Ihåliga mikronål-baserad sensor för Multiplexade Transdermal Elektrokemisk Sensing
Summary
Denna artikel detaljer konstruktionen av en multiplexerad mikronål-baserad sensor. Anordningen håller på att utvecklas för in situ provtagning och elektrokemisk analys av flera analyter i en snabb och selektiv sätt. Vi ser framför oss klinisk medicin och biomedicinsk forskning använder för dessa mikronål-baserade sensorer.
Abstract
Utvecklingen av en multiplex minimalinvasiv övervakningssystem för snabb analys av biologiskt relevanta molekyler skulle kunna erbjuda individer som lider av kroniska sjukdomar enkel bedömning av deras omedelbara fysiologiska tillstånd. Dessutom kan det tjäna som ett forskningsverktyg för analys av komplexa, multifaktoriella sjukdomar. För en sådan multianalyte sensor skall kunna förverkligas, måste det vara minimalt invasiva, provtagning av interstitiell vätska ska ske utan smärta eller skada för användaren, och analysen ska vara snabb och selektiv.
Ursprungligen utvecklades för smärtfri drug delivery, har mikronålar använts för att ge vacciner och farmakologiska medel (t.ex. insulin) genom huden. 1-2 Eftersom dessa enheter tillgång till mellanrummet kan mikronålar som är integrerade med mikroelektroder användas som transdermal elektrokemiska sensorer. Selektiv detektering av glukos, glutamat-, laktat-, hydrogen peroxid, och askorbinsyra har demonstrerats med användning integrerade mikronål-elektrodanordningarna med kolfibrer, modifierade pastor kol och platina-belagda mikronålar polymer som fungerar som transducerande element. 3-7,8
Denna mikronål sensorteknik har möjliggjort en ny och sofistikerad analytiskt förhållningssätt för in situ och samtidig detektering av flera analyter. Multiplexing ger möjlighet att övervaka komplexa mikromiljöer, som annars är svåra att karakterisera på ett snabbt och minimalt invasiva sätt. Exempelvis skulle denna teknik kunna användas för samtidig övervakning av extracellulära nivåer av glukos, laktat och pH, 9 vilka är viktiga metaboliska indikatorer på sjukdomstillstånd 7,10-14 (t.ex. cancer proliferation) och ansträngningsutlöst acidos. 15
Protocol
Discussion
Flera aspekter av utformningen av denna mikronålen-sensor ansågs före Komponentframställning. För att kunna använda denna sensor i realtid upptäckt, måste svarstiden för sensorn vara låg, i detta protokoll uppvisade varje testad sensor en svarstid under femton sekunder. Pastor i detta protokoll har också valt för sin selektivitet inom in vivo miljöer som innehåller elektroaktiva biomolekyler som kan störa elektrod svar. Förutom att klistra komposition, de verksamma potentialer valda för att min…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Sandia är multiprogram laboratorium som drivs av Sandia Corporation, en Lockheed Martin Company, för Förenta Anges Department of Energy National Nuclear Security Administration i kontraktet DE-AC04-94AL85000. Författarna erkänner finansiering från Sandia National Laboratories "Laboratory Regi Research & Development (LDRD) program.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number |
| Flat flexible cable | Molex | 3302/10SF |
| 0.003″ Side sided tape | Melinex | |
| 0.004″ Double sided tape | Melinex | |
| Lactate oxidase | Sigma | L0638 |
| Glucose oxidase | Sigma | G7141 |
| Rhodium on carbon | Sigma | 206164 |
| Graphite powder | Sigma | 385031000 |
| poly(ethylenimine) | Acros | 178570010 |
| Mineral oil | Sigma | M5904 |
| Glucose | Sigma | G8270 |
| Lactate | Sigma | L1750 |
| Fast Blue RR salt | Sigma | F0500 |
| e-Shell 300 | EnvisionTEC | |
| e-Shell 200 | EnvisionTEC | |
| Ag/AgCl reference electrode | Basi | MF-2052 |
| Pt wire | Basi | |
| PGSTAT12 AutolabPotentiostat | EcoChemie | |
| Perfactory RP | EnvisionTEC | |
| Ottoflash Postcuring system | EnvisionTEC | |
| Phosphoric acid | Fisher | A366-4 |
| 60W Model 6.75 CO2 raster/vector laser system | Universal Laser Systems | PLS6.75 |
| CorelDraw | Corel | |
| Solidworks | Dassault Systemes | 2009 |
| Magics RP13 | Materialise |
References
- Henry, S., McAllister, D. V., Allen, M. G., Prausnitz, M. R. Microfabricated microneedles: a novel approach to transdermal drug delivery. J. Pharm. Sci. 87, 922-925 (1998).
