マイクロエンボス加工:ナノセルロース紙ベースのマイクロ流体工学でマイクロ流路を作製するための便利なプロセス

Summary

このプロトコルは、200μmの最小幅を達成する、ナノフィブリル化セルロース紙にマイクロチャネルを製造するために、簡単なマイクロエンボス加工操作に便利なプラスチックマイクロモールドを利用する簡単なプロセスについて説明します。

Abstract

ナノフィブリル化セルロースに由来するナノペーパーは、マイクロ流体用途の有望な材料として大きな関心を集めています。その魅力は、非常に滑らかな表面、優れた光透過性、ナノスケールの多孔性を持つ均一なナノファイバーマトリックス、カスタマイズ可能な化学的特性など、さまざまな優れた品質にあります。ナノペーパーベースのマイクロ流体工学が急速に成長しているにもかかわらず、3Dプリンティング、スプレーコーティング、手作業による切断や組み立てなど、ナノペーパー上にマイクロチャネルを作成するために使用される現在の技術は、実用化に不可欠であり、特に汚染に対する感受性など、特定の制限がまだあります。さらに、これらの方法はミリメートルサイズのチャネルの製造に限定されています。本研究では、簡便なマイクロエンボス加工に便利なプラスチックマイクロモールドを用いて、ナノペーパー上にマイクロ流路を作製し、最小幅200μmを実現する簡便なプロセスを紹介します。開発したマイクロ流路は、既存のアプローチを凌駕し、4倍の改善を達成し、45分以内に製造することができます。さらに、製造パラメータが最適化され、アプリケーション開発者に便利なクイックリファレンステーブルが提供されています。表面増強ラマン分光法を用いたローダミンBセンシング用に設計された層流ミキサー、液滴発生器、機能性ナノペーパーベースの分析デバイス(NanoPAD)の概念実証が行われました。特に、NanoPADは検出限界が改善され、並外れた性能を示しました。これらの優れた結果は、ナノペーパーの優れた光学特性と、最近開発された高精度のマイクロエンボス法に起因しており、ナノパッドの集積化と微調整を可能にしています。

Introduction

近年、ナノフィブリル化セルロース(NFC)紙(ナノペーパー)は、フレキシブルエレクトロニクス、エネルギーデバイス、バイオメディカルなどのさまざまな用途で非常に有望な基板材料として浮上しています1,2,3,4。天然植物由来のナノペーパーは、費用対効果が高く、生体適合性があり、生分解性があり、従来のセルロース紙の魅力的な代替品となっています^5,6。その優れた特性には、表面粗さが25nm未満の超平滑な表面と緻密なセルロースマトリックス構造が含まれ、高度に構造化されたナノ構造の作成を可能にします⁷。ナノペーパーの豊富なヒドロキシル基は、そのコンパクトで密集したナノセルロース構造に寄与しています⁸。ナノペーパーは、優れた光学的透明性と最小限の光学的ヘイズを示すため、光学センサーに適しています。さらに、その固有の親水性は、その厚い構造でもポンプフリーの流れを可能にし、自律的な^{流体運動を提供します9,10}。ナノセルロースは、生体センサー、導電性電子デバイス、細胞培養プラットフォーム、スーパーキャパシタ、バッテリーなどに多様な用途があり、その汎用性と可能性を示しています^11,12。特に、ナノセルロースは紙ベースの分析用マイクロ流体デバイス(μPAD)に有望であり、従来のクロマトグラフィー紙に比べて独自の利点があります。

過去10年間で、μPADは、その手頃な価格、生体適合性、ポンプフリー操作、および製造の容易さにより、大きな注目を集めてきました^13,14。これらのデバイスは、特にリソースが限られている設定で、効果的なポイントオブケア診断ツールとして登場しました^15、16、17。この分野での重要な進歩は、George Whitesides¹⁸ と Bingcheng Lin グループ¹⁹ によって開拓されたワックス印刷の開発であり、クロマトグラフィー用紙にマイクロチャネルを組み込むことで機能的な μPAD の作成を可能にしました。その後、μPADは急速に進化し、電気化学的手法20、化学発光21、酵素結合免疫吸着アッセイ(ELISA)^22、23、24などのさまざまなバイオセンシング技術が実装され、タンパク質^{25,26、DNA27,28}、^RNA29,30、エクソソーム³¹.これらの成果にもかかわらず、μPADは流速の遅さや溶媒の蒸発などの課題に直面しています。

