。該研究工作闡述了表面鍍金的PDMS基微柱陣列電極的制備、數(shù)值仿真、表面改性以及表征。9×10的微柱陣列排布在0.09cm2的區(qū)域內(nèi)，其中微柱的高度分別為100 μm，300 μm 和500 μm。微柱陣列電極是使用PμSL微尺度3D打印技術(shù)與軟光刻相結(jié)合的方法制備而得，通過SEM和循環(huán)伏安法進(jìn)行表征測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，無(wú)論掃描速率的高低，高度值更大的微柱有利于提高電流密度。Pt-Pd/多層碳納米管材料涂覆可進(jìn)一步提高微柱陣列電極的電化學(xué)檢測(cè)性能。相較于平板式電極，微柱陣列電極的電化學(xué)檢測(cè)靈敏度是前者的1.5倍。高度500 μm的Pt-Pd/多層碳納米管改性的微柱陣列電極可用于檢測(cè)肌氨酸（一種前列腺癌的生物標(biāo)記物），其線性范圍和檢測(cè)極限分別是5-60 μM 和1.28 μM。這個(gè)檢測(cè)范圍覆蓋了肌氨酸在人體組織的濃度區(qū)間（0-60 μM）。因其更高的微柱高度和更大的比表面積，微柱陣列電極比平板式電極獲得了更好的檢測(cè)性能。該研究工作為高檢測(cè)靈敏度的微柱陣列電極在低豐度分析物的檢測(cè)應(yīng)用提供了有效的指導(dǎo)。

圖2：微柱陣列電極的制備過程示意圖及改性電極和電化學(xué)檢測(cè)中典型的三電極式簡(jiǎn)易傳感裝置

研究二：動(dòng)態(tài)微流體中微柱陣列電極的電化學(xué)檢測(cè)研究

摘要：高集成度、高靈敏度、快速分析、極小的試劑消耗等優(yōu)點(diǎn)促使µEDS備受學(xué)術(shù)界的關(guān)注。微小化的工作電極是µEDS的核心部件，其性能決定了整個(gè)µEDS的檢測(cè)表現(xiàn)。相比于傳統(tǒng)的微電極形貌，如帶狀、環(huán)狀、圓片狀，三維微柱陣列電極因其更大的反應(yīng)面積，具有更高的響應(yīng)電流和更低的檢測(cè)極限。在該研究工作中，采用數(shù)值仿真研究了µEDS的檢測(cè)性能以及三維微柱的形貌和流體的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，包括微柱的形狀、高度以及排列方式和反應(yīng)溶劑的流速。µEDS的尾端效應(yīng)在基于預(yù)設(shè)的電流密度參數(shù)下也進(jìn)行了定量分析。此外，通過結(jié)合PμSL微尺度3D打印技術(shù)與軟刻蝕的方法制備的PDMS基三維微柱陣列電極與微通道集成，用于研究電化學(xué)檢測(cè)。循環(huán)伏安法和計(jì)時(shí)電流法測(cè)試的結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)吻合較好。此研究為µEDS的參數(shù)設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)性建議，所使用的方案亦可適用或借鑒于分析和優(yōu)化基于納米芯片的電化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)（nanochip-based electrochemical detection system, nEDS）。

圖3：μEDS和微柱陣列的示意圖以及微柱陣列的形貌參數(shù)

上述研究中微柱電極結(jié)構(gòu)模具均采用PμSL微尺度3D打印技術(shù)加工，所采用的加工設(shè)備均為摩方精密（BMF, Boston Micro Fabrication）公司10 μm光學(xué)精度設(shè)備P140，其最大打印尺寸為19.2mm (L)×10.8mm (W)×45mm (H)，打印層厚為 10~40 μm。

圖4：BMF公司10微米系列精度設(shè)備P140/S140