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微压印：一种在纳米纤维素纸基微流控芯片上制备微通道的便捷工艺

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DOI：

10.3791/65965

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2023年10月6日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1School of Advanced Technology, Xi’an Jiaotong - Liverpool University, 2Department of Electrical Engineering and Electronics, University of Liverpool, 3State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi'an Jiaotong University, 4School of Intelligent Manufacturing and Smart Transportation, Suzhou City University

本文内容

摘要

本方案描述了一种简便的工艺，利用便捷的塑料微模具在纳米纤维素纤维素纸表面进行简单的微压印操作，以制备微通道，可实现最小200 µm的通道宽度。

摘要

由纳米纤维素制备的纳米纸因其在微流控应用中的巨大潜力而受到广泛关注。其优势在于一系列优异的性能 具有优异的特性，包括极为光滑的表面、出色的光学透明性、具有纳米级孔隙的均匀纳米纤维基质，以及可定制的化学性质。尽管基于纳米纸的微流控技术发展迅速，但目前在纳米纸上构建微通道的技术（如3D打印、喷雾涂覆或手动切割与组装）仍存在一定的局限性，尤其是在实际应用中易受污染。此外，这些方法仅限于制造毫米尺度的通道。本研究提出了一种简便的工艺，利用便捷的塑料微模具进行简单的微压印操作，在纳米纸上制备出最小宽度为200 µm的微通道。所开发的微通道性能优于现有方法，分辨率提升达四倍，且可在45分钟内完成制备。此外，本研究优化了制备参数，并为应用开发者提供了便于查阅的参数速查表。研究还展示了层流混合器、液滴发生器以及基于功能化纳米纸的分析装置（NanoPADs）的概念验证，后者用于通过表面增强拉曼光谱检测罗丹明B。值得注意的是，该NanoPADs表现出卓越的性能，检测限显著提高。这些优异结果归因于纳米纸优异的光学特性以及新近开发的高精度微压印方法，后者实现了NanoPADs的有效集成与精细调控。

引言

近年来，纳米纤化纤维素（NFC）纸（又称纳米纸）作为一种极具前景的基底材料，在柔性电子器件、能源装置和生物医学等领域展现出广泛的应用潜力1,2,3,4。纳米纸来源于天然植物，具有成本低、生物相容性和可生物降解等优点，是传统纤维素纸的理想替代材料5,6。其优异特性包括超平整的表面（表面粗糙度低于25 nm）以及致密的纤维素基质结构，有利于构建高度有序的纳米结构7。纳米纸表面丰富的羟基有助于形成紧密堆积的纳米纤维素结构8。此外，纳米纸具有优异的光学透明性和极低的光雾度，适用于光学传感器的制备。其固有的亲水性即使在较厚结构中也能实现无泵驱动的流体输运，从而实现自主的液体流动9,10。纳米纤维素在生物传感器、导电电子器件、细胞培养平台、超级电容器、电池等方面具有多样化的应用，展现出极高的多功能性与应用潜力11,12。尤其在基于纸张的分析型微流控器件（µPADs）中，纳米纤维素相较于传统层析纸具有独特优势。

在过去十年中，微流控纸基分析装置（µPADs）因其成本低廉、生物相容性好、无需泵驱动以及易于生产等优点而受到广泛关注13,14。这类装置已发展成为有效的即时检测诊断工具，尤其适用于资源有限的环境15,16,17。该领域的一项重要进展是蜡印技术的开发，该技术由 George Whitesides18 和林炳承团队19 率先提出，通过在层析纸上构建微通道，实现了功能性 µPADs 的制备。此后，µPADs 迅速发展，多种生物传感技术被成功应用于多种生物标志物的检测，包括电化学方法20、化学发光21以及酶联免疫吸附测定（ELISA）22,23,24，检测目标物涵盖蛋白质25,26、DNA27,28、RNA29,30以及外泌体31。尽管取得了上述进展，µPADs 仍面临诸如流速较慢和溶剂易蒸发等挑战。

