Mikroprægning: En bekvem proces til fremstilling af mikrokanaler på nanocellulosepapirbaseret mikrofluidik
Summary
Denne protokol beskriver en ligetil proces, der bruger praktiske plastmikroforme til enkle mikroprægningsoperationer til fremstilling af mikrokanaler på nanofibrilleret cellulosepapir og opnår en minimumsbredde på 200 μm.
Abstract
Nanopapir, der stammer fra nanofibrilleret cellulose, har skabt betydelig interesse som et lovende materiale til mikrofluidiske applikationer. Dens appel ligger i en række fremragende kvaliteter, herunder en usædvanlig glat overflade, fremragende optisk gennemsigtighed, en ensartet nanofibermatrix med nanoskalaporøsitet og tilpassede kemiske egenskaber. På trods af den hurtige vækst i nanopapirbaseret mikrofluidik har de nuværende teknikker, der anvendes til at skabe mikrokanaler på nanopapir, såsom 3D-printning, spraybelægning eller manuel skæring og samling, som er afgørende for praktiske anvendelser, stadig visse begrænsninger, navnlig modtagelighed for kontaminering. Desuden er disse metoder begrænset til produktion af kanaler i millimeterstørrelse. Denne undersøgelse introducerer en ligetil proces, der bruger praktiske plastmikroforme til enkle mikroprægningsoperationer til fremstilling af mikrokanaler på nanopapir og opnår en minimumsbredde på 200 μm. Den udviklede mikrokanal overgår eksisterende tilgange, opnår en firedobbelt forbedring og kan fremstilles inden for 45 minutter. Desuden er fabrikationsparametre blevet optimeret, og der leveres en praktisk hurtigreferencetabel til applikationsudviklere. Proof-of-concept for en laminær mixer, dråbegenerator og funktionelle nanopapirbaserede analytiske enheder (NanoPAD’er) designet til Rhodamin B-sensing ved hjælp af overfladeforstærket Raman-spektroskopi blev demonstreret. Især udviste NanoPAD’erne enestående ydeevne med forbedrede detektionsgrænser. Disse fremragende resultater kan tilskrives nanopapirets overlegne optiske egenskaber og den nyligt udviklede nøjagtige mikroprægningsmetode, der muliggør integration og finjustering af NanoPAD’erne.
Introduction
For nylig er nanofibrilleret cellulosepapir (NFC) (nanopapir) opstået som et meget lovende substratmateriale til forskellige applikationer såsom fleksibel elektronik, energienheder og biomedicin 1,2,3,4. Afledt af naturlige planter er nanopapir omkostningseffektivt, biokompatibelt og biologisk nedbrydeligt, hvilket gør det til et tiltalende alternativ til traditionelt cellulosepapir 5,6. Dens enestående egenskaber omfatter en ultraglat overflade med en overfladeruhed på mindre end 25 nm og en tæt cellulosematrixstruktur, der giver mulighed for at skabe højt strukturerede nanostrukturer7. Rigelige hydroxylgrupper af nanopapir bidrager til dets kompakte og tæt pakkede nanocellulosestruktur8. Nanopaper udviser fremragende optisk gennemsigtighed og minimal optisk tåge, hvilket gør det velegnet til optiske sensorer. Derudover muliggør dens iboende hydrofilicitet pumpefrit flow, selv med sin tykke struktur, hvilket giver autonom væskebevægelse 9,10. Nanocellulose har forskellige anvendelser inden for biologiske sensorer, ledende elektroniske enheder, cellekulturplatforme, superkondensatorer, batterier og mere, hvilket viser dets alsidighed og potentiale11,12. Især nanocellulose er lovende for papirbaserede analytiske mikrofluidiske enheder (μPAD’er), hvilket giver unikke fordele i forhold til konventionelt kromatografipapir.
I det sidste årti har μPAD’er opnået betydelig opmærksomhed på grund af deres overkommelige priser, biokompatibilitet, pumpefri drift og lette produktion13,14. Disse enheder har vist sig som effektive diagnostiske værktøjer til behandlingssteder, især i ressourcebegrænsede indstillinger15,16,17. Et betydeligt fremskridt på dette område var udviklingen af vokstryk, pioneret af George Whitesides18 og Bingcheng Lin gruppe19, hvilket muliggjorde oprettelsen af funktionelle μPAD’er ved at inkorporere mikrokanaler på kromatografipapir. Derefter udviklede μPAD’er sig hurtigt, og forskellige biosensingteknikker, herunder elektrokemiske metoder 20, kemiluminescens21 og enzymbundet immunosorbentassay (ELISA)22,23,24, blev med succes implementeret til påvisning af forskellige biomarkører såsom proteiner 25,26, DNA’er 27,28, RNA’er 29,30 og Exosomer31. På trods af disse resultater står μPAD’er stadig over for udfordringer, herunder langsomme strømningshastigheder og fordampning af opløsningsmidler.
