Summary

माइक्रोएम्बॉसिंग: नैनोसेल्यूलोज पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स पर माइक्रोचैनल बनाने के लिए एक सुविधाजनक प्रक्रिया

Published: October 06, 2023
doi:

Summary

यह प्रोटोकॉल एक सीधी प्रक्रिया का वर्णन करता है जो नैनोफिब्रिलेटेड सेलूलोज़ पेपर पर माइक्रोचैनल बनाने के लिए सरल माइक्रोएम्बॉसिंग ऑपरेशंस के लिए सुविधाजनक प्लास्टिक माइक्रोमोल्ड्स का उपयोग करता है, जो 200 माइक्रोन की न्यूनतम चौड़ाई प्राप्त करता है।

Abstract

नैनोफिब्रिलेटेड सेलूलोज़ से प्राप्त नैनोपेपर ने माइक्रोफ्लुइडिक अनुप्रयोगों के लिए एक आशाजनक सामग्री के रूप में काफी रुचि पैदा की है। इसकी अपील उत्कृष्ट गुणों की एक श्रृंखला में निहित है, जिसमें असाधारण चिकनी सतह, उत्कृष्ट ऑप्टिकल पारदर्शिता, नैनोस्केल छिद्र के साथ एक समान नैनोफाइबर मैट्रिक्स और अनुकूलन योग्य रासायनिक गुण शामिल हैं। नैनोपेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स के तेजी से विकास के बावजूद, नैनोपेपर पर माइक्रोचैनल बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली वर्तमान तकनीकें, जैसे कि 3 डी प्रिंटिंग, स्प्रे कोटिंग, या मैनुअल कटिंग और असेंबली, जो व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण हैं, अभी भी कुछ सीमाएं हैं, विशेष रूप से संदूषण के लिए संवेदनशीलता। इसके अलावा, ये विधियां मिलीमीटर आकार के चैनलों के उत्पादन तक ही सीमित हैं। यह अध्ययन एक सीधी प्रक्रिया का परिचय देता है जो नैनोपेपर पर माइक्रोचैनल बनाने के लिए सरल माइक्रोएम्बॉसिंग संचालन के लिए सुविधाजनक प्लास्टिक माइक्रो-मोल्ड्स का उपयोग करता है, जो न्यूनतम 200 माइक्रोन की चौड़ाई प्राप्त करता है। विकसित माइक्रोचैनल मौजूदा दृष्टिकोणों से बेहतर प्रदर्शन करता है, चार गुना सुधार प्राप्त करता है, और इसे 45 मिनट के भीतर गढ़ा जा सकता है। इसके अलावा, निर्माण मापदंडों को अनुकूलित किया गया है, और एप्लिकेशन डेवलपर्स के लिए एक सुविधाजनक त्वरित-संदर्भ तालिका प्रदान की गई है। सतह-वर्धित रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके रोडामाइन बी सेंसिंग के लिए डिज़ाइन किए गए लामिना मिक्सर, छोटी बूंद जनरेटर, और कार्यात्मक नैनोपेपर-आधारित विश्लेषणात्मक उपकरणों (नैनोपैड्स) के लिए प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट का प्रदर्शन किया गया था। विशेष रूप से, नैनोपीएडी ने पता लगाने की बेहतर सीमाओं के साथ असाधारण प्रदर्शन का प्रदर्शन किया। इन उत्कृष्ट परिणामों को नैनोपेपर के बेहतर ऑप्टिकल गुणों और हाल ही में विकसित सटीक माइक्रोएम्बॉसिंग विधि के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है, जो नैनोपीएडी के एकीकरण और फाइन-ट्यूनिंग को सक्षम करता है।