已有多种方法被提出用于在纳米纸上构建微通道32,33,34。其中一种方法是将可牺牲组分通过3D打印技术引入材料内部，但该方法需要使用疏水涂层，从而限制了无泵操作的应用33。另一种技术是通过胶粘剂将微通道层手动堆叠于纳米纸片之间，该过程劳动密集且耗时32。此外，还可采用将纳米纤维素喷雾涂覆至预图案化模具表面的方法来制备微通道，但该方法涉及耗时且昂贵的模具制备过程34。值得注意的是，这些方法仅限于制造毫米尺度的微通道，这削弱了微流控器件在试剂消耗量和集成化方面的优势。因此，开发一种具有微米级分辨率且操作简便的纳米纸微通道图案化工艺仍是一项挑战。

本研究提出了一种基于实用微压印技术的纳米纸微通道图案化方法。该方法相较于现有技术具有多项优势，无需昂贵或专用设备，操作简便、成本低廉且精度高。通过激光切割聚四氟乙烯（PTFE）薄膜制备出具有凸起结构的微通道模具，PTFE以其化学惰性和不粘特性而著称。该模具用于在纳米纸凝胶膜上压印出微通道，随后覆盖第二层纳米纸凝胶膜以形成封闭的中空通道。利用该图案化技术，开发了基于纳米纸的基础微流控器件，包括层流混合器和液滴发生器。此外，还展示了表面增强拉曼显微（SERS）纳米纸分析平台（NanoPADs）的制备。 原位 基于银纳米颗粒的SERS基底的制备是通过引入两种化学试剂（AgNO₃3 和 NaBH4）注入通道，实现了优异的性能，检测限（LODs）极低。

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方案

1. 纳米纸上微通道图案化的微压印工艺

  1. 模具制备
    注意：有关模具制备的详细信息，请参见Yuan等人的研究12。
    1. 按照材料表中的说明准备聚四氟乙烯（PTFE）薄膜。
    2. 使用激光切割已准备好的PTFE薄膜，以制成凸形微通道模具（图1A-I）。
      注意：PTFE模具的尺寸与微通道尺寸之间呈线性一阶函数关系（图2E、F）。
  2. 纳米纸凝胶的制备
    1. 将4.0 g的(2,2,6,6-四甲基哌啶-1-基)氧自由基（TEMPO）氧化的纳米纤维素（NFC）凝胶（见材料表）分散于蒸馏水中（最终浓度为0.1 wt%）。
    2. 在室温下以120.8 × g 强力搅拌30分钟，直至无可见的纤维素絮状物。
    3. 对澄清的悬浮液进行真空过滤，获得纳米纸凝胶（图1A-II）。
      注意：本示例中所得纳米纸凝胶的直径为4 cm。通过选择不同半径的抽滤装置，可定制适用于多种应用的纳米纸分析装置（NanoPADs），从而实现不同尺度的NanoPADs设计。
  3. 纳米纸凝胶的压印
    1. 将PTFE模具放置在纳米纸凝胶表面。
    2. 使用PTFE模具在优化的压力和温度条件下，通过热压机每次压印10分钟，对纳米纸凝胶进行压印（图1A-III）（图2A-D）。
      注意：较高的压印压力（250 kPa至1000 kPa）可提高加工精度，但不应超过1000 kPa，以免损坏纤维素结构。较高的压印温度（25–100 °C）可通过促进脱水和脱碳作用提高微通道精度，但温度不应超过75 °C，以避免凝胶起皱和透光率下降7。本示例中优化的压印参数为750 kPa和75 °C。
  4. 脱模
    1. 从滤膜上剥离一层额外的过滤纳米纸凝胶（图1A-IV）。
  5. 键合
    1. 将剥离下来的凝胶层贴附在已压印的纳米纸凝胶层上方，使两层叠加形成中空微通道结构（图1A-V）。
      注意：与纤维悬浮液和干燥的纳米纸相比，“凝胶状”纳米纸具有更强的氢键作用，从而增强了纳米纤维素纤维的缠结和粘附性。因此，两层“凝胶状”纳米纸可通过自扩散实现紧密键合，无需外力作用。
  6. 干燥
    1. 将两层纳米纸凝胶置于75 °C的干燥烘箱中干燥约30分钟（图1A-VI）。

