Mikropreging: En praktisk prosess for fremstilling av mikrokanaler på nanocellulosepapirbasert mikrofluidikk
Summary
Denne protokollen beskriver en enkel prosess som benytter praktiske plastmikroformer for enkle mikropregingsoperasjoner for å fremstille mikrokanaler på nanofibrillert cellulosepapir, og oppnå en minimumsbredde på 200 μm.
Abstract
Nanopaper, avledet fra nanofibrillert cellulose, har generert stor interesse som et lovende materiale for mikrofluidiske applikasjoner. Dens appell ligger i en rekke gode kvaliteter, inkludert en eksepsjonelt glatt overflate, enestående optisk gjennomsiktighet, en jevn nanofibermatrise med nanoskala porøsitet og tilpassbare kjemiske egenskaper. Til tross for den raske veksten av nanopapirbasert mikrofluidikk, har de nåværende teknikkene som brukes til å lage mikrokanaler på nanopapir, for eksempel 3D-utskrift, spraybelegg eller manuell skjæring og montering, som er avgjørende for praktiske anvendelser, fortsatt visse begrensninger, spesielt følsomhet for forurensning. Videre er disse metodene begrenset til produksjon av millimeterstore kanaler. Denne studien introduserer en enkel prosess som bruker praktiske plastmikroformer for enkle mikropregingsoperasjoner for å fremstille mikrokanaler på nanopapir, og oppnå en minimumsbredde på 200 μm. Den utviklede mikrokanalen overgår eksisterende tilnærminger, oppnår en firefoldig forbedring, og kan fremstilles innen 45 minutter. Videre har fabrikasjonsparametere blitt optimalisert, og en praktisk hurtigreferansetabell er gitt for applikasjonsutviklere. Proof-of-concept for en laminær mikser, dråpegenerator og funksjonelle nanopapirbaserte analytiske enheter (NanoPADs) designet for Rhodamine B-sensing ved bruk av overflateforbedret Raman-spektroskopi ble demonstrert. Spesielt viste NanoPAD-ene eksepsjonell ytelse med forbedrede deteksjonsgrenser. Disse fremragende resultatene kan tilskrives de overlegne optiske egenskapene til nanopapir og den nylig utviklede nøyaktige mikropregingsmetoden, noe som muliggjør integrering og finjustering av NanoPADene.
Introduction
Nylig har nanofibrillert cellulose (NFC) papir (nanopapir) dukket opp som et svært lovende substratmateriale for ulike applikasjoner som fleksibel elektronikk, energienheter og biomedisiner 1,2,3,4. Avledet fra naturlige planter, er nanopapir kostnadseffektivt, biokompatibelt og biologisk nedbrytbart, noe som gjør det til et tiltalende alternativ til tradisjonelt cellulosepapir 5,6. Dens eksepsjonelle egenskaper inkluderer en ultraglatt overflate med en overflateruhet på mindre enn 25 nm og en tett cellulosematrisestruktur, noe som gjør det mulig å skape svært strukturerte nanostrukturer7. Rikelig hydroksylgrupper av nanopapir bidrar til den kompakte og tettpakkede nanocellulosestrukturen8. Nanopaper utviser utmerket optisk gjennomsiktighet og minimal optisk tåke, noe som gjør den godt egnet for optiske sensorer. I tillegg muliggjør dens iboende hydrofilitet pumpefri strømning, selv med sin tykke struktur, noe som gir autonom væskebevegelse 9,10. Nanocellulose har ulike applikasjoner i biologiske sensorer, ledende elektroniske enheter, cellekulturplattformer, superkondensatorer, batterier og mer, og viser sin allsidighet og potensial11,12. Spesielt er nanocellulose lovende for papirbaserte analytiske mikrofluidiske enheter (μPAD), og gir unike fordeler i forhold til konvensjonelt kromatografipapir.
