Mikroprägung: Ein praktisches Verfahren zur Herstellung von Mikrokanälen auf Mikrofluidik auf Nanozellulosepapier

Summary

Dieses Protokoll beschreibt ein unkompliziertes Verfahren, bei dem praktische Kunststoff-Mikroformen für einfache Mikroprägevorgänge verwendet werden, um Mikrokanäle auf nanofibrilliertem Zellulosepapier herzustellen, wobei eine Mindestbreite von 200 μm erreicht wird.

Abstract

Nanopapier, das aus nanofibrillierter Zellulose gewonnen wird, hat als vielversprechendes Material für mikrofluidische Anwendungen großes Interesse geweckt. Seine Attraktivität liegt in einer Reihe hervorragender Eigenschaften, darunter eine außergewöhnlich glatte Oberfläche, eine hervorragende optische Transparenz, eine gleichmäßige Nanofasermatrix mit nanoskaliger Porosität und anpassbare chemische Eigenschaften. Trotz des rasanten Wachstums der Mikrofluidik auf Nanopapierbasis weisen die derzeit verwendeten Techniken zur Herstellung von Mikrokanälen auf Nanopapier, wie z. B. 3D-Druck, Sprühbeschichtung oder manuelles Schneiden und Montieren, die für praktische Anwendungen von entscheidender Bedeutung sind, immer noch bestimmte Einschränkungen auf, insbesondere die Anfälligkeit für Kontaminationen. Darüber hinaus beschränken sich diese Verfahren auf die Herstellung von millimetergroßen Kanälen. In dieser Studie wird ein unkompliziertes Verfahren vorgestellt, bei dem praktische Kunststoff-Mikroformen für einfache Mikroprägevorgänge verwendet werden, um Mikrokanäle auf Nanopapier herzustellen, wobei eine Mindestbreite von 200 μm erreicht wird. Der entwickelte Mikrokanal übertrifft bestehende Ansätze, erreicht eine vierfache Verbesserung und kann innerhalb von 45 Minuten hergestellt werden. Darüber hinaus wurden die Fertigungsparameter optimiert und eine praktische Kurzreferenztabelle für Anwendungsentwickler bereitgestellt. Der Proof-of-Concept für einen laminaren Mischer, einen Tröpfchengenerator und funktionelle Nanopapier-basierte Analysegeräte (NanoPADs) für die Rhodamin-B-Sensorik mittels oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie wurde demonstriert. Bemerkenswert ist, dass die NanoPADs eine außergewöhnliche Leistung mit verbesserten Nachweisgrenzen aufwiesen. Diese herausragenden Ergebnisse sind auf die überlegenen optischen Eigenschaften von Nanopapier und die kürzlich entwickelte präzise Mikroprägemethode zurückzuführen, die die Integration und Feinabstimmung der NanoPADs ermöglicht.

Introduction

In jüngster Zeit hat sich nanofibrilliertes Zellulosepapier (NFC) (Nanopapier) als vielversprechendes Substratmaterial für verschiedene Anwendungen wie flexible Elektronik, Energiegeräte und biomedizinische Geräte herausgestellt 1,2,3,4. Nanopapier wird aus natürlichen Pflanzen gewonnen und ist kostengünstig, biokompatibel und biologisch abbaubar, was es zu einer attraktiven Alternative zu herkömmlichem Zellulosepapier macht ^5,6. Zu seinen außergewöhnlichen Eigenschaften gehören eine ultraglatte Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit von weniger als 25 nm und eine dichte Zellulosematrixstruktur, die die Bildung hochstrukturierter Nanostrukturen ermöglicht⁷. Reichlich vorhandene Hydroxylgruppen von Nanopapier tragen zu seiner kompakten und dicht gepackten Nanozellulosestruktur^{bei 8}. Nanopapier weist eine hervorragende optische Transparenz und eine minimale optische Trübung auf und eignet sich daher gut für optische Sensoren. Darüber hinaus ermöglicht seine inhärente Hydrophilie einen pumpenfreien Durchfluss, selbst bei seiner dicken Struktur, und sorgt für eine autonome Flüssigkeitsbewegung ^9,10. Nanocellulose hat vielfältige Anwendungen in biologischen Sensoren, leitfähigen elektronischen Geräten, Zellkulturplattformen, Superkondensatoren, Batterien und vielem mehr und zeigt ihre Vielseitigkeit und ihr Potenzial^11,12. Insbesondere für papierbasierte analytische mikrofluidische Geräte (μPADs) ist Nanocellulose vielversprechend und bietet einzigartige Vorteile gegenüber herkömmlichem Chromatographiepapier.