- Prausnitz, M. R. Microneedles for transdermal drug delivery. Adv. Drug Deliv. Rev. 56, 581-587 (2004).
- Miller, P. R., Gittard, S. D., Edwards, T. L., Lopez, D. M., Xiao, X., Wheeler, D. R., Monteiro-Riviere, N. A., Brozik, S. M., Polsky, R., Narayan, R. J. Integrated carbon fiber electrodes within hollow polymer microneedles for transdermal electrochemical sensing. Biomicrofluidics. 5, 013415-013415 (2011).
- Windmiller, J. R., Zhou, N., Chuang, M. C., Valdés-Ramírez, G., Santhosh, P., Miller, P. R., Narayan, R., Wang, J. Microneedle array-based carbon paste amperometric sensors and biosensors. Analyst. 136, 1846-1851 (2011).
- Windmiller, J. R., Valdés-Ramírez, G., Zhou, N., Zhou, M., Miller, P. R., Jin, C., Brozik, S. M., Polsky, R., Katz, E., Narayan, R., Wang, J. Bicomponent microneedle array biosensor for minimally-invasive glutamate monitoring. Electroanal. 23, 2302-2309 (2011).
- Ricci, F., Moscone, D., Palleschi, G. Ex vivo continuous glucose monitoringwith microdalysis technique: The example of GlucoDay. IEEE Sensors J. 8, 63-70 (2008).
- Zimmermann, S., Fienbork, D., Flounders, A. W., Liepmann, D. In-device enzyme immobilization: Wafer-level fabrication of an integrated glucose. Sens. Actuat. B. 99, 163-173 (2004).
- Miller, P. R., Skoog, S. A., Edwards, T. L., Lopez, D. M., Wheeler, D. R., Arango, D. C., Xiao, X., Brozik, S. M., Wang, J., Polsky, R., Narayan, R. J. Multiplexed microneedle-based biosensor array for characterization of metabolic acidosis. Biomicrofluidics. 88, 739-742 (2012).
- Miller, P. R., Skoog, S. A., Edwards, T. L., Lopez, D. M., Wheeler, D. R., Arango, D. C., Xiao, X., Brozik, S. M., Wang, J., Polsky, R., Narayan, R. J. Multiplexed microneedle-based biosensor array for characterization of metabolic acidosis. Talanta. 88, 739-742 (2012).
- Rofstad, E. K. Microenvironment-induced cancer metastasis. Int. J. Radiat. Biol. 76, 589-605 (2000).
- Vander Heiden, M. G., Cantley, L. C., Thompson, C. B. Understanding the Warburg effect: the metabolic requirements of cell proliferation. Science. 324, 1029-1033 (2009).
- Warburg, O., Wind, F., Negelein, E. The metabolism of tumors in the body. J. Gen. Physiol. 8, 519-530 (1927).
- Goode, J. A., Chadwick, D. J. The Tumour Microenvironment: Causes and Consequences of Hypoxia and Acidity. Novartis Foundation Symposium 240. , (2008).
- Cardone, R. A., Casavola, V., Reshkin, S. J. The role of disturbed pH dynamics and the Na+/H+ exchanger in metastasis. Nature Rev. Cancer. 5, 786-795 (2005).
- Robergs, R. A., Ghiasvand, F., Parker, D. Biochemistry of exercise-induced metabolic acidosis. Am. J. Phys. 287, R502-R516 (2004).
- Wang, J., Liu, J., Chen, L., Lu, F. Highly selective membrane-free, mediator-free glucose biosensor. Anal. Chem. 66, 3600-3603 (1994).
- Makos, M. A., Omiatek, D. M., Ewing, A. G., Heien, M. L. Development and characterization of a voltammetric carbon-fiber microelectrode pH sensor. Langmuir. 26, 10386-10391 (2010).
- Wang, J., Chen, Q., Pedrero, M. Highly selective biosensing of lactate at lactate oxidase containing rhodium-dispersed carbon paste electrodes. Anal. Chem. Acta. 304, 41-46 (1995).