I løpet av det siste tiåret har μPAD-er oppnådd betydelig oppmerksomhet på grunn av overkommelig pris, biokompatibilitet, pumpefri drift og enkel produksjon13,14. Disse enhetene har dukket opp som effektive pasientnære diagnostiske verktøy, spesielt i ressursbegrensede innstillinger15,16,17. Et betydelig fremskritt på dette feltet var utviklingen av vokstrykk, banebrytende av George Whitesides18 og Bingcheng Lin-gruppen19, som muliggjorde opprettelsen av funksjonelle μPAD-er ved å inkorporere mikrokanaler på kromatografipapir. Deretter utviklet μPADs seg raskt, og forskjellige biosensingsteknikker, inkludert elektrokjemiske metoder 20, kjemiluminescens 21 og enzymbundet immunosorbentanalyse (ELISA) 22,23,24, ble vellykket implementert for påvisning av forskjellige biomarkører som proteiner 25,26, DNA 27,28, RNA 29,30 og eksosomer31. Til tross for disse prestasjonene står μPAD-er fortsatt overfor utfordringer, inkludert langsomme strømningshastigheter og løsemiddelfordampning.
Det er foreslått flere metoder for å lage mikrokanaler på nanopapir32,33,34. En tilnærming innebærer 3D-utskrift av offeringredienser i materialet, men det krever et hydrofobt belegg som begrenser pumpefri drift33. En annen teknikk innebærer manuell stabling av kanallag mellom nanopapirark ved hjelp av lim, som er arbeidskrevende32. Alternativt kan spraybelegg av nanocellulosefibre på forhåndsmønstrede former skape mikrokanaler, men det innebærer tidkrevende og kostbar formforberedelse34. Spesielt er disse metodene begrenset til mikrokanaler i millimeterskala, noe som kompromitterer fordelene med mikrofluidiske enheter angående reagensvolumforbruk og integrasjon. Å utvikle en enkel nanopapir mikrokanal mønsterprosess med mikrometer-skala oppløsning er fortsatt en utfordring.
Denne studien presenterer en unik nanopaper mikrokanal mønstermetode basert på praktisk mikropreging. Tilnærmingen gir flere fordeler i forhold til eksisterende metoder, da den ikke krever dyrt eller spesialisert utstyr, er enkel, kostnadseffektiv og svært nøyaktig. En konveks mikrokanalform fremstilles ved laserskjæring av en polytetrafluoretylen (PTFE) film, kjent for sin kjemiske inertitet og nonstick-egenskaper. Denne formen brukes deretter til å prege mikrokanaler på en nanopapirgelmembran. Et andre lag med nanopapirgel påføres på toppen for å lage lukkede hule kanaler. Ved hjelp av denne mønsterteknikken utvikles grunnleggende mikrofluidiske enheter på nanopapir, inkludert en laminær mikser og dråpegenerator. I tillegg er fabrikasjon av overflateforsterket Raman-mikroskopi (SERS) NanoPADs demonstrert. In-situ opprettelse av et sølvnanopartikkelbasert SERS-substrat oppnås ved å introdusere to kjemiske reagenser (AgNO3 og NaBH4) i kanalene, noe som resulterer i en bemerkelsesverdig ytelse med lave deteksjonsgrenser (LOD).
Protocol
Representative Results
Discussion
Hovedfokuset i denne studien er å utvikle en enkel metode for å fremstille mikrokanaler på nanopapir. En effektiv pregeteknikk ble utviklet ved hjelp av PTFE som form for å møte denne utfordringen12. Ved å optimalisere temperaturen og pregetrykket, ble det utført en rekke eksperimenter for å etablere en pålitelig fabrikasjonsprosess for NanoPADs. I tillegg ble det demonstrert bruk av en hurtigreferansetabell for å justere applikasjonene til NanoPAD-er i forskjellige felt. Selv om denne m…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne anerkjenner den økonomiske støtten fra programmene til Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education (22KJB460033), og Jiangsu Science and Technology Programme – Young Scholar (BK20200251). Dette arbeidet støttes også delvis av XJTLU AI University Research Center, Jiangsu Province Engineering Research Centre of Data Science and Cognitive Computation ved XJTLU og SIP AI innovasjonsplattform (YZCXPT2022103). Støtten fra State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering via det åpne prosjektet (SKLMS2023019) og Key Laboratory of Bionic Engineering, Ministry of Education, er også anerkjent.
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).