In den letzten zehn Jahren haben μPADs aufgrund ihrer Erschwinglichkeit, Biokompatibilität, ihres pumpenfreien Betriebs und ihrer einfachen Herstellung große Aufmerksamkeit erlangt^13,14. Diese Geräte haben sich als effektive Point-of-Care-Diagnoseinstrumente erwiesen, insbesondere in Umgebungen mit begrenzten Ressourcen^15,16,17. Ein bedeutender Fortschritt auf diesem Gebiet war die Entwicklung des Wachsdrucks, der von George Whitesides¹⁸ und der Bingcheng Lin-Gruppe¹⁹ vorangetrieben wurde und die Herstellung funktioneller μPADs durch die Einarbeitung von Mikrokanälen auf Chromatographiepapier ermöglichte. In der Folge entwickelten sich μPADs schnell weiter, und verschiedene Biosensortechniken, einschließlich elektrochemischer Methoden 20, Chemilumineszenz 21 und Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA)22,23,24, wurden erfolgreich für den Nachweis verschiedener Biomarker wie Proteine 25,26, DNAs 27,28, RNAs ^29,30 und Exosomen³¹. Trotz dieser Errungenschaften stehen μPADs immer noch vor Herausforderungen, darunter langsame Flussgeschwindigkeiten und Lösungsmittelverdunstung.

Es wurden mehrere Methoden zur Erzeugung von Mikrokanälen auf Nanopapier^{vorgeschlagen 32,33,34}. Ein Ansatz besteht darin, Opferbestandteile in 3D in das Material zu drucken, erfordert jedoch eine hydrophobe Beschichtung, die den pumpenfreien Betrieb einschränkt³³. Eine andere Technik besteht darin, Kanalschichten zwischen Nanopapierbögen manuell mit Klebstoff zu stapeln, was arbeitsintensiv ist³². Alternativ kann das Aufsprühen von Nanozellulosefasern auf vorstrukturierte Formen Mikrokanäle erzeugen, erfordert jedoch eine zeitaufwändige und teure Formvorbereitung³⁴. Insbesondere sind diese Methoden auf Mikrokanäle im Millimeterbereich beschränkt, was die Vorteile von mikrofluidischen Geräten in Bezug auf den Verbrauch und die Integration von Reagenzien beeinträchtigt. Die Entwicklung eines einfachen Mikrokanalstrukturierungsprozesses aus Nanopapier mit einer Auflösung im Mikrometerbereich bleibt eine Herausforderung.

In dieser Studie wird eine einzigartige Methode zur Strukturierung von Mikrokanälen aus Nanopapier vorgestellt, die auf praktischer Mikroprägung basiert. Der Ansatz bietet mehrere Vorteile gegenüber bestehenden Methoden, da er keine teure oder spezialisierte Ausrüstung erfordert, einfach, kostengünstig und hochgenau ist. Eine konvexe Mikrokanalform wird durch Laserschneiden einer Polytetrafluorethylen (PTFE)-Folie hergestellt, die für ihre chemische Trägheit und Antihafteigenschaften bekannt ist. Diese Form wird dann verwendet, um Mikrokanäle auf eine Nanopapier-Gelmembran zu prägen. Eine zweite Schicht Nanopapiergel wird darauf aufgetragen, um geschlossene Hohlkanäle zu schaffen. Mit dieser Strukturierungstechnik werden grundlegende mikrofluidische Bauelemente auf Nanopapier entwickelt, darunter ein laminarer Mischer und ein Tröpfchengenerator. Darüber hinaus wird die Herstellung von oberflächenverstärkten Raman-Mikroskopie (SERS) NanoPADs demonstriert. Die In-situ-Herstellung eines auf Silbernanopartikeln basierenden SERS-Substrats wird durch das Einbringen von zwei chemischen Reagenzien (AgNO₃ und NaBH₄) in die Kanäle erreicht, was zu einer bemerkenswerten Leistung bei niedrigen Nachweisgrenzen (LODs) führt.

