微压花:在纳米纤维素纸基微流控上制造微通道的便捷工艺

Summary

该协议描述了一种简单的过程，该过程利用方便的塑料微模具进行简单的微压花操作，以在纳米纤维化纤维素纸上制造微通道，实现最小宽度为200μm。

Abstract

纳米纸源自纳米纤维化纤维素，作为一种有前途的微流体应用材料，已经引起了人们的极大兴趣。它的吸引力在于一系列卓越的品质，包括异常光滑的表面、出色的光学透明度、具有纳米级孔隙率的均匀纳米纤维基质以及可定制的化学特性。尽管基于纳米纸的微流控技术发展迅速，但目前用于在纳米纸上创建微通道的技术，如3D打印、喷涂或手动切割和组装，对实际应用至关重要，但仍具有一定的局限性，特别是对污染的敏感性。此外，这些方法仅限于毫米级通道的生产。本研究介绍了一种简单的工艺，利用方便的塑料微模具进行简单的微压花操作，在纳米纸上制造微通道，实现最小宽度 200 μm。所开发的微通道优于现有方法，实现了四倍的改进，并且可以在 45 分钟内完成。此外，还优化了制造参数，并为应用程序开发人员提供了方便的快速参考表。演示了层流混合器、液滴发生器和基于纳米纸的功能性分析设备 （NanoPAD） 的概念验证，这些设备设计用于使用表面增强拉曼光谱进行罗丹明 B 传感。值得注意的是，NanoPAD表现出卓越的性能和改进的检测限。这些出色的结果可归因于纳米纸的卓越光学性能和最近开发的精确微压花方法，使NanoPAD的集成和微调成为可能。

Introduction

最近，纳米纤维化纤维素 （NFC） 纸（纳米纸）已成为一种非常有前途的基板材料，可用于柔性电子、能源器件和生物医学等各种应用 1,2,3,4。纳米纸来源于天然植物，具有成本效益、生物相容性和可生物降解性，使其成为传统纤维^素纸的有吸引力的替代品^5,6。其特殊性能包括表面粗糙度小于 25 nm 的超光滑表面和致密的纤维素基质结构，允许创建高度结构化的纳米结构⁷。纳米纸中丰富的羟基有助于其紧凑和紧密堆积的纳米纤维素结构⁸.纳米纸具有出色的光学透明度和最小的光学雾度，非常适合光学传感器。此外，其固有的亲水性使无泵流动，即使其结构较厚，也能提供自主流体运动^9,10。纳米纤维素在生物传感器、导电电子设备、细胞培养平台、超级电容器、电池等方面具有多种应用，展示了其多功能性和潜力^11,12

Protocol

1. 纳米纸微通道图案的微压花工艺

1. 模具准备
   注:有关模具制备的详细信息，请参阅 Yuan 等人 ¹² 。
   1. 按照 材料表中的指示准备PTFE薄膜。
   2. 激光切割准备好的PTFE薄膜以制作凸微通道模具（图1A-I）。
      注意:PTFE模具的尺寸决定了线性一阶函数关系中的微通道尺寸（图2E，F）。
2. 纳米纸制备
   1. 将4.0g（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-基）氧基（TEMPO）氧化的NFC凝胶（见 材料表）分散在蒸馏水中（终浓度为0.1wt%）。
   2. 在室温下以120.8× g 充分搅拌悬浮液30分钟，直到看不到纤维素絮凝体。
   3. 对透明悬浮液进行真空过滤以获得纳米纸凝胶（图1A-II）。
      注:在本例中，获得的纳米纸凝胶的直径为4厘米。通过选择不同半径的抽滤装置，可以针对各种应用定制NanoPAD，从而实现不同规模的NanoPAD设计。....

Results

通过方便的微压花技术，利用实用的塑料微模具，设计了一种在纳米纸上创建微通道图案的独特方法。值得注意的是，该方法在小至200μm的尺度上实现了微通道图案化，与现有方法相比，这代表了四倍的改进32,33,34。在对图案参数进行微调后，所提供的指南在制造过程中表现出出色的可重复性，其特点是标准偏差最小。观察到的最高宽度变化仅为2.5%，而深度则为9%。此外，还包括图 2E，F 作为应用程序开发的指南。

为了展示所开发的SERS-NanoPADs的实际应用，以罗丹明B（RhB）为例，罗丹明B是一种常见的环境污染物和低毒有机化学品。将RhB分子直接与乙醇混合。在本例中，将 5 μL 分析物溶液填充到 NanoPAD 的入口区，然后测量反应区中的拉曼信号。不同浓度的乙醇（范围从0.1 pM到10 μM）的RhB样品的.......

Discussion

本研究的主要重点是开发一种在纳米纸上制造微通道的简单方法。设计了一种使用 PTFE 作为模具的高效压花技术来应对这一挑战¹².通过优化温度和压花压力，进行了一系列实验，建立了可靠的NanoPAD制造工艺。此外，还演示了使用快速参考表来调整NanoPADs在不同领域的应用。虽然这种方法高效稳定，但也遇到了一些挑战。最初，金属因其光滑性而被用作模具，但在将它们从粘合剂纳米纸凝胶中去除时出现了困难。最终，PTFE因其不粘特性和在压花工艺中的易操作性而被选中。解决的另一个挑战是空心通道的制造。"凝胶状"纳米纸⁸ 中的强氢键允许两层的自扩散和粘附，从而在没有外力的情况下实现紧密键合。

虽然所开发的方法简单、省时，并且在纳米纸上制造无泵微通道时最大限度地减少了污染，但仍然存在局限性。激光切割的精度将 PTFE 模具的宽度限制在 200 μm，从而将微通道的可实现精度限制在 200 μm。为了克服这一限制，计划在未来的努力中实施用于3D打印模具的纳米打印机，利用其能力实现50μm的精度。另一个需要进一.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AgNO3	胡氏 （中国 上海）	7761-88-8	>99%
乙醇	胡氏 （中国 上海）	64-17-5	>99%
十六烷	（中国 上海）	544-76-3	>99%
LabSpec 软件	Horiba （日本）	LabSpec5
三聚氰胺	Macklin （中国 上海）	108-78-1	>99%
NaBH4	Aladdin （中国 上海）	16940-66-2	>99%
原产地实验室软件	OriginLab （美国）
聚对苯二甲酸乙二醇酯 （PET）	Myers Industries （美国阿克伦市）
聚四氟乙烯薄膜	深圳市华盛隆塑料材料有限公司 （中国深圳）		特氟龙薄膜
PVDF 滤膜	EMD Millipore Corporation （美国）	VVLP04700	孔径：0.1 &μ;m
拉曼光谱仪	Horiba （日本）	Xplo RA
Rhodamine B	Macklin （中国上海）	81-88-9	>95%
扫描电子显微镜 （SEM）	FEI（美国）	Scios 2 HiVac
硅片	Horiba （日本）		直径：5 mm
TEMPO 氧化 NFC 浆料	天津科技	大学	1.0 wt% 固体，羧酸盐水平 2.0 mmol/g 固体，平均纳米纤维直径：10 nm