Introduction

हाल ही में, नैनोफिब्रिलेटेड सेलूलोज़ (एनएफसी) पेपर (नैनोपेपर) लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स, ऊर्जा उपकरणों और बायोमेडिकल 1,2,3,4 जैसे विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए एक अत्यधिक आशाजनक सब्सट्रेट सामग्री के रूप में उभरा है। प्राकृतिक पौधों से व्युत्पन्न, नैनोपेपर लागत प्रभावी, जैव-संगत और बायोडिग्रेडेबल है, जो इसे पारंपरिक सेलूलोज़ पेपर 5,6 का एक आकर्षक विकल्प बनाता है। इसके असाधारण गुणों में 25 एनएम से कम की सतह खुरदरापन और एक घने सेलूलोज़ मैट्रिक्स संरचना के साथ एक अल्ट्रा-चिकनी सतह शामिल है, जो अत्यधिक संरचित नैनोस्ट्रक्चर7 के निर्माण की अनुमति देता है। नैनोपेपर के प्रचुर मात्रा में हाइड्रॉक्सिल समूह इसकी कॉम्पैक्ट और कसकर पैक किए गए नैनोसेल्यूलोज संरचना में योगदान करते हैं8. नैनोपेपर उत्कृष्ट ऑप्टिकल पारदर्शिता और न्यूनतम ऑप्टिकल धुंध प्रदर्शित करता है, जो इसे ऑप्टिकल सेंसर के लिए अच्छी तरह से अनुकूल बनाता है। इसके अतिरिक्त, इसकी अंतर्निहित हाइड्रोफिलिसिटी पंप-मुक्त प्रवाह को सक्षम बनाती है, यहां तक कि इसकी मोटी संरचना के साथ, स्वायत्त द्रव गति 9,10 प्रदान करती है। नैनोसेल्यूलोज में जैविक सेंसर, प्रवाहकीय इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, सेल संस्कृति प्लेटफार्मों, सुपरकैपेसिटर, बैटरी, और अधिक में विविध अनुप्रयोग हैं, जो इसकी बहुमुखी प्रतिभा और संभावित11,12 का प्रदर्शन करते हैं। विशेष रूप से, नैनोसेल्यूलोज पेपर-आधारित विश्लेषणात्मक माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों (μPADs) के लिए आशाजनक है, जो पारंपरिक क्रोमैटोग्राफी पेपर पर अद्वितीय लाभ प्रदान करता है।

पिछले एक दशक में, μPADs ने अपनी सामर्थ्य, जैव-अनुकूलता, पंप-मुक्त संचालन और उत्पादन13,14 में आसानी के कारण महत्वपूर्ण ध्यान आकर्षित किया है। ये उपकरण प्रभावी बिंदु-देखभाल नैदानिक उपकरण के रूप में उभरे हैं, विशेष रूप से संसाधन-सीमित सेटिंग्स15,16,17 में। इस क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण प्रगति मोम मुद्रण का विकास था, जिसका नेतृत्व जॉर्ज व्हाइटसाइड्स18 और बिंगचेंग लिन समूह19 ने किया था, जो क्रोमैटोग्राफी पेपर पर माइक्रोचैनल को शामिल करके कार्यात्मक μPADs के निर्माण को सक्षम करता था। इसके बाद, μPADs तेजी से विकसित हुए, और इलेक्ट्रोकेमिकल विधियों 20, केमिलुमिनेसेंस 21, और एंजाइम-लिंक्ड इम्युनोसॉरबेंट परख (एलिसा)22,23,24सहित विभिन्न बायोसेंसिंग तकनीकों को प्रोटीन 25,26, डीएनए 27,28, आरएनए 29,30, और जैसे विविध बायोमार्कर का पता लगाने के लिए सफलतापूर्वक लागू किया गया एक्सोसोम31. इन उपलब्धियों के बावजूद, μPADs को अभी भी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है, जिसमें धीमी प्रवाह गति और विलायक वाष्पीकरण शामिल हैं।

नैनोपेपर32,33,34 पर माइक्रोचैनल बनाने के लिए कई तरीके प्रस्तावित किए गए हैं। एक दृष्टिकोण सामग्री में 3 डी मुद्रण बलिदान सामग्री शामिल है, लेकिन यह एक हाइड्रोफोबिक कोटिंग है कि पंप-मुक्त आपरेशन33 सीमा की आवश्यकता है. एक अन्य तकनीक में गोंद का उपयोग करके नैनोपेपर शीट के बीच मैन्युअल रूप से चैनल परतों को ढेर करना शामिल है, जो श्रम-गहन32 है। वैकल्पिक रूप से, पूर्व पैटर्न वाले नए साँचे पर स्प्रे-कोटिंग nanocellulose फाइबर microchannels बना सकते हैं, लेकिन यह समय लेने वाली और महंगी मोल्ड तैयारी34 शामिल है. विशेष रूप से, ये विधियां मिलीमीटर-स्केल माइक्रोचैनल्स तक सीमित हैं, जो अभिकर्मक मात्रा खपत और एकीकरण के संबंध में माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों के फायदों से समझौता करती हैं। माइक्रोमीटर-स्केल रिज़ॉल्यूशन के साथ एक सरल नैनोपेपर माइक्रोचैनल पैटर्निंग प्रक्रिया विकसित करना एक चुनौती बनी हुई है।