Flere metoder er blevet foreslået til oprettelse af mikrokanaler på nanopapir32,33,34. En tilgang involverer 3D-udskrivning af offeringredienser i materialet, men det kræver en hydrofob belægning, der begrænser pumpefri drift33. En anden teknik involverer manuel stabling af kanallag mellem nanopapirark ved hjælp af lim, hvilket er arbejdskrævende32. Alternativt kan spraybelægning af nanocellulosefibre på præmønstrede forme skabe mikrokanaler, men det involverer tidskrævende og dyrt formforberedelse34. Disse metoder er især begrænset til mikrokanaler i millimeterskala, hvilket kompromitterer fordelene ved mikrofluidiske enheder med hensyn til reagensvolumenforbrug og integration. Udvikling af en simpel nanopaper-mikrokanalmønsterproces med opløsning på mikrometerskala er fortsat en udfordring.
Denne undersøgelse præsenterer en unik nanopaper mikrokanal mønster metode baseret på praktisk mikroprægning. Tilgangen giver flere fordele i forhold til eksisterende metoder, da den ikke kræver dyrt eller specialiseret udstyr, er enkel, omkostningseffektiv og meget nøjagtig. En konveks mikrokanalform fremstilles ved laserskæring af en polytetrafluorethylen (PTFE) film, kendt for sin kemiske inaktivitet og nonstick-egenskaber. Denne form bruges derefter til at præge mikrokanaler på en nanopaper gelmembran. Et andet lag nanopapergel påføres ovenpå for at skabe lukkede hule kanaler. Ved hjælp af denne mønsterteknik udvikles grundlæggende mikrofluidiske enheder på nanopapir, herunder en laminær mixer og dråbegenerator. Derudover demonstreres fremstillingen af overfladeforstærket Ramanmikroskopi (SERS) NanoPAD’er. In-situ skabelse af et sølv nanopartikelbaseret SERS-substrat opnås ved at indføre to kemiske reagenser (AgNO3 og NaBH4) i kanalerne, hvilket resulterer i en bemærkelsesværdig ydeevne med lave detektionsgrænser (LOD’er).
Protocol
Representative Results
Discussion
Det primære fokus for denne undersøgelse er at udvikle en enkel metode til fremstilling af mikrokanaler på nanopapir. En effektiv prægningsteknik blev udtænkt ved hjælp af PTFE som form til at løse denne udfordring12. Ved at optimere temperaturen og prægetrykket blev der udført en række eksperimenter for at etablere en pålidelig fremstillingsproces for NanoPAD’er. Derudover blev der demonstreret brugen af en hurtigreferencetabel til at justere anvendelsen af NanoPAD’er på forskellige o…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne anerkender den økonomiske støtte fra programmerne fra Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education (22KJB460033) og Jiangsu Science and Technology Programme – Young Scholar (BK20200251). Dette arbejde støttes også delvist af XJTLU AI University Research Centre, Jiangsu Province Engineering Research Centre of Data Science and Cognitive Computation på XJTLU og SIP AI innovation platform (YZCXPT2022103). Støtten fra State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering via det åbne projekt (SKLMS2023019) og Key Laboratory of Bionic Engineering, Undervisningsministeriet, anerkendes også.