Protocol

1. Mikroprägeverfahren zur Mikrokanalstrukturierung auf Nanopapier

1. Vorbereitung der Form
   HINWEIS: Siehe Yuan et ^al.12 für Details zur Formvorbereitung.
   1. Bereiten Sie eine PTFE-Folie vor, wie in der Materialtabelle angegeben.
   2. Laserschneiden Sie die vorbereitete PTFE-Folie mit dem Laser, um eine konvexe Mikrokanalform herzustellen (Abbildung 1A-I).
      ANMERKUNG: Die Abmessungen der PTFE-Form bestimmen die Mikrokanalabmessungen (Abbildung 2E,F) in einer linearen Funktionsbeziehung erster Ordnung.
2. Nanopaper-Vorbereitung
   1. 4,0 g (2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-yl)oxyl(TEMPO)-oxidiertes NFC-Gel (siehe Materialtabelle) werden in destilliertem Wasser (Endkonzentration von 0,1 Gew.-%) dispergiert.
   2. Die Suspension wird bei 120,8 x g 30 min bei Raumtemperatur stark umgerührt, bis keine Celluloseflocke mehr sichtbar ist.
   3. Vakuumfiltrieren Sie die klare Suspension, um ein Nanopapiergel zu erhalten (Abbildung 1A-II).
      HINWEIS: In diesem Beispiel beträgt der Durchmesser des erhaltenen Nanopapiergels 4 cm. NanoPADs können für verschiedene Anwendungen maßgeschneidert werden, indem Saugfiltrationsgeräte mit unterschiedlichen Radien ausgewählt werden, was das Design von NanoPADs in verschiedenen Maßstäben ermöglicht.
3. Prägung von Nanopapier-Gel
   1. Legen Sie die PTFE-Form auf die Oberfläche des Nanopapiergels.
   2. Prägen Sie das Nanopapier-Gel (Abbildung 1A-III) mit der PTFE-Form durch die Heißpresse für jeweils 10 Minuten unter optimiertem Druck und Temperatur (Abbildung 2A-D).
      HINWEIS: Ein höherer Prägedruck (250 kPa bis 1000 kPa) verbessert die Fertigungsgenauigkeit, sollte aber 1000 kPa nicht überschreiten, um eine Beschädigung der Zellulosestruktur zu vermeiden. Höhere Prägetemperaturen (25-100 °C) verbessern die Genauigkeit der Mikrokanäle, indem sie die Dehydrierung und Entkohlung fördern, aber die Temperaturen sollten 75 °C nicht überschreiten, um Gelfaltenbildung und eine verringerte Lichtdurchlässigkeit zu vermeiden⁷. In diesem Beispiel lagen die optimierten Prägeparameter bei 750 kPa und 75 °C.
4. Lösen von Formen
   1. Ziehen Sie eine zusätzliche Schicht Filter-Nanopapier-Gel von der Filtermembran ab (Abbildung 1A-IV).
5. Bindung
   1. Befestigen Sie die geschälte Schicht auf der geprägten Schicht aus Nanopapiergel und stapeln Sie die beiden Schichten, um eine hohle Mikrokanalstruktur zu erzeugen (Abbildung 1A-V).
      HINWEIS: Die stärkere Wasserstoffbrückenbindung in "gelartigem" Nanopapier im Vergleich zu Fasersuspensionen und getrocknetem Nanopapier verbessert die Verschränkung und Haftung von Nanozellulosefasern. Folglich können sich zwei Schichten von "gelartigem" Nanopapier durch Selbstdiffusion ohne äußere Kraft fest verbinden.
6. Trocknung
   1. Legen Sie die beiden Schichten Nanopapiergel für ca. 30 Minuten bei 75 °C in einen Trockenschrank (Abbildung 1A-VI).

