Mikroprägling: En bekväm process för tillverkning av mikrokanaler på pappersbaserad mikrofluidik av nanocellulosa
Summary
Detta protokoll beskriver en enkel process som använder praktiska mikroformar av plast för enkla mikropräglingsoperationer för att tillverka mikrokanaler på nanofibrillärt cellulosapapper, vilket uppnår en minsta bredd på 200 μm.
Abstract
Nanopapper, som utvinns ur nanofibrillär cellulosa, har väckt stort intresse som ett lovande material för mikrofluidiska tillämpningar. Dess attraktionskraft ligger i en rad utmärkta egenskaper, inklusive en exceptionellt slät yta, enastående optisk transparens, en enhetlig nanofibermatris med porositet i nanoskala och anpassningsbara kemiska egenskaper. Trots den snabba tillväxten av nanopappersbaserad mikrofluidik har de nuvarande teknikerna som används för att skapa mikrokanaler på nanopapper, såsom 3D-utskrift, spraybeläggning eller manuell skärning och montering, som är avgörande för praktiska tillämpningar, fortfarande vissa begränsningar, särskilt känsligheten för kontaminering. Dessutom är dessa metoder begränsade till produktion av millimeterstora kanaler. Denna studie introducerar en enkel process som använder praktiska mikroformar av plast för enkla mikropräglingsoperationer för att tillverka mikrokanaler på nanopapper, vilket uppnår en minsta bredd på 200 μm. Den utvecklade mikrokanalen överträffar befintliga tillvägagångssätt, uppnår en fyrfaldig förbättring och kan tillverkas inom 45 minuter. Dessutom har tillverkningsparametrarna optimerats och en praktisk snabbreferenstabell tillhandahålls för applikationsutvecklare. Proof-of-concept för en laminär blandare, droppgenerator och funktionella nanopappersbaserade analysenheter (NanoPAD) designade för Rhodamine B-avkänning med hjälp av ytförstärkt Raman-spektroskopi demonstrerades. Noterbart är att NanoPAD:erna uppvisade exceptionell prestanda med förbättrade detektionsgränser. Dessa enastående resultat kan tillskrivas de överlägsna optiska egenskaperna hos nanopapper och den nyligen utvecklade noggranna mikropräglingsmetoden, vilket möjliggör integration och finjustering av NanoPAD:erna.
Introduction
På senare tid har nanofibrillär cellulosa (NFC) (nanopapper) dykt upp som ett mycket lovande substratmaterial för olika applikationer såsom flexibel elektronik, energienheter och biomedicin 1,2,3,4. Nanopapper kommer från naturliga växter och är kostnadseffektivt, biokompatibelt och biologiskt nedbrytbart, vilket gör det till ett tilltalande alternativ till traditionellt cellulosapapper 5,6. Dess exceptionella egenskaper inkluderar en ultraslät yta med en ytjämnhet på mindre än 25 nm och en tät cellulosamatrisstruktur, vilket gör det möjligt att skapa mycket strukturerade nanostrukturer7. Rikliga hydroxylgrupper av nanopapper bidrar till dess kompakta och tätt packade nanocellulosastruktur8. Nanopapper uppvisar utmärkt optisk transparens och minimal optisk dis, vilket gör det väl lämpat för optiska sensorer. Dessutom möjliggör dess inneboende hydrofilicitet pumpfritt flöde, även med sin tjocka struktur, vilket ger autonom vätskerörelse 9,10. Nanocellulosa har olika tillämpningar i biologiska sensorer, ledande elektroniska enheter, cellodlingsplattformar, superkondensatorer, batterier och mer, vilket visar dess mångsidighet och potential11,12. Nanocellulosa är särskilt lovande för pappersbaserade analytiska mikrofluidikenheter (μPAD), som erbjuder unika fördelar jämfört med konventionellt kromatografipapper.
