Sensor Eletroquímico Microfluídico de Baixo Custo e Rápido Fabricado Diretamente em Eletrodos Serigrafados para Detecção Ultra-Sensível de PSA

Resumo

Apresentamos a primeira demonstração de plataforma microfluídica fabricada diretamente em eletrodo serigrafado (SPE) comercialmente disponível usando processo simples, rápido e barato. O dispositivo — denominado CASPE-MFD (Dispositivo Microfluídico Baseado em SPE Comercialmente Disponível) — combina microcanais de polidimetilsiloxano (PDMS) com substrato de SPE revestido de vidro. Em soro humano, o CASPE-MFD atinge limite de detecção (LOD) de 0,84 pg/mL (25,8 fM) para antígeno prostático específico (PSA) e exibe excelente linearidade em faixa de 0,001-10 ng/mL. Esta plataforma oferece solução escalável e de baixo custo para diagnósticos point-of-care, monitoramento ambiental e análise de segurança alimentar.

Contexto

Sistemas microfluídicos manipulam volumes de nanolitros a picolitros dentro de canais de escala micrométrica, permitindo análises de alto rendimento e eficientes em reagentes. Sua integração com sensores eletroquímicos confere sensibilidade notável, resposta rápida e requisitos mínimos de instrumentação, tornando-os ideais para diagnósticos biomédicos no local.

Leituras eletroquímicas são inerentemente compatíveis com microfluídica, eliminando óptica volumosa e simplificando fabricação. A sinergia de microfluídica e SPEs — já amplamente usados em dispositivos point-of-care clínicos — promete plataforma de sensor totalmente integrada e descartável.

Neste trabalho, fabricamos CASPE-MFDs ligando microcanais de PDMS em SPE revestido de vidro via ativação por plasma de oxigênio. O dispositivo é testado para quantificação de PSA em tampão fosfato e soro humano usando cronoamperometria (CA) e voltametria de onda quadrada (SWV).

a Fabricação de microcanais PDMS via fotolitografia SU-8. b Montagem do CASPE-MFD: canais PDMS ligados a SPE revestido de vidro contendo dois eletrodos de trabalho/contra ouro e eletrodo pseudo-referência de prata. c Fotografia do CASPE-MFD completo.

Materiais e Métodos

Reagentes e Materiais

PSA, anti-PSA conjugado com HRP, anti-PSA biotinilado, esferas magnéticas de estreptavidina, BSA, hidroquinona, Tween-20, H₂O₂ e ácido ferrocenocarboxílico foram obtidos de fornecedores comerciais (Petsec Energy Ltd., Fisher Scientific, Sigma-Aldrich). Pré-polímero e agente de cura de PDMS foram obtidos da Dow Corning. Todos os tampões foram preparados com água ultrapura (Millipore Milli-Q).

Instrumentação

Imageamento de fluorescência: Olympus U-CMAD3. Limpeza por plasma: Harrick PDC-32G. Medidas eletroquímicas: potenciostato CHI 760B (configuração de três eletrodos: ouro trabalho/contra, pseudo-referência de prata).

Fabricação do Chip Microfluídico

Canais PDMS foram padronizados em wafer de silício revestido com SU-8 2075, expostos a luz UV e curados. Substrato SPE foi revestido com fina camada de vidro via mistura sol-gel (TEOS:MTES:etanol:água = 1:1:1:1) e curado a 65 °C durante a noite. Superfícies de PDMS e SPE foram ativadas por plasma de O₂ por 30 s antes de alinhamento e ligação, formando vedação hermética.

Experimentos Cronoamperométricos

Medidas foram realizadas em 1× PBS pH 7,4 contendo 4,5 mM hidroquinona e 0,1 mM H₂O₂. CASPE-MFD foi primeiro ativado ciclando entre 0,5-1,5 V em H₂SO₄ 0,5 M. Então, 50 µL de anticorpo anti-PSA conjugado a esferas magnéticas foi introduzido a 50 µL min⁻¹, seguido por bloqueio, incubação com PSA, adição de HRP-anti-PSA e finalmente solução eletroativa. Cronoamperometria foi realizada a –2,0 mV versus pseudo-referência de prata, registrando corrente de estado estacionário após 30 s.

Resultados e Discussão

Caracterização do Dispositivo

Microesferas fluorescentes injetadas no CASPE-MFD preencheram canais uniformemente sem bolhas, confirmando desempenho fluídico robusto em taxas de fluxo até 100 µL min⁻¹ (Figura 2).

a Infiltração de microesferas fluorescentes no SPE. b Imagem de campo claro do CASPE-MFD preenchido. c Visão ampliada da distribuição de fluorescência.

Voltametria cíclica com 0,5 mM ácido ferrocenocarboxílico confirmou transferência de elétrons reversível (E_pa–E_pc = 62 mV) e cinética controlada por difusão (i_pa ∝ √v). Correntes no CASPE-MFD igualaram as em solução em massa, indicando que arquitetura microfluídica não compromete sensibilidade (Figura 3).

a CVs em taxas de varredura 10-350 mV s⁻¹. b Gráficos de calibração de i_pa e i_pc versus √taxa de varredura.

Desempenho de Detecção de PSA

Curvas cronoamperométricas (Figura 5a) mostram aumento monótono de corrente com concentração de PSA (0-10 ng mL⁻¹). Faixa linear (0,001-10 ng mL⁻¹) resulta em regressão de I (µA) = 14,87 + 3,927 × log C_PSA (R² = 0,9985). LOD de 0,84 pg mL⁻¹ supera ensaios comerciais (0,1 ng mL⁻¹) por >100 vezes e supera sensores microfluídicos comparáveis.

Voltametria de onda quadrada (SWV) produziu resultados paralelos, confirmando robustez da leitura eletroquímica (Figura 5c).

a Cronoamperometria para 0-10 ng mL⁻¹. b Gráficos lineares em tampão (azul) e soro humano (vermelho). c Curvas SWV. d Ajuste linear para SWV (R² = 0,9884).

Seletividade e Análise de Amostras Reais

Em soro humano, CASPE-MFD manteve mesma linearidade e LOD, demonstrando compatibilidade com matrizes biológicas complexas. Nenhuma interferência significativa foi observada de componentes potenciais da matriz, ressaltando seletividade do ensaio.

Conclusões

O CASPE-MFD combina fabricação de baixo custo, controle microfluídico e eletroquímica de SPE para entregar detecção ultra-sensível de PSA (<0,85 pg mL⁻¹) em formato portátil. Sua facilidade de montagem, reprodutibilidade e potencial para multiplexação tornam-no plataforma promissora para diagnósticos point-of-care de biomarcadores de câncer, eletrólitos e ácidos nucleicos.

Abreviações

MFDs

Dispositivos microfluídicos

CASPE-MFDs

Dispositivos microfluídicos baseados em eletrodo serigrafado

PDMS

Polidimetilsiloxano

PSA

Antígeno prostático específico

CA

Cronoamperometria

SWV

Voltametria de onda quadrada

LOD

Limite de detecção

HRP

Peroxidase de raiz forte

TEOS

Tetra-etoxi silano

MTES

Metil-trietoxisilano

BNP

Peptídeo natriurético tipo B