Capteur électrochimique microfluidique rapide et peu coûteux fabriqué directement sur électrodes sérigraphiées pour détection ultra-sensible du PSA

Résumé

Nous présentons la première démonstration d'une plateforme microfluidique fabriquée directement sur une électrode sérigraphiée (SPE) commercialement disponible en utilisant un processus simple, rapide et peu coûteux. Le dispositif — appelé CASPE-MFD (Commercially Available SPE-Based Microfluidic Device) — combine des microcanaux en polydiméthylsiloxane (PDMS) avec un substrat SPE revêtu de verre. Dans le sérum humain, le CASPE-MFD atteint une limite de détection (LOD) de 0,84 pg/mL (25,8 fM) pour l'antigène prostatique spécifique (PSA) et affiche une excellente linéarité sur une gamme de 0,001–10 ng/mL. Cette plateforme offre une solution scalable et peu coûteuse pour le diagnostic au point de soin, la surveillance environnementale et l'analyse de la sécurité alimentaire.

Contexte

Les systèmes microfluidiques manipulent des volumes de nanolitres à picolitres dans des canaux à l'échelle micrométrique, permettant des analyses à haut débit et économes en réactifs. Leur intégration avec des capteurs électrochimiques confère une sensibilité remarquable, une réponse rapide et des exigences d'instrumentation minimales, les rendant idéaux pour le diagnostic biomédical sur site.

Les lectures électrochimiques sont intrinsèquement compatibles avec la microfluidique, éliminant l'optique encombrante et simplifiant la fabrication. La synergie entre microfluidique et SPE — déjà largement utilisées dans les dispositifs de point de soin cliniques — promet une plateforme de capteur entièrement intégrée et jetable.

Dans ce travail, nous fabriquons des CASPE-MFD en collant des microcanaux PDMS sur un SPE revêtu de verre via activation par plasma d'oxygène. Le dispositif est testé pour la quantification du PSA dans le tampon phosphate et le sérum humain en utilisant la chronoampérométrie (CA) et la voltampérométrie à onde carrée (SWV).

a Fabrication des microcanaux PDMS via photolithographie SU-8. b Assemblage du CASPE-MFD : canaux PDMS collés sur un SPE revêtu de verre contenant deux électrodes de travail/contre-électrode en or et une pseudo-électrode de référence en argent. c Photographie du CASPE-MFD terminé.

Matériaux et méthodes

Réactifs et matériaux

PSA, anti-PSA conjugué HRP, anti-PSA biotinylé, billes magnétiques streptavidine, BSA, hydroquinone, Tween-20, H₂O₂ et acide férrocènecarboxylique provenaient de fournisseurs commerciaux (Petsec Energy Ltd., Fisher Scientific, Sigma-Aldrich). Le pré-polymère PDMS et l'agent de réticulation étaient obtenus de Dow Corning. Tous les tampons étaient préparés avec de l'eau ultrapure (Millipore Milli-Q).

Instrumentation

Imagerie par fluorescence : Olympus U-CMAD3. Nettoyage par plasma : Harrick PDC-32G. Mesures électrochimiques : potentiostat CHI 760B (configuration trois électrodes : or travail/contre-électrode, pseudo-référence argent).

Fabrication de la puce microfluidique

Les canaux PDMS étaient structurés sur une wafer de silicium revêtu de SU-8 2075, exposés à la lumière UV et réticulés. Le substrat SPE était revêtu d'une fine couche de verre via un mélange sol-gel (TEOS:MTES:éthanol:eau = 1:1:1:1) et réticulé à 65 °C pendant la nuit. Les surfaces PDMS et SPE étaient activées par plasma O₂ pendant 30 s avant alignement et collage, formant un joint hermétique.

Expériences chronoampérométriques

Les mesures étaient effectuées dans du PBS 1× pH 7,4 contenant 4,5 mM d'hydroquinone et 0,1 mM de H₂O₂. Le CASPE-MFD était d'abord activé par cyclage entre 0,5–1,5 V dans H₂SO₄ 0,5 M. Ensuite, 50 µL d'anticorps anti-PSA conjugué à billes magnétiques était introduit à 50 µL min⁻¹, suivi du blocage, incubation au PSA, ajout d'HRP-anti-PSA, et finalement la solution électroactive. La chronoampérométrie était réalisée à –2,0 mV versus la pseudo-référence argent, en enregistrant le courant d'état stationnaire après 30 s.

Résultats et discussion

Caractérisation du dispositif

Des microbilles fluorescentes injectées dans le CASPE-MFD remplissaient les canaux uniformément sans bulles, confirmant une performance fluidique robuste à des débits jusqu'à 100 µL min⁻¹ (Figure 2).

a Infiltration de microbilles fluorescentes sur le SPE. b Image en champ clair du CASPE-MFD rempli. c Vue agrandie de la distribution de fluorescence.

La voltampérométrie cyclique avec 0,5 mM d'acide férrocènecarboxylique a confirmé un transfert d'électrons réversible (E_pa–E_pc = 62 mV) et une cinétique contrôlée par diffusion (i_pa ∝ √v). Les courants dans le CASPE-MFD correspondaient à ceux en solution bulk, indiquant que l'architecture microfluidique ne compromet pas la sensibilité (Figure 3).

a CV aux vitesses de balayage 10–350 mV s⁻¹. b Courbes d'étalonnage de i_pa et i_pc versus √vitesse de balayage.

Performance de détection du PSA

Les courbes chronoampérométriques (Figure 5a) montrent une augmentation monotone du courant avec la concentration en PSA (0–10 ng mL⁻¹). La gamme linéaire (0,001–10 ng mL⁻¹) donne une régression I (µA) = 14,87 + 3,927 × log C_PSA (R² = 0,9985). La LOD de 0,84 pg mL⁻¹ surpasse les essais commerciaux (0,1 ng mL⁻¹) de plus de 100 fois et surpasse les capteurs microfluidiques comparables.

La voltampérométrie à onde carrée (SWV) a produit des résultats parallèles, confirmant la robustesse de la lecture électrochimique (Figure 5c).

a Chronoampérométrie pour 0–10 ng mL⁻¹. b Courbes linéaires dans le tampon (bleu) et le sérum humain (rouge). c Courbes SWV. d Ajustement linéaire pour SWV (R² = 0,9884).

Sélectivité et analyse d'échantillons réels

Dans le sérum humain, le CASPE-MFD a maintenu la même linéarité et LOD, démontrant la compatibilité avec des matrices biologiques complexes. Aucune interférence significative n'a été observée depuis des composants potentiels de la matrice, soulignant la sélectivité de l'essai.

Conclusions

Le CASPE-MFD combine fabrication peu coûteuse, contrôle microfluidique et électrochimie SPE pour délivrer une détection ultra-sensible du PSA (<0,85 pg mL⁻¹) dans un format portable. Sa facilité d'assemblage, reproductibilité et potentiel de multiplexage en font une plateforme prometteuse pour le diagnostic au point de soin de biomarqueurs cancéreux, électrolytes et acides nucléiques.

Abréviations

MFD

Dispositifs microfluidiques

CASPE-MFD

Dispositifs microfluidiques basés sur électrode sérigraphiée

PDMS

Polydiméthylsiloxane

PSA

Antigène prostatique spécifique

CA

Chronoampérométrie

SWV

Voltampérométrie à onde carrée

LOD

Limite de détection

HRP

Peroxydase de raifort

TEOS

Tétra-éthoxy silane

MTES

Méthyl-triéthoxysilane

BNP

Peptide natriurétique de type B