2. 基本微流控装置的构建

  1. 层流混合器的构建
    1. 按照步骤1制备具有直通道和弯曲通道的NanoPADs（图3A）。
      注意：本示例中，通道尺寸为1 mm宽、50 µm深。
    2. 同时在入口区域加入红色和蓝色液滴，使其自动流经中空通道。
      注意：红色和蓝色溶液在直通道中独立流动，并在弯曲通道末端混合，这可归因于微流控装置中流层的低雷诺数以及由剪切应力诱导的径向流动35。
  2. 液滴发生器的构建
    1. 根据步骤1制备具有T型 junction 通道的双入口NanoPADs（图3D）。
    2. 将水和十六烷（油）这两种不混溶液体引入T型 junction 通道的两个入口区域，以生成液滴（图3E）。
      注意：本示例中，T型 junction 通道的尺寸为1 mm宽、25 mm长、50 µm深。
    3. 将Q1的流速固定为6 µL/min，Q2的流速设为n × Q1（n = 1–6）。使用两台注射泵并设定上述流速，分别注入水和油。该行为遵循以下提供的一个简单标度方程。
      注意：本示例中，油和染色水被注入通道中36。
      figure-protocol-1
      其中α = 1，β = 1，L为液滴长度，W为液滴宽度，Q1和Q2分别为水和十六烷的流速37,38。

3. 原位 AgNP 的生长

  1. 纳米纸分析装置（NanoPADs）的制备
    1. 根据步骤1，制备具有汇聚检测区的双入口纳米纸分析装置（NanoPADs）（图4A）。
  2. 连续离子层吸附与反应过程
    1. 配制20 mM的AgNO3溶液和20 mM的NaBH4溶液（见材料表）。
    2. 将5 µL的20 mM AgNO3溶液滴加至流道的左侧入口区域。
    3. 使AgNO3溶液在反应区停留30秒。
      注意：重复步骤3.2.2和3.2.3共五次，以确保AgNPs均匀分布且无团聚现象，这可解释更高的条带强度。
    4. 将5 µL蒸馏水滴加至流道的左侧入口区域进行冲洗。
      注意：重复步骤3.2.4三次，以确保通过洗涤彻底去除未吸附的过量Ag离子。
    5. 向流道的右侧入口区域加入5 µL的20 mM NaBH4溶液。
      注意：重复步骤3.2.5，直至AgNPs在反应区均匀生成。步骤3中涉及的化学反应可用以下公式表示39：
      figure-protocol-2

      本示例中，在NanoPADs上形成了致密、均匀且结构良好的AgNP阵列（图4B）。AgNPs的平均直径为55 nm（图4C）。

4. SERS 测量

  1. 拉曼光谱系统准备
    1. 打开激光器，并启动拉曼光谱仪的配套软件（参见 材料表）。
    2. 使用 50 倍物镜聚焦并收集拉曼信号，采用 532 nm 激光作为激发光源。
    3. 将光谱分辨率为设置为 2 cm-1 以确保测量准确。将拉曼光谱测量范围设置为从 400 cm-1 到 600 cm−1。
    4. 使用硅片对拉曼光谱仪进行校准12。
      注意：在执行步骤 4.2 前，请先完成步骤 4.1。
  2. 罗丹明 B (RhB) 测量
    1. 将 4.7 mg 的 RhB（参见 材料表）溶解于 10 mL 乙醇中，配制 1 mM 的 RhB 溶液。
    2. 通过将 1 mM RhB 溶液用乙醇稀释，配制一系列浓度范围从 10 µM 到 0.1 pM 的 RhB 溶液。
    3. 取 5 µL RhB 溶液滴加至 NanoPADs 通道的进样区，并使其自然干燥。
      注意：对步骤 4.2.2 中所述不同浓度的 RhB 溶液，重复执行步骤 4.2.3。
    4. 设置激发时间为 10 s，光栅为 2 cm−1，扫描循环次数为 1 次。将拉曼光谱测量范围设置为从 500 cm-1 到 1800 cm−1。
    5. 分别调节粗调焦旋钮和微调焦旋钮，实现清晰聚焦，然后点击 停止 以保存当前聚焦位置。
    6. 点击 开始 以启动测量。
    7. 重复测量七次，并保存所采集的数据。
    8. 关闭激光器。
  3. 数据分析
    1. 将保存的数据导入数据分析软件（参见 材料表）。
    2. 基于保存的数据计算平均光谱。
    3. 选择 线图 选项以绘制拉曼光谱。
    4. 使用 峰分析 工具对光谱进行基线校正。
    5. 应用 信号处理 - 平滑 功能对光谱进行平滑处理，以获得最终结果。

