基于PμSL 微尺度3D打印的三維微柱陣列電極

微芯片電化學檢測系統（microchip-based electrochemical detection system, µEDS），是一種基于電化學方法與微流控技術的檢測平臺，其具有高靈敏度、極少試劑消耗、快速檢測、可適性高、自動化等優點，常用于現場實時應用場景，比如床邊檢測等。此類芯片中核心組件是微電極，其檢測性能尤為關鍵。傳統的微電極主要是二維或平面式的結構，如環狀、帶狀、平板式。另一方面，具有三維結構的微電極因其更大的反應面積和優異的檢測靈敏度已獲得越來越多研究學者的關注。微尺度3D打印技術的出現，使得三維微柱陣列電極的實現變得更加便捷、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，使用高精度紫外光刻投影系統，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，最終從數字模型直接加工得到立體樣件。該技術具有打印精度高、跨尺度加工、成型效率高、制造成本低等突出優勢，被認為是目前*有前景的三維微細結構加工技術之一。

圖1：PμSL技術原理示意圖

通過結合軟光刻以及金屬沉積技術，PμSL微尺度 3D打印技術近期在電化學檢測領域取得系列成果。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材質的三維微柱陣列，最后再經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構的表面作為導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以提高電化學檢測性能。

研究一：基于微柱陣列電極的生物標記物高靈敏度檢測研究

摘要：微柱陣列電極因其高質量運輸、低檢測極限以及微型化的特點被廣泛用于電化學檢測領域。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的區域內，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打印技術與軟光刻相結合的方法制備而得，通過SEM和循環伏安法進行表征測試。實驗結果顯示，無論掃描速率的高低，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一步提高微柱陣列電極的電化學檢測性能。相較于平板式電極，微柱陣列電極的電化學檢測靈敏度是前者的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肌氨酸（一種前列腺癌的生物標記物），其線性范圍和檢測極限分別是5-60 μM 和1.28 μM。這個檢測范圍覆蓋了肌氨酸在人體組織的濃度區間（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性能。該研究工作為高檢測靈敏度的微柱陣列電極在低豐度分析物的檢測應用提供了有效的指導。

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檢測中典型的三電極式簡易傳感裝置

研究二：動態微流體中微柱陣列電極的電化學檢測研究

摘要：高集成度、高靈敏度、快速分析、極小的試劑消耗等優點促使µEDS備受學術界的關注。微小化的工作電極是µEDS的核心部件，其性能決定了整個µEDS的檢測表現。相比于傳統的微電極形貌，如帶狀、環狀、圓片狀，三維微柱陣列電極因其更大的反應面積，具有更高的響應電流和更低的檢測極限。在該研究工作中，采用數值仿真研究了µEDS的檢測性能以及三維微柱的形貌和流體的動力學參數，包括微柱的形狀、高度以及排列方式和反應溶劑的流速。µEDS的尾端效應在基于預設的電流密度參數下也進行了定量分析。此外，通過結合PμSL微尺度3D打印技術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，用于研究電化學檢測。循環伏安法和計時電流法測試的結果表明，實驗數據與模擬數據吻合較好。此研究為µEDS的參數設計提供了指導性建議，所使用的方案亦可適用或借鑒于分析和優化基于納米芯片的電化學檢測系統（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

上述研究中微柱電極結構模具均采用PμSL微尺度3D打印技術加工，所采用的加工設備均為摩方精密（BMF, Boston Micro Fabrication）公司10 μm光學精度設備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微米系列精度設備P140/S140