Microembossing: عملية ملائمة لتصنيع القنوات الدقيقة على الموائع الدقيقة القائمة على ورق النانو سليلوز
Summary
يصف هذا البروتوكول عملية مباشرة تستخدم قوالب بلاستيكية دقيقة مريحة لعمليات النقش الدقيقة البسيطة لتصنيع القنوات الدقيقة على ورق السليلوز النانوي ، مما يحقق عرضا لا يقل عن 200 ميكرومتر.
Abstract
أثار الورق النانوي ، المشتق من السليلوز الليفي النانوي ، اهتماما كبيرا كمادة واعدة لتطبيقات الموائع الدقيقة. تكمن جاذبيتها في مجموعة من الصفات الممتازة ، بما في ذلك السطح الأملس بشكل استثنائي ، والشفافية البصرية المتميزة ، ومصفوفة الألياف النانوية الموحدة ذات المسامية النانوية ، والخصائص الكيميائية القابلة للتخصيص. على الرغم من النمو السريع للموائع الدقيقة القائمة على الورق النانوي ، فإن التقنيات الحالية المستخدمة لإنشاء قنوات دقيقة على الورق النانوي ، مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد 3D أو الطلاء بالرش أو القطع والتجميع اليدوي ، والتي تعتبر ضرورية للتطبيقات العملية ، لا تزال تمتلك قيودا معينة ، لا سيما القابلية للتلوث. علاوة على ذلك ، تقتصر هذه الطرق على إنتاج قنوات بحجم المليمتر. تقدم هذه الدراسة عملية مباشرة تستخدم قوالب بلاستيكية دقيقة مريحة لعمليات النقش الدقيقة البسيطة لتصنيع القنوات الدقيقة على الورق النانوي ، وتحقيق عرض لا يقل عن 200 ميكرومتر. تتفوق القناة الدقيقة المطورة على الأساليب الحالية ، وتحقق تحسنا بمقدار أربعة أضعاف ، ويمكن تصنيعها في غضون 45 دقيقة. علاوة على ذلك ، تم تحسين معلمات التصنيع ، وتم توفير جدول مرجعي سريع مناسب لمطوري التطبيقات. تم إثبات إثبات المفهوم لخلاط رقائقي ، ومولد قطرات ، وأجهزة تحليلية وظيفية قائمة على الورق النانوي (NanoPADs) مصممة لاستشعار Rhodamine B باستخدام مطيافية Raman المحسنة السطحية. والجدير بالذكر أن NanoPADs أظهرت أداء استثنائيا مع حدود محسنة للكشف. يمكن أن تعزى هذه النتائج البارزة إلى الخصائص البصرية الفائقة للورق النانوي وطريقة النقش الدقيق التي تم تطويرها مؤخرا ، مما يتيح تكامل وضبط NanoPADs.
Introduction
في الآونة الأخيرة ، ظهر ورق السليلوز النانوي (NFC) (nanopaper) كمادة ركيزة واعدة للغاية لمختلف التطبيقات مثل الإلكترونيات المرنة وأجهزة الطاقة والطبية الحيوية1،2،3،4. مشتق من النباتات الطبيعية ، الورق النانوي فعال من حيث التكلفة ، ومتوافق حيويا ، وقابل للتحلل البيولوجي ، مما يجعله بديلا جذابا لورق السليلوز التقليدي 5,6. تشمل خصائصه الاستثنائية سطحا أملسا للغاية مع خشونة سطح أقل من 25 نانومتر وهيكل مصفوفة السليلوز الكثيف ، مما يسمح بإنشاء هياكل نانوية عالية التنظيم7. تساهم مجموعات الهيدروكسيل الوفيرة من الورق النانوي في بنية النانو سليلوز المدمجة والمعبأة بإحكام8. يعرض Nanopaper شفافية بصرية ممتازة والحد الأدنى من الضباب البصري ، مما يجعله مناسبا تماما لأجهزة الاستشعار البصرية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المحبة للماء المتأصلة تتيح التدفق بدون مضخة ، حتى مع هيكلها السميك ، مما يوفر حركة سائلة مستقلة 9,10. يحتوي Nanocellulose على تطبيقات متنوعة في أجهزة الاستشعار البيولوجية ، والأجهزة الإلكترونية الموصلة ، ومنصات زراعة الخلايا ، والمكثفات الفائقة ، والبطاريات ، وأكثر من ذلك ، مما يعرض تعدد استخداماته وإمكاناته11,12. على وجه الخصوص ، يعد النانوسليلوز واعدا لأجهزة الموائع الدقيقة التحليلية الورقية (μPADs) ، مما يوفر مزايا فريدة على ورق الكروماتوغرافيا التقليدي.