Materials
| AgNO3 | Hushi (Shanghai, China) | 7761-88-8 | >99% |
| Ethanol | Hushi (Shanghai, China) | 64-17-5 | >99% |
| Hexadecane | Macklin (Shanghai, China) | 544-76-3 | >99% |
| LabSpec software | Horiba (Japan) | LabSpec5 | |
| Melamine | Macklin (Shanghai, China) | 108-78-1 | >99% |
| NaBH4 | Aladdin (Shanghai, China) | 16940-66-2 | >99% |
| Origin lab software | OriginLab (USA) | ||
| Polyethylene terephthalate (PET) | Myers Industries (Akron, USA) | ||
| Polytetrafluoroethylene films | Shenzhen Huashenglong plastic material Co., Ltd. (Shenzhen, China) | Teflon film | |
| PVDF filter membrane | EMD Millipore Corporation (USA) | VVLP04700 | pore size: 0.1 μm |
| Raman spectrometer | Horiba (Japan) | Xplo RA | |
| Rhodamine B | Macklin (Shanghai, China) | 81-88-9 | >95% |
| Scanning electron microscopy (SEM) | FEI(USA) | Scios 2 HiVac | |
| Silicon wafer | Horiba (Japan) | diameter: 5 mm | |
| TEMPO-oxidized NFC slurry | Tianjin University of Science and Technology | 1.0 wt% solid, carboxylate level 2.0 mmol/g solid, average nanofiber diameter: 10 nm |
References
- Zhu, H., Fang, Z., Preston, C., Li, Y., Hu, L. Transparent paper: fabrications, properties, and device applications. Energy & Environmental Science. 7 (1), 269-287 (2013).
- Nogi, M., Iwamoto, S., Nakagaito, A. N., Yano, H. Optically transparent nanofiber paper. Advanced Materials. 21 (16), 1595-1598 (2009).
- Li, X., et al. Three-dimensional sulfated bacterial cellulose/gelatin composite scaffolds for culturing hepatocytes. Cyborg and Bionic Systems. 4, 0021 (2023).
- Barhoum, A., Samyn, P., Öhlund, T., Dufresne, A. Review of recent research on flexible multifunctional nanopapers. Nanoscale. 9 (40), 15181-15205 (2017).
- Dufresne, A. Nanocellulose: a new ageless bionanomaterial. Materials Today. 16 (6), 220-227 (2013).
- Martin-Martinez, F. J. Designing nanocellulose materials from the molecular scale. Proceedings of the National Academy of Sciences. 115 (28), 7174-7175 (2018).
- Sehaqui, H., Liu, A., Zhou, Q., Berglund, L. A. Fast preparation procedure for large, flat cellulose and cellulose/inorganic nanopaper structures. Biomacromolecules. 11 (9), 2195-2198 (2010).
- Fang, Z., et al. Novel nanostructured paper with ultrahigh transparency and ultrahigh haze for solar cells. Nano Letters. 14 (2), 765-773 (2014).
- Zheng, G., et al. Nanostructured paper for flexible energy and electronic devices. MRS Bulletin. 38 (4), 320-325 (2013).
- Chen, L., Ying, B., Song, P., Liu, X. A nanocellulose-paper-based sers multiwell plate with high sensitivity and high signal homogeneity. Advanced Materials Interfaces. 6 (24), 1901346 (2019).
- Koga, H., et al. Transparent, conductive, and printable composites consisting of tempo-oxidized nanocellulose and carbon nanotube. Biomacromolecules. 14 (4), 1160-1165 (2013).
- Yuan, W., et al. Facile microembossing process for microchannel fabrication for nanocellulose-paper-based microfluidics. ACS Applied Materials & Interfaces. 15 (5), 6420-6430 (2023).
- Rolland, J. P., Mourey, D. A. Paper as a novel material platform for devices. MRS Bulletin. 38 (4), 299-305 (2013).
- Martinez, A. W., Phillips, S. T., Butte, M. J., Whitesides, G. M. Patterned paper as a platform for inexpensive, low-volume, portable bioassays. Angewandte Chemie International Edition. 46 (8), 1318-1320 (2007).
- Chin, C. D., Linder, V., Sia, S. K. Lab-on-a-chip devices for global health: past studies and future opportunities. Lab on a Chip. 7 (1), 41-57 (2006).
- Chin, C. D., et al. Microfluidics-based diagnostics of infectious diseases in the developing world. Nature Medicine. 17 (8), 1015-1019 (2011).
- Martinez, A. W., Phillips, S. T., Whitesides, G. M., Carrilho, E. Diagnostics for the developing world: microfluidic paper-based analytical devices. Analytical Chemistry. 82 (1), 3-10 (2010).
- Carrilho, E., Martinez, A. W., Whitesides, G. M. Understanding wax printing: a simple micropatterning process for paper-based microfluidics. Analytical Chemistry. 81 (16), 7091-7095 (2009).
- Lu, Y., Shi, W., Qin, J., Lin, B. Fabrication and characterization of paper-based microfluidics prepared in nitrocellulose membrane by wax printing. Analytical Chemistry. 82 (1), 329-335 (2010).
- Li, X., Zhao, C., Liu, X. A paper-based microfluidic biosensor integrating zinc oxide nanowires for electrochemical glucose detection. Microsystems & Nanoengineering. 1 (1), 1-7 (2015).