2. Konstruktion grundlegender mikrofluidischer Geräte

1. Aufbau eines Laminarmischers
   1. Bereiten Sie die NanoPADs mit geraden und gekrümmten Kanälen (Abbildung 3A) nach Schritt 1 vor.
      HINWEIS: In diesem Beispiel betragen die Abmessungen der Kanäle 1 mm Breite und 50 μm Tiefe.
   2. Fügen Sie gleichzeitig rote und blaue Tröpfchen in die Einlasszonen ein, damit der Hohlkanal automatisch durchströmt wird.
      ANMERKUNG: Die erfolgreiche unabhängige Strömung der roten und blauen Lösungen in einem geraden Kanal und ihre Vermischung am Ende des gekrümmten Kanals kann auf die niedrige Reynoldszahl der Schichten in mikrofluidischen Geräten und die radiale Strömung zurückgeführt werden, die durch die Scherspannung³⁵ induziert wird.
2. Bau eines Tröpfchengenerators
   1. Bereiten Sie die NanoPADs mit zwei Einlässen mit einem T-Übergangskanal (Abbildung 3D) gemäß Schritt 1 vor.
   2. Wasser und Hexadecan (Öl), zwei nicht mischbare Flüssigkeiten, werden in die beiden Einlasszonen des T-Übergangskanals eingeleitet, um Tröpfchen zu erzeugen (Abbildung 3E).
      HINWEIS: In diesem Beispiel betragen die Abmessungen des T-Verbindungskanals 1 mm Breite, 25 mm Länge und 50 μm Tiefe.
   3. Fixieren Sie die Geschwindigkeit von Q 1 auf 6 μl/min und die Geschwindigkeit von Q₂ auf n × Q 1 (n =_1-6). Verwenden Sie zwei Spritzenpumpen und stellen Sie sie auf die oben genannte Geschwindigkeit ein, um Wasser und Öl einzuspritzen. Dieses Verhalten wird durch die eine einfache Skalierungsgleichung (siehe unten) bestimmt.
      ANMERKUNG: In diesem Beispiel wurden Öl und gefärbtes Wasser in den Kanal³⁶ gegossen.
      
      Dabei ist α = 1, β = 1, L die Länge, W die Breite des Tröpfchens und Q₁ und Q₂ die Durchflussraten von Wasser bzw.^{Hexadecan 37,38}.

3. In-situ-AgNP-Wachstum

1. Vorbereitung von NanoPADs
   1. Bereiten Sie NanoPADs mit zwei Einlässen und einer konvergierenden Detektionszone (Abbildung 4A) gemäß Schritt 1 vor.
2. Sukzessiver Adsorptions- und Reaktionsprozess der Ionenschicht
   1. Es wird eine 20 mM_{AgNO3-Lösung} und eine 20 mM NaBH4-Lösung hergestellt (siehe Materialtabelle).
   2. 5 μl der 20 mM_{AgNO3-Lösung} werden in die linke Einlasszone des Strömungskanals getropft.
   3. Lassen Sie die AgNO_3-Lösung 30 s lang in der Reaktionszone verbleiben.
      HINWEIS: Wiederholen Sie die Schritte 3.2.2. und 3.2.3. fünfmal, um eine gleichmäßige Verteilung der AgNPs ohne Agglomeration zu gewährleisten, was die höhere Bandenintensität erklären könnte.
   4. Tropfen Sie 5 μl destilliertes Wasser zum Spülen in die linke Einlasszone des Strömungskanals.
      HINWEIS: Wiederholen Sie Schritt 3.2.4. dreimal, um die Entfernung überschüssiger, nicht adsorbierter Ag-Ionen durch Waschen zu gewährleisten.
   5. Geben Sie 5 μl der 20 mM NaBH_4-Lösung in die rechte Einlasszone des Strömungskanals.
      HINWEIS: Wiederholen Sie Schritt 3.2.5. , bis die AgNPs gleichmäßig in der Reaktionszone erzeugt werden. Die in Schritt 3 beteiligten chemischen Reaktionen werden durch die folgende Formel³⁹ dargestellt:
      
      
      In diesem Beispiel wurden dichte, gleichmäßige, gut strukturierte AgNP-Arrays auf den NanoPADs gebildet (Abbildung 4B). Der durchschnittliche Durchmesser der AgNPs betrug 55 nm (Abbildung 4C).