यह अध्ययन व्यावहारिक माइक्रोएम्बॉसिंग के आधार पर एक अद्वितीय नैनोपेपर माइक्रोचैनल पैटर्निंग विधि प्रस्तुत करता है। दृष्टिकोण मौजूदा तरीकों पर कई फायदे प्रदान करता है, क्योंकि इसके लिए किसी महंगे या विशेष उपकरण की आवश्यकता नहीं होती है, यह सरल, लागत प्रभावी और अत्यधिक सटीक है। एक उत्तल माइक्रोचैनल मोल्ड एक पॉलीटेट्राफ्लोराइथिलीन (पीटीएफई) फिल्म को लेजर काटने से निर्मित होता है, जो इसकी रासायनिक जड़ता और नॉनस्टिक गुणों के लिए जाना जाता है। इस मोल्ड का उपयोग तब नैनोपेपर जेल झिल्ली पर माइक्रोचैनल को उभारने के लिए किया जाता है। बंद खोखले चैनल बनाने के लिए शीर्ष पर नैनोपेपर जेल की दूसरी परत लगाई जाती है। इस patterning तकनीक का उपयोग कर, नैनोपेपर पर मौलिक microfluidic उपकरणों को विकसित कर रहे हैं, एक लामिना मिक्सर और छोटी बूंद जनरेटर सहित. इसके अतिरिक्त, सतह-वर्धित रमन माइक्रोस्कोपी (SERS) नैनोPADs के निर्माण का प्रदर्शन किया जाता है। एक चांदी नैनोकण-आधारित एसईआरएस सब्सट्रेट का इन-सीटू निर्माण चैनलों में दो रासायनिक अभिकर्मकों (एजीएनओ3 और एनएबीएच4) को पेश करके प्राप्त किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप पता लगाने की कम सीमा (एलओडी) के साथ उल्लेखनीय प्रदर्शन होता है।

Protocol

1. नैनोपेपर पर माइक्रोचैनल पैटर्निंग के लिए माइक्रोएम्बॉसिंग प्रक्रिया मोल्ड की तैयारीनोट: मोल्ड तैयारी के विवरण के लिए युआन एट अल.12 देखें।सामग्री की तालिका में संकेत के…

Representative Results

नैनोपेपर पर माइक्रोचैनल पैटर्न बनाने के लिए एक अनूठी विधि सुविधाजनक माइक्रोएम्बॉसिंग तकनीक के माध्यम से व्यावहारिक प्लास्टिक माइक्रो-मोल्ड्स का उपयोग करके तैयार की गई है। विशेष रूप से, इस विधि मौजू?…

Discussion

इस अध्ययन का प्राथमिक फोकस नैनोपेपर पर माइक्रोचैनल बनाने के लिए एक सरल विधि विकसित करना है। इस चुनौती12 को संबोधित करने के लिए मोल्ड के रूप में PTFE का उपयोग करके एक कुशल एम्बॉसिंग तकनीक तैयार की ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

लेखक जियांग्सू उच्च शिक्षा (22KJB460033), और जिआंगसु विज्ञान और प्रौद्योगिकी कार्यक्रम – यंग स्कॉलर (BK20200251) के प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन के कार्यक्रमों से वित्तीय सहायता को स्वीकार करते हैं। यह काम आंशिक रूप से XJTLU AI यूनिवर्सिटी रिसर्च सेंटर, XJTLU में डेटा साइंस एंड कॉग्निटिव कम्प्यूटेशन के जियांग्सू प्रांत इंजीनियरिंग रिसर्च सेंटर और SIP AI इनोवेशन प्लेटफॉर्म (YZCXPT2022103) द्वारा भी समर्थित है। ओपन प्रोजेक्ट (SKLMS2023019) और बायोनिक इंजीनियरिंग की प्रमुख प्रयोगशाला, शिक्षा मंत्रालय के माध्यम से विनिर्माण प्रणाली इंजीनियरिंग के लिए राज्य कुंजी प्रयोगशाला से समर्थन को भी स्वीकार किया जाता है।