- Nie, Z., et al. Electrochemical sensing in paper-based microfluidic devices. Lab on a Chip. 10 (4), 477-483 (2010).
- Cai, T., et al. A paper-based microfluidic analytical device with a highly integrated on-chip valve for autonomous ELISA. 2022 IEEE 35th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems Conference (MEMS). , 271-274 (2022).
- Murdock, R. C., et al. Optimization of a paper-based ELISA for a human performance biomarker). Analytical Chemistry. 85 (23), 11634-11642 (2013).
- Cheng, C. M., et al. Paper-based ELISA. Angewandte Chemie. 122 (28), 4881-4884 (2010).
- Holstein, C. A., et al. Immobilizing affinity proteins to nitrocellulose: a toolbox for paper-based assay developers. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 408 (5), 1335-1346 (2016).
- Tenda, K., et al. Paper-based antibody detection devices using bioluminescent bret-switching sensor proteins. Angewandte Chemie International Edition. 57 (47), 15369-15373 (2018).
- Gong, M. M., Nosrati, R., San Gabriel, M. C., Zini, A., Sinton, D. Direct DNA Analysis with paper-based ion concentration polarization. Journal of the American Chemical Society. 137 (43), 13913-13919 (2015).
- Gan, W., et al. A filter paper-based microdevice for low-cost, rapid, and automated DNA extraction and amplification from diverse sample types. Lab on a Chip. 14 (19), 3719-3728 (2014).
- Liu, Y., et al. Fluorescent paper-based analytical devices for ultra-sensitive dual-type RNA detections and accurate gastric cancer screening. Biosensors and Bioelectronics. 197, 113781 (2022).
- Yuan, H., et al. Microfluidic-assisted Caenorhabditis elegans sorting: current status and future prospects. Cyborg and Bionic Systems. 4, 0011 (2023).
- Kim, H., et al. Origami-paper-based device for microvesicle/exosome preconcentration and isolation. Lab on a Chip. 19 (23), 3917-3921 (2019).
- Ying, B., et al. NanoPADs and nanoFACEs: an optically transparent nanopaper-based device for biomedical applications. Lab on a Chip. 20 (18), 3322-3333 (2020).
- Shin, S., Hyun, J. Matrix-assisted three-dimensional printing of cellulose nanofibers for paper microfluidics. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (31), 26438-26446 (2017).
- Browne, C., Garnier, G., Batchelor, W. Moulding of micropatterned nanocellulose films and their application in fluid handling. Journal of Colloid and Interface Science. 587, 162-172 (2021).
- Paul, R., et al. Shear stress related blood damage in laminar couette flow. Artificial Organs. 27 (6), 517-529 (2003).
- Thuo, M. M., et al. Fabrication of low-cost paper-based microfluidic devices by embossing or cut-and-stack methods. Chemistry of Materials. 26 (14), 4230-4237 (2014).
- Garstecki, P., Fuerstman, M. J., Stone, H. A., Whitesides, G. M. Formation of droplets and bubbles in a microfluidic T-junction-scaling and mechanism of break-up. Lab on a Chip. 6 (3), 437-446 (2006).
- Nisisako, T., Torii, T., Higuchi, T. Droplet formation in a microchannel network. Lab on a Chip. 2 (1), 24-26 (2002).
- Wang, Y., Zhang, X., Wen, G., Liang, A., Jiang, Z. Facile synthesis of a highly SERS active nanosilver sol using microwaves and its application in the detection of E. coli using Victoria blue B as a molecular probe. Analytical Methods. 8 (24), 4881-4887 (2016).
- Pham, T. T. H., Dien, N. D., Vu, X. H. Facile synthesis of silver/gold alloy nanoparticles for ultra-sensitive rhodamine B detection. RSC Advances. 11 (35), 21475-21488 (2021).
- Li, D., Li, D. W., Li, Y., Fossey, J. S., Long, Y. T. Cyclic electroplating and stripping of silver on Au@SiO2 core/shell nanoparticles for sensitive and recyclable substrate of surface-enhanced Raman scattering. Journal of Materials Chemistry. 20 (18), 3688-3693 (2010).
- Sun, C. H., Wang, M. L., Feng, Q., Liu, W., Xu, C. X. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) study on Rhodamine B adsorbed on different substrates. Russian Journal of Physical Chemistry A. 89 (2), 291-296 (2015).