Under det senaste decenniet har μPADs fått stor uppmärksamhet på grund av deras prisvärdhet, biokompatibilitet, pumpfria drift och enkla produktion13,14. Dessa enheter har visat sig vara effektiva diagnostiska verktyg för patientnära vård, särskilt i resursbegränsade miljöer15,16,17. Ett betydande framsteg inom detta område var utvecklingen av vaxutskrift, som banades väg av George Whitesides18 och Bingcheng Lin-gruppen19, vilket möjliggjorde skapandet av funktionella μPADs genom att införliva mikrokanaler på kromatografipapper. Därefter utvecklades μPADs snabbt, och olika biosensortekniker, inklusive elektrokemiska metoder 20, kemiluminiscens21 och enzymkopplad immunadsorberande analys (ELISA)22,23,24, implementerades framgångsrikt för detektion av olika biomarkörer såsom proteiner 25,26, DNA 27,28, RNA 29,30 och exosomer31. Trots dessa framsteg står μPADs fortfarande inför utmaningar, inklusive långsamma flödeshastigheter och lösningsmedelsindunstning.
Flera metoder har föreslagits för att skapa mikrokanaler på nanopapper32,33,34. En metod innebär att 3D-printa offeringredienser i materialet, men det kräver en hydrofob beläggning som begränsar pumpfri drift33. En annan teknik innebär att man manuellt staplar kanalskikt mellan nanopappersark med hjälp av lim, vilket är arbetskrävande32. Alternativt kan spraybeläggning av nanocellulosafibrer på förmönstrade formar skapa mikrokanaler, men det innebär tidskrävande och dyr formförberedelse34. Noterbart är att dessa metoder är begränsade till mikrokanaler i millimeterskala, vilket äventyrar fördelarna med mikrofluidiska enheter när det gäller förbrukning och integration av reagensvolym. Att utveckla en enkel mikrokanalmönstringsprocess för nanopapper med upplösning i mikrometerskala är fortfarande en utmaning.
Denna studie presenterar en unik mikrokanalmönstringsmetod för nanopapper baserad på praktisk mikroprägling. Tillvägagångssättet erbjuder flera fördelar jämfört med befintliga metoder, eftersom det inte kräver någon dyr eller specialiserad utrustning, är enkelt, kostnadseffektivt och mycket exakt. En konvex mikrokanalform tillverkas genom laserskärning av en polytetrafluoreten (PTFE) film, känd för sin kemiska tröghet och nonstick-egenskaper. Denna form används sedan för att prägla mikrokanaler på ett nanopappersgelmembran. Ett andra lager nanopappersgel appliceras ovanpå för att skapa slutna ihåliga kanaler. Med hjälp av denna mönstringsteknik utvecklas grundläggande mikrofluidiska enheter på nanopapper, inklusive en laminär mixer och droppgenerator. Dessutom demonstreras tillverkningen av ytförstärkt Raman-mikroskopi (SERS) NanoPAD. In-situ skapande av ett silvernanopartikelbaserat SERS-substrat uppnås genom att introducera två kemiska reagenser (AgNO3 och NaBH4) i kanalerna, vilket resulterar i en anmärkningsvärd prestanda med låga detektionsgränser (LOD).
Protocol
Representative Results
Discussion
Det primära fokuset för denna studie är att utveckla en enkel metod för att tillverka mikrokanaler på nanopapper. En effektiv präglingsteknik utarbetades med PTFE som form för att ta itu med denna utmaning12. Genom att optimera temperaturen och präglingstrycket genomfördes en serie experiment för att etablera en tillförlitlig tillverkningsprocess för NanoPAD:er. Dessutom demonstrerades användningen av en snabbreferenstabell för att justera tillämpningarna av NanoPADs inom olika omr?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna erkänner det ekonomiska stödet från programmen för Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education (22KJB460033) och Jiangsu Science and Technology Programme – Young Scholar (BK20200251). Detta arbete stöds också delvis av XJTLU AI University Research Centre, Jiangsu Province Engineering Research Centre of Data Science and Cognitive Computation vid XJTLU och SIP AI innovation platform (YZCXPT2022103). Stödet från State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering via det öppna projektet (SKLMS2023019) och Key Laboratory of Bionic Engineering, utbildningsministeriet, är också erkända.
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).