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结果

一种利用实用型塑料微模具通过便捷的微压印技术在纳米纸上创建微通道图案的独特方法已被开发出来。值得注意的是，该方法实现的微通道图案尺寸可小至200 µm，与现有方法相比提升了四倍32,33,34。在优化了图案化参数后，所提供的制备指南在制造过程中表现出优异的重复性，标准偏差极小。观察到的最大宽度变化仅为2.5%，深度变化为9%。此外，图2E、F已提供，可作为应用开发的参考指南。

为了展示所开发的SERS-NanoPADs的实际应用，选择罗丹明B（RhB）作为示例，它是一种常见的环境污染物和低毒性的有机化合物。将RhB分子直接溶于乙醇中。在此示例中，取5 µL待测溶液加入NanoPADs的进样区，随后测量反应区的拉曼信号。图5A显示了乙醇中不同浓度R...

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讨论

本研究的主要目标是开发一种在纳米纸上制备微通道的简便方法。为解决这一难题，设计了一种使用聚四氟乙烯（PTFE）作为模具的高效压印技术12。通过优化温度和压印压力，开展了一系列实验，以建立可靠的纳米纸微流控分析装置（NanoPADs）制备工艺。此外，还展示了利用快速参考表来调整NanoPADs在不同领域应用的方法。尽管该方法高效且稳定，但仍遇到了一些挑战。最初曾使用金属作为模具，因其表面光滑，但在将其从具有黏性的纳米纸凝胶中脱模时遇到困难。最终选用PTFE，因其具备良好的不粘特性和在压印过程中易于操作的优点。另一个被解决的挑战是中空通道的制备问题。类凝胶状纳米纸中强烈的氢键8使得两层材料能够实现自扩散与粘附，从而在无需外力作用的情况下形成致密结合。

尽管所开发的方法在纳米纸上制备无泵微通道时具有操作简便、节省时间且能最大限度减少污染的优点，但仍存在一些局限性。激光切割的精度限制了聚四氟乙烯（PTFE）模具的宽度只能达到200 µm，从而导致微通道的加工精度也被限制在200 µm。为克服这一...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者感谢江苏省高等教育自然科学基金项目（22KJB460033）和江苏省科技计划—青年学者项目（BK20200251）提供的经费支持。本工作还部分得到了西交利物浦大学人工智能大学研究中心、江苏省数据科学与认知计算工程研究中心（西交利物浦大学）以及苏州工业园区人工智能创新平台（YZCXPT2022103）的支持。同时感谢制造系统工程国家重点实验室通过开放课题（SKLMS2023019）以及教育部仿生工程重点实验室提供的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
AgNO3 沪试（中国上海）7761-88-8>99%
乙醇沪试（中国上海）64-17-5>99%
十六烷麦克林（中国上海）544-76-3>99%
LabSpec 软件堀场（日本）LabSpec5
三聚氰胺麦克林（中国上海）108-78-1>99%
NaBH4阿拉丁（中国上海）16940-66-2>99%
OriginLab 软件OriginLab（美国）
聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET） 迈尔斯工业（美国阿克伦）
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 公司（美国）VVLP04700孔径：0.1 μm
拉曼光谱仪堀场（日本）Xplo RA
罗丹明 B麦克林（中国上海）81-88-9>95%
扫描电子显微镜（SEM）FEI（美国）Scios 2 HiVac
硅片堀场（日本）直径：5 mm
TEMPO 氧化 NFC 浆料天津科技大学固体含量：1.0 wt%，羧酸盐水平：2.0 mmol/g 固体，平均纳米纤维直径：10 nm

参考文献

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