4. SERS-Messung

1. Vorbereitung des Raman-Spektroskopie-Systems
   1. Schalten Sie den Laser ein und starten Sie die dazugehörige Software für das Raman-Spektrometer (siehe Materialtabelle).
   2. Verwenden Sie ein 50-faches Objektiv zum Fokussieren und Sammeln von Raman-Signalen und einen 532-nm-Laser zur Anregung.
   3. Stellen Sie die spektrale Auflösung auf 2 ^cm-1 ein, um eine genaue Messung zu gewährleisten. Stellen Sie den Raman-Spektrum-Messbereich von 400 cm-1 bis 600 ^cm-1 ein.
   4. Kalibrieren Sie das Raman-Spektrometer mit einem Silizium-Wafer¹².
      HINWEIS: Führen Sie Schritt 4.1 aus. für Schritt 4.2.
2. Rhodamin B (RhB) Messung
   1. 4,7 mg RhB (siehe Materialtabelle) werden in 10 ml Ethanol gelöst, um eine 1 mM RhB-Lösung herzustellen.
   2. Eine Reihe von RhB-Lösungen mit Konzentrationen von 10 μM bis 0,1 pM wird hergestellt, indem die 1 mM RhB-Lösung im Ethanol verdünnt wird.
   3. Geben Sie 5 μl der RhB-Lösung in die Einlasszone des NanoPAD-Kanals und lassen Sie sie trocknen.
      HINWEIS: Wiederholen Sie Schritt 4.2.3. für RhB-Lösungen unterschiedlicher Konzentrationen, die in Schritt 4.2.2 angegeben sind.
   4. Stellen Sie die Anregungszeit auf 10 s, das Gitter auf 2 cm⁻¹ und die Anzahl der Zyklen auf 1 ein. Stellen Sie den Raman-Spektrum-Messbereich von 500 cm-1 bis 1800 ^cm-1 ein.
   5. Stellen Sie die Grobfokusschraube und die Feinfokusschraube einzeln ein, um den richtigen Fokus zu erzielen, und klicken Sie dann auf Stopp , um die Position zu speichern.
   6. Klicken Sie auf Start , um die Messung zu starten.
   7. Wiederholen Sie die Messungen siebenmal und speichern Sie die gesammelten Daten.
   8. Schalten Sie den Laser aus.
3. Datenanalyse
   1. Importieren Sie die gespeicherten Daten in die Datenanalyse-Software (siehe Materialtabelle).
   2. Berechnen Sie das durchschnittliche Spektrum aus den gespeicherten Daten.
   3. Wählen Sie die Option Linienschräge aus, um Raman-Spektren zu zeichnen.
   4. Verwenden Sie das Peak-Analysator-Tool , um die Basislinie der Spektren festzulegen.
   5. Wenden Sie die Funktion Signalprozess - Glätten an, um die Spektren für Endergebnisse zu glätten.

Results

Es wurde eine einzigartige Methode zur Erstellung von Mikrokanalmustern auf Nanopapier entwickelt, bei der die praktischen Kunststoff-Mikroformen durch die praktische Mikroprägetechnik verwendet werden. Bemerkenswert ist, dass mit dieser Methode eine Mikrokanalstrukturierung in einem Maßstab von nur 200 μm erreicht wird, was eine vierfache Verbesserung im Vergleich zu bestehenden Methoden darstellt^32,33,34. Nach der Feinabstimmu...

Discussion

Das Hauptaugenmerk dieser Studie liegt auf der Entwicklung einer einfachen Methode zur Herstellung von Mikrokanälen auf Nanopapier. Es wurde eine effiziente Prägetechnik entwickelt, bei der PTFE als Form verwendet wurde, um diese Herausforderung zu bewältigen¹². Durch die Optimierung der Temperatur und des Prägedrucks wurde eine Reihe von Experimenten durchgeführt, um einen zuverlässigen Herstellungsprozess für NanoPADs zu etablieren. Darüber hinaus wurde die Verwendung einer Schnellreferenztabell...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AgNO3	Hushi (Shanghai, China)	7761-88-8	>99%
Ethanol	Hushi (Shanghai, China)	64-17-5	>99%
Hexadecan	Macklin (Shanghai, China)	544-76-3	>99%
LabSpec software	Horiba (Japan)	LabSpec5
Melamin	Macklin (Shanghai, China)	108-78-1	>99%
NaBH4	Aladdin (Shanghai, China)	16940-66-2	>99%
Origin Laborsoftware	OriginLab (USA)
Polyethylenterephthalat (PET)	Myers Industries (Akron, USA)
Polytetrafluorethylen-Folien	Shenzhen Huashenglong plastic material Co., Ltd. (Shenzhen, China)		Teflonfolie
PVDF-Filtermembran	EMD Millipore Corporation (USA)	VVLP04700	Porengröße: 0,1 μ m
Raman-Spektrometer	Horiba (Japan)	Xplo RA
Rhodamin B	Macklin (Shanghai, China)	81-88-9	>95%
Rasterelektronenmikroskopie (REM)	FEI (USA)	Scios 2 HiVac
Siliziumwafer	Horiba (Japan)		Durchmesser: 5 mm
TEMPO-oxidierte NFC-Aufschlämmung	Tianjin Universität für Wissenschaft und Technologie		1,0 Gew.-% Feststoff, Carboxylat 2,0 mmol/g Feststoff, durchschnittlicher Nanofaserdurchmesser: 10 nm