Mikro Kabartma: Nanoselüloz Kağıt Bazlı Mikroakışkanlar Üzerinde Mikrokanalların Üretilmesi İçin Uygun Bir İşlem
Summary
Bu protokol, nanofibrillenmiş selüloz kağıt üzerinde mikro kanallar üretmek için basit mikro kabartma işlemleri için uygun plastik mikro kalıpları kullanan ve minimum 200 μm genişliğe ulaşan basit bir işlemi açıklar.
Abstract
Nanofibrillenmiş selülozdan elde edilen nanokağıt, mikroakışkan uygulamalar için umut verici bir malzeme olarak büyük ilgi görmüştür. Çekiciliği, son derece pürüzsüz bir yüzey, olağanüstü optik şeffaflık, nano ölçekli gözenekliliğe sahip tek tip bir nanofiber matris ve özelleştirilebilir kimyasal özellikler dahil olmak üzere bir dizi mükemmel özellikte yatmaktadır. Nanokağıt bazlı mikroakışkanların hızlı büyümesine rağmen, pratik uygulamalar için çok önemli olan 3D baskı, sprey kaplama veya manuel kesme ve montaj gibi nanokağıt üzerinde mikrokanallar oluşturmak için kullanılan mevcut teknikler, özellikle kontaminasyona duyarlılık gibi belirli sınırlamalara sahiptir. Ayrıca, bu yöntemler milimetre boyutundaki kanalların üretimi ile sınırlıdır. Bu çalışma, nanokağıt üzerinde mikro kanallar üretmek için basit mikro kabartma işlemleri için uygun plastik mikro kalıpları kullanan ve minimum 200 μm genişliğe ulaşan basit bir süreç sunmaktadır. Geliştirilen mikro kanal, mevcut yaklaşımlardan daha iyi performans göstererek dört kat iyileştirme sağlıyor ve 45 dakika içinde üretilebiliyor. Ayrıca, üretim parametreleri optimize edilmiştir ve uygulama geliştiricileri için uygun bir hızlı referans tablosu sağlanmıştır. Yüzeyde geliştirilmiş Raman spektroskopisi kullanılarak Rhodamine B algılaması için tasarlanmış bir laminer karıştırıcı, damlacık üreteci ve fonksiyonel nanokağıt tabanlı analitik cihazlar (NanoPAD’ler) için kavram kanıtı gösterildi. Özellikle, NanoPAD’ler, gelişmiş algılama sınırları ile olağanüstü performans sergiledi. Bu olağanüstü sonuçlar, nanokağıdın üstün optik özelliklerine ve NanoPAD’lerin entegrasyonunu ve ince ayarını sağlayan yakın zamanda geliştirilen doğru mikro kabartma yöntemine bağlanabilir.
Introduction
Son zamanlarda, nanofibrillenmiş selüloz (NFC) kağıdı (nanokağıt), esnek elektronik, enerji cihazları ve biyomedikal 1,2,3,4 gibi çeşitli uygulamalar için oldukça umut verici bir substrat malzemesi olarak ortaya çıkmıştır. Doğal bitkilerden elde edilen nano kağıt, uygun maliyetli, biyouyumlu ve biyolojik olarak parçalanabilir, bu da onu geleneksel selüloz kağıda 5,6 çekici bir alternatif haline getirir. İstisnai özellikleri arasında, 25 nm’den daha az yüzey pürüzlülüğüne sahip ultra pürüzsüz bir yüzey ve yüksek düzeyde yapılandırılmış nanoyapılarınoluşturulmasına izin veren yoğun bir selüloz matris yapısı bulunur 7. Nanokağıdın bol hidroksil grupları, kompakt ve sıkıca paketlenmiş nanoselüloz yapısınakatkıda bulunur 8. Nanopaper, mükemmel optik şeffaflık ve minimum optik bulanıklık sergiler, bu da onu optik sensörler için çok uygun hale getirir. Ek olarak, doğal hidrofilikliği, kalın yapısıyla bile pompasız akış sağlar ve otonom akışkan hareketisağlar 9,10. Nanoselüloz, biyolojik sensörlerde, iletken elektronik cihazlarda, hücre kültürü platformlarında, süper kapasitörlerde, pillerde ve daha fazlasında çeşitli uygulamalara sahiptir ve çok yönlülüğünü ve potansiyelini sergiler11,12. Özellikle nanoselüloz, kağıt bazlı analitik mikroakışkan cihazlar (μPAD’ler) için umut vericidir ve geleneksel kromatografi kağıdına göre benzersiz avantajlar sunar.