ナノペーパー上にマイクロチャネルを作成するためのいくつかの方法が提案されています^32,33,34。1つのアプローチは、材料に犠牲成分を3Dプリントすることを含むが、それはポンプフリー操作を制限する疎水性コーティングを必要とする³³。別の技術では、接着剤を使用してナノペーパーシート間にチャネル層を手動で積み重ねることがありますが、これは労働集約的です³²。或いは、予めパターン化されたモールド上にナノセルロース繊維をスプレーコーティングしてマイクロチャネルを作製することもできるが、それは時間と費用のかかるモールド準備を伴います³⁴。特に、これらの方法はミリメートルスケールのマイクロチャネルに限定されており、試薬の量と積分に関するマイクロ流体デバイスの利点が損なわれています。マイクロメートルスケールの分解能を持つシンプルなナノペーパーマイクロチャネルパターニングプロセスの開発は、依然として課題です。

本研究では、実用的なマイクロエンボス加工に基づく独自のナノペーパーマイクロ流路パターニング法について紹介する。このアプローチは、高価な機器や特殊な機器を必要とせず、シンプルで費用対効果が高く、高精度であるため、既存の方法に比べていくつかの利点があります。凸型マイクロチャネル金型は、化学的不活性と焦げ付き防止特性で知られるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)フィルムをレーザー切断することによって製造されます。次に、このモールドを使用して、マイクロチャネルをナノペーパーゲルメンブレンにエンボス加工します。ナノペーパーゲルの2層目を上に塗布し、閉じた中空チャネルを作成します。このパターニング技術を用いて、層流ミキサーや液滴発生装置など、ナノペーパー上の基本的なマイクロ流体デバイスが開発されています。さらに、表面増強ラマン顕微鏡(SERS)ナノパッドの作製も実証されています。2つの化学試薬(AgNO₃およびNaBH₄)をチャネルに導入することにより、銀ナノ粒子ベースのSERS基板をその場で作製し、低い検出限界(LOD)で優れた性能を発揮します。

Protocol

1. ナノペーパーへのマイクロ流路パターニングのためのマイクロエンボスプロセス

1. 金型の準備
   注:金型の準備の詳細については、Yuan et ^al.12 を参照してください。
   1. 材料表のとおりにPTFEフィルムを準備します。
   2. 準備したPTFEフィルムをレーザーカットして、凸型マイクロチャンネルモールドを作成します(図1A-I)。
      注:PTFEモールドの寸法は、線形の一次関数関係でマイクロチャネルの寸法(図2E、F)を決定します。
2. ナノペーパーの調製
   1. 4.0gの(2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-イル)オキシル(TEMPO)酸化NFCゲル( 材料表参照)を蒸留水(最終濃度0.1wt%)に分散させます。
   2. 懸濁液を120.8 x g で室温で30分間、セルロースフロックが見えなくなるまで激しく攪拌します。
   3. 透明な懸濁液を真空ろ過し、ナノペーパーゲルを得ます(図1A-II)。
      注:この例では、得られたナノペーパーゲルの直径は4cmである。NanoPADは、半径の異なる吸引ろ過装置を選択することで、さまざまな用途に合わせて調整でき、さまざまなスケールでのNanoPADの設計が可能になります。
3. ナノペーパーゲルのエンボス加工
   1. ナノペーパーゲルの表面にPTFEモールドを置きます。
   2. ナノペーパーゲル(図1A-III)をホットプレスにより、最適な圧力と温度で毎回10分間、ホットプレスでエンボス加工します(図2A-D)。
      注:エンボス圧力(250 kPa〜1000 kPa)が高いと製造精度が向上しますが、セルロース構造の損傷を防ぐために1000 kPaを超えないようにしてください。エンボス加工温度(25〜100°C)が高いと、脱水と脱炭が促進され、マイクロチャネルの精度が向上しますが、ゲルのしわや光^{透過率の低下}を避けるために、温度は75°Cを超えてはなりません7。この例では、最適化されたエンボス加工パラメータは 750 kPa および 75 °C でした。
4. 離型
   1. フィルター膜からフィルターナノペーパーゲルの追加層をはがします(図1A-IV)。
5. ボンディング
   1. 剥離した層をナノペーパーゲルのエンボス層の上に貼り付け、2つの層を積層して中空のマイクロチャネル構造を作成します(図1A-V)。
      注:繊維懸濁液や乾燥ナノペーパーと比較して、「ゲル状」のナノペーパーの水素結合が強くなると、ナノセルロース繊維の絡み合いと接着性が高まります。その結果、2層の「ゲル状」ナノペーパーは、外力なしに自己拡散によって強固に結合することができます。
6. 乾燥
   1. 2層のナノペーパーゲルを75°Cの乾燥オーブンに約30分間入れます(図1A-VI)。

