[論文レビュー] Fabrication and Characterization of an Amperometric Glucose Sensor on a Flexible Polyimide Substrate

Xiaosong Du, Christopher J. Durgan+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2014

Analytical Chemistry and Sensors被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、e-jet印刷、電気化学的めっき、スピンコーティングを含む付加的製造技術を用いて12.7 µmのポリイミド基板上に作製された柔軟でアンペロメトリックなブドウ糖センサーを提示する。このセンサーは32 mMまでのブドウ糖に対して線形応答を示し、アセトアミノフェンによる干渉は認められず、グルコースオキシダーゼインクのe-jet印刷後も酵素活性を維持する。

ABSTRACT

This study details the use of printing and other additive processes to fabricate a novel amperometric glucose sensor. The sensor was fabricated using a Au coated 12.7 micron polyimide film as a starting material, where micro-contact printing, electrochemical plating and chloridization, electrohydrodynamic jet (e-jet) printing, and spin coating were used to pattern, deposit, print, and coat functional materials, respectively. We have found that e-jet printing was effective for the deposition and patterning of glucose oxidase inks between ~5 to 1000 micron in width, and we have demonstrated that the enzyme was still active after printing. The thickness of the permselective layer was optimized to obtain a linear response to glucose concentration up to 32 mM. For these sensors no response to acetaminophen, a common interfering compound, was observed.

研究の動機と目的

• 低コストで付加的製造技術を用いた柔軟でウェアラブルなブドウ糖センサーの開発。
• 薄いポリイミド基板上でのe-jet印刷によるグルコースオキシダーゼインクの高精度なパターン形成の実現。
• 32 mMまでのブドウ糖濃度に対して線形応答を得るためのパーミセレクティブ層の厚さ最適化。
• アセトアミノフェンなどの一般的な電活性性化合物による干渉の低減。
• 印刷後の酵素活性の維持を確認し、信頼性の高いバイオセンシング性能を実証。

提案手法

• 柔軟で導電性の高い金被膜を施した12.7 µmのポリイミドフィルムを基板として使用。
• マイクロコントラストプリントを用いて基板上に電極パターンを定義。
• 電気化学的めっきと塩化処理を施し、電極表面を改質することで感度を向上。
• 電気力学的ジェット（e-jet）印刷を用いて、5〜1000 µmの特徴幅を持つグルコースオキシダーゼインクを堆積。
• スピンコーティングを用いて一様なパーミセレクティブ層を形成し、物質移動を制御し選択性を向上。
• パーミセレクティブ層の厚さを最適化し、ブドウ糖に対するアンペロメトリック応答の線形性を達成。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 e-jet印刷は、酵素活性を保持したまま、柔軟なポリイミド基板上にグルコースオキシダーゼインクを効果的にパターン形成できるか？
• RQ2 32 mMまでのブドウ糖に対して線形応答を得るためのパーミセレクティブ層の最適厚さは何か？
• RQ3 作製されたセンサーは、アセトアミノフェンなどの一般的な干渉物質に対して選択性を示すか？
• RQ4 e-jet印刷や電気化学的めっきなどの付加的製造技術は、柔軟基板上でのセンサー性能にどのように寄与するか？
• RQ5 複数の印刷およびコーティングプロセスの統合により、機能的で柔軟なアンペロメトリックブドウ糖センサーを実現できるか？

主な発見

• e-jet印刷により、5〜1000 µmの特徴幅を持つグルコースオキシダーゼインクの堆積に成功し、柔軟基板上での高解像度パターン形成を実証。
• グルコースオキシダーゼはe-jet印刷後も酵素活性を保持しており、ブドウ糖に対する機能的アンペロメトリック応答で確認された。
• パーミセレクティブ層の厚さを最適化することで、32 mMまでのブドウ糖濃度に対して線形応答を達成。
• アセトアミノフェンに対しては検出可能な応答が認められず、この一般的な干渉物質に対する高い選択性を示した。
• マイクロコントラストプリント、電気化学的めっき、e-jet印刷、スピンコーティングの統合により、薄く柔軟なポリイミド基板上での完全な付加的製造プロセスを実現。
• 最終的なセンサー設計は、ウェアラブルまたはインプラント可能なバイオセンシング用途に適した安定性と機能性を示した。