Son on yılda, μPAD’ler satın alınabilirlikleri, biyouyumlulukları, pompasız çalışmaları ve üretim kolaylıkları nedeniyle önemli bir ilgi görmüştür13,14. Bu cihazlar, özellikle kaynakların sınırlı olduğu ortamlarda etkili bakım noktası teşhis araçları olarak ortaya çıkmıştır15,16,17. Bu alandaki önemli bir ilerleme, George Whitesides18 ve Bingcheng Lin grubu19’un öncülük ettiği ve kromatografi kağıdına mikrokanallar ekleyerek fonksiyonel μPAD’lerin oluşturulmasını sağlayan mum baskının geliştirilmesiydi. Daha sonra, μPAD’ler hızla gelişti ve elektrokimyasal yöntemler 20, kemilüminesans21 ve enzime bağlı immünosorbent testi (ELISA)22,23,24 dahil olmak üzere çeşitli biyoalgılama teknikleri, proteinler 25,26, DNA’lar 27,28, RNA’lar 29,30 ve Eksozomlar31. Bu başarılara rağmen, μPAD’ler hala yavaş akış hızları ve solvent buharlaşması gibi zorluklarla karşı karşıyadır.
Nanokağıt32,33,34 üzerinde mikrokanallar oluşturmak için çeşitli yöntemler önerilmiştir. Bir yaklaşım, kurban malzemelerin malzemeye 3D yazdırılmasını içerir, ancak pompasız çalışmayı sınırlayan hidrofobik bir kaplama gerektirir33. Başka bir teknik, emek yoğun olan yapıştırıcı kullanarak nano kağıt tabakaları arasında kanal katmanlarını manuel olarak istiflemeyi içerir32. Alternatif olarak, nanoselüloz liflerin önceden desenlenmiş kalıplara püskürtülerek kaplanması mikro kanallar oluşturabilir, ancak zaman alıcı ve pahalı kalıp hazırlığı gerektirir34. Özellikle, bu yöntemler milimetre ölçekli mikrokanallarla sınırlıdır ve mikroakışkan cihazların reaktif hacim tüketimi ve entegrasyonu ile ilgili avantajlarından ödün verir. Mikrometre ölçeğinde çözünürlüğe sahip basit bir nanokağıt mikrokanal modelleme işlemi geliştirmek bir zorluk olmaya devam etmektedir.
Bu çalışma, pratik mikro kabartmaya dayalı benzersiz bir nanokağıt mikrokanal modelleme yöntemi sunmaktadır. Yaklaşım, pahalı veya özel ekipman gerektirmediği, basit, uygun maliyetli ve son derece doğru olduğu için mevcut yöntemlere göre çeşitli avantajlar sunar. Dışbükey bir mikrokanal kalıbı, kimyasal eylemsizliği ve yapışmaz özellikleri ile bilinen bir politetrafloroetilen (PTFE) filmin lazerle kesilmesiyle üretilir. Bu kalıp daha sonra mikrokanalları bir nanokağıt jel membran üzerine kabartmak için kullanılır. Kapalı içi boş kanallar oluşturmak için üstüne ikinci bir nano kağıt jel tabakası uygulanır. Bu modelleme tekniğini kullanarak, bir laminer karıştırıcı ve damlacık üreteci dahil olmak üzere nanokağıt üzerinde temel mikroakışkan cihazlar geliştirilmiştir. Ek olarak, yüzeyde geliştirilmiş Raman mikroskobu (SERS) NanoPAD’lerin üretimi gösterilmiştir. Gümüş nanopartikül bazlı bir SERS substratının yerinde oluşturulması, kanallara iki kimyasal reaktifin (AgNO3 ve NaBH4) eklenmesiyle elde edilir ve bu da düşük tespit limitleri (LOD’ler) ile dikkate değer bir performansla sonuçlanır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışmanın ana odak noktası, nanokağıt üzerinde mikrokanallar üretmek için basit bir yöntem geliştirmektir. Bu zorluğun üstesinden gelmek için kalıp olarak PTFE kullanılarak etkili bir kabartma tekniği geliştirildi12. Sıcaklık ve kabartma basıncını optimize ederek, NanoPAD’ler için güvenilir bir üretim süreci oluşturmak için bir dizi deney yapıldı. Ek olarak, NanoPAD’lerin farklı alanlardaki uygulamalarını ayarlamak için bir hızlı referans tablosunun kullan…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, Jiangsu Yüksek Öğrenim Doğa Bilimleri Vakfı (22KJB460033) ve Jiangsu Bilim ve Teknoloji Programı – Genç Bilim Adamı (BK20200251) programlarından gelen mali desteği kabul etmektedir. Bu çalışma aynı zamanda XJTLU AI Üniversitesi Araştırma Merkezi, XJTLU’daki Jiangsu Eyaleti Veri Bilimi ve Bilişsel Hesaplama Mühendislik Araştırma Merkezi ve SIP AI inovasyon platformu (YZCXPT2022103) tarafından kısmen desteklenmektedir. Açık proje (SKLMS2023019) aracılığıyla Üretim Sistemleri Mühendisliği için Devlet Anahtar Laboratuvarı ve Eğitim Bakanlığı Biyonik Mühendisliği Anahtar Laboratuvarı’nın desteği de kabul edilmektedir.
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).