في العقد الماضي ، حققت μPADs اهتماما كبيرا بسبب قدرتها على تحمل التكاليف ، والتوافق الحيوي ، والتشغيل الخالي من المضخات ، وسهولة الإنتاج13,14. ظهرت هذه الأجهزة كأدوات تشخيصية فعالة في نقاط الرعاية ، لا سيما في البيئات المحدودة الموارد15،16،17. كان التقدم الكبير في هذا المجال هو تطوير الطباعة بالشمع ، الذي ابتكره جورج وايتسايد18 ومجموعة Bingcheng Lin19 ، مما مكن من إنشاء μPADs وظيفية من خلال دمج القنوات الدقيقة على ورق الكروماتوغرافيا. بعد ذلك ، تطورت μPADs بسرعة ، وتم تنفيذ تقنيات الاستشعار الحيوي المختلفة ، بما في ذلك الطرق الكهروكيميائية 20 ، والتلألؤ الكيميائي 21 ، ومقايسة الممتز المناعي المرتبط بالإنزيم (ELISA) 22،23،24 ، بنجاح للكشف عن المؤشرات الحيوية المتنوعة مثل البروتينات 25،26 ، الحمض النووي 27،28 ، الحمض النوويالريبي 29،30 ، و إكسوسومات31. على الرغم من هذه الإنجازات ، لا تزال μPADs تواجه تحديات ، بما في ذلك سرعات التدفق البطيئة وتبخر المذيبات.
تم اقتراح عدة طرق لإنشاء قنوات دقيقة على الورقالنانوي 32،33،34. يتضمن أحد الأساليب طباعة المكونات القربانية ثلاثية الأبعاد في المادة ، ولكنه يتطلب طلاءا كارها للماء يحد من التشغيل بدون مضخة33. تتضمن تقنية أخرى تكديس طبقات القناة يدويا بين صفائح الورق النانوي باستخدام الغراء ، وهو أمر كثيف العمالة32. بدلا من ذلك ، يمكن لألياف نانوسليلوز المطلية بالرش على قوالب منقوشة مسبقا إنشاء قنوات دقيقة ، ولكنها تنطوي على تحضير قالب مكلفويستغرق وقتا طويلا 34. والجدير بالذكر أن هذه الطرق تقتصر على القنوات الدقيقة على نطاق المليمتر ، مما يضر بمزايا أجهزة الموائع الدقيقة فيما يتعلق باستهلاك حجم الكاشف وتكامله. لا يزال تطوير عملية نقش القنوات الدقيقة البسيطة للورق النانوي بدقة مقياس ميكرومتر يمثل تحديا.
تقدم هذه الدراسة طريقة فريدة لنقش القنوات الدقيقة للورق النانوي تعتمد على النقش الدقيق العملي. يوفر هذا النهج العديد من المزايا مقارنة بالطرق الحالية ، لأنه لا يتطلب معدات باهظة الثمن أو متخصصة ، وهو بسيط وفعال من حيث التكلفة ودقيق للغاية. يتم تصنيع قالب محدب microchannel عن طريق قطع فيلم polytetrafluoroethylene (PTFE) بالليزر ، والمعروف بخموله الكيميائي وخصائصه غير اللاصقة. ثم يتم استخدام هذا القالب لنقش القنوات الدقيقة على غشاء هلام نانووري. يتم تطبيق طبقة ثانية من هلام الورق النانوي في الأعلى لإنشاء قنوات مجوفة مغلقة. باستخدام تقنية الزخرفة هذه ، يتم تطوير أجهزة الموائع الدقيقة الأساسية على الورق النانوي ، بما في ذلك الخلاط الصفحي ومولد القطيرات. بالإضافة إلى ذلك ، تم إثبات تصنيع مجهر رامان المعزز بالسطح (SERS) NanoPADs. يتم تحقيق إنشاء ركيزة SERS القائمة على الجسيمات النانوية الفضية في الموقع من خلال إدخال اثنين من الكواشف الكيميائية (AgNO3 و NaBH4) في القنوات ، مما يؤدي إلى أداء رائع مع حدود منخفضة للكشف (LODs).
Protocol
Representative Results
Discussion
ينصب التركيز الأساسي لهذه الدراسة على تطوير طريقة بسيطة لتصنيع القنوات الدقيقة على الورق النانوي. تم ابتكار تقنية نقش فعالة باستخدام PTFE كقالب لمواجهة هذا التحدي12. من خلال تحسين درجة الحرارة وضغط النقش ، تم إجراء سلسلة من التجارب لإنشاء عملية تصنيع موثوقة ل NanoPADs. بالإضافة إلى …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يقر المؤلفون بالدعم المالي من برامج مؤسسة العلوم الطبيعية للتعليم العالي في جيانغسو (22KJB460033) ، وبرنامج جيانغسو للعلوم والتكنولوجيا – الباحث الشاب (BK20200251). كما يتم دعم هذا العمل جزئيا من قبل مركز أبحاث جامعة XJTLU الذكاء الاصطناعي ، ومركز البحوث الهندسية بمقاطعة جيانغسو لعلوم البيانات والحساب المعرفي في XJTLU ومنصة الابتكار الذكاء الاصطناعي SIP (YZCXPT2022103). كما تم الاعتراف بالدعم المقدم من مختبر State Key لهندسة أنظمة التصنيع عبر المشروع المفتوح (SKLMS2023019) والمختبر الرئيسي للهندسة الإلكترونية ، وزارة التربية والتعليم.
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 |
Riferimenti
- 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).