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

  1. 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).
  2. Nogi, M., Iwamoto, S., Nakagaito, A. N., Yano, H. Optically transparent nanofiber paper. Advanced Materials. 21 (16), 1595-1598 (2009).
  3. Li, X., et al. Three-dimensional sulfated bacterial cellulose/gelatin composite scaffolds for culturing hepatocytes. Cyborg and Bionic Systems. 4, 0021 (2023).
  4. Barhoum, A., Samyn, P., Öhlund, T., Dufresne, A. Review of recent research on flexible multifunctional nanopapers. Nanoscale. 9 (40), 15181-15205 (2017).
  5. Dufresne, A. Nanocellulose: a new ageless bionanomaterial. Materials Today. 16 (6), 220-227 (2013).
  6. Martin-Martinez, F. J. Designing nanocellulose materials from the molecular scale. Proceedings of the National Academy of Sciences. 115 (28), 7174-7175 (2018).
  7. 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).
  8. Fang, Z., et al. Novel nanostructured paper with ultrahigh transparency and ultrahigh haze for solar cells. Nano Letters. 14 (2), 765-773 (2014).
  9. Zheng, G., et al. Nanostructured paper for flexible energy and electronic devices. MRS Bulletin. 38 (4), 320-325 (2013).
  10. 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).
  11. Koga, H., et al. Transparent, conductive, and printable composites consisting of tempo-oxidized nanocellulose and carbon nanotube. Biomacromolecules. 14 (4), 1160-1165 (2013).
  12. Yuan, W., et al. Facile microembossing process for microchannel fabrication for nanocellulose-paper-based microfluidics. ACS Applied Materials & Interfaces. 15 (5), 6420-6430 (2023).
  13. Rolland, J. P., Mourey, D. A. Paper as a novel material platform for devices. MRS Bulletin. 38 (4), 299-305 (2013).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Chin, C. D., et al. Microfluidics-based diagnostics of infectious diseases in the developing world. Nature Medicine. 17 (8), 1015-1019 (2011).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Nie, Z., et al. Electrochemical sensing in paper-based microfluidic devices. Lab on a Chip. 10 (4), 477-483 (2010).
  22. 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).
  23. Murdock, R. C., et al. Optimization of a paper-based ELISA for a human performance biomarker). Analytical Chemistry. 85 (23), 11634-11642 (2013).
  24. Cheng, C. M., et al. Paper-based ELISA. Angewandte Chemie. 122 (28), 4881-4884 (2010).
  25. 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).
  26. Tenda, K., et al. Paper-based antibody detection devices using bioluminescent bret-switching sensor proteins. Angewandte Chemie International Edition. 57 (47), 15369-15373 (2018).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Yuan, H., et al. Microfluidic-assisted Caenorhabditis elegans sorting: current status and future prospects. Cyborg and Bionic Systems. 4, 0011 (2023).
  31. Kim, H., et al. Origami-paper-based device for microvesicle/exosome preconcentration and isolation. Lab on a Chip. 19 (23), 3917-3921 (2019).
  32. 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).
  33. Shin, S., Hyun, J. Matrix-assisted three-dimensional printing of cellulose nanofibers for paper microfluidics. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (31), 26438-26446 (2017).
  34. 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).
  35. Paul, R., et al. Shear stress related blood damage in laminar couette flow. Artificial Organs. 27 (6), 517-529 (2003).
  36. 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).
  37. 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).
  38. Nisisako, T., Torii, T., Higuchi, T. Droplet formation in a microchannel network. Lab on a Chip. 2 (1), 24-26 (2002).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
check_url/kr/65965?article_type=t

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Yuan, W., Yuan, H., Duan, S., Yong, R., Zhu, J., Lim, E. G., Mitrovic, I., Song, P. Microembossing: A Convenient Process for Fabricating Microchannels on Nanocellulose Paper-Based Microfluidics. J. Vis. Exp. (200), e65965, doi:10.3791/65965 (2023).

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