2. マイクロ流体基盤デバイスの構築

1. 層流ミキサーの構造
   1. ステップ1に従って、直線および曲線のチャネル(図3A)を備えたNanoPADを準備します。
      注:この例では、チャネルの寸法は幅1mm、奥行き50μmです。
   2. 入口ゾーンに赤と青の液滴を同時に追加し、中空チャネルを自動的に通過できるようにします。
      注:直線チャネル内の赤と青の溶液の独立した流れと、湾曲したチャネルの端でのそれらの混合は、マイクロ流体デバイスの層のレイノルズ数が低く、せん断応力³⁵によって引き起こされる半径方向の流れに起因する可能性があります。
2. 液滴発生装置の建設
   1. ステップ1に従って、T接合チャネルを備えた2インレットNanoPADを調製します(図3D)。
   2. 水とヘキサデカン(油)という2つの非混合性液体をT接合チャネルの2つの入口ゾーンに導入し、液滴を生成します(図3E)。
      注:この例では、Tジャンクションチャネルの寸法は、幅1 mm、長さ25 mm、深さ50 μmです。
   3. Q₁ の速度を 6 μL/分で固定し、Q₂ の速度を n × Q 1 (n =_1-6 ) に固定します。シリンジポンプを2台使用し、上記の速度に設定して水と油を注入します。この動作は、1 つの単純なスケーリング式 (以下を参照) によって制御されます。
      注:この例では、油と色水がチャネル³⁶に注がれました。
      
      ここで、α=1、β=1、Lは液滴の長さ、Wは液滴の幅、_Q1および_Q2は、それぞれ水およびヘキサデカンの流量である^37,38。

3. In-situ AgNPの成長

1. ナノパッドの調製
   1. ステップ1に従って、収束検出ゾーン(図4A)を備えた2インレットNanoPADを調製します。
2. 逐次イオン層吸着・反応過程
   1. 20 mM AgNO₃ 溶液と 20 mM NaBH₄ 溶液を調製します( 材料表を参照)。
   2. 5 μL の 20 mM AgNO₃ 溶液を流路の左入口ゾーンに滴下します。
   3. AgNO₃ 溶液を反応ゾーンに30秒間留置します。
      注: 手順 3.2.2 を繰り返します。および 3.2.3.AgNPが凝集せずに均一に分布するように5回行うことで、より高いバンド強度を説明できる可能性があります。
   4. 5 μLの蒸留水を流路の左側の入口ゾーンに滴下し、すすぎます。
      注:手順3.2.4を繰り返します。洗浄によって過剰で吸着されていないAgイオンを確実に除去するために3回。
   5. 20 mM NaBH₄ 溶液 5 μL を流路の右入口ゾーンに添加します。
      メモ: 手順 3.2.5 を繰り返します。AgNPが反応ゾーンで均一に生成されるまで。ステップ3に関与する化学反応は、以下の式³⁹で表される:
      
      
      この例では、高密度で均一で、よく構造化されたAgNPアレイがNanoPAD上に形成されました(図4B)。AgNPの平均直径は55 nmでした(図4C)。

4. SERS測定

1. ラマン分光装置の準備
   1. レーザーをオンにし、ラマン分光計に付属するソフトウェアを起動します( 材料表を参照)。
   2. ラマン信号の集束と収集には50倍の対物レンズを使用し、励起には532 nmレーザーを使用します。
   3. 正確な測定のために、スペクトル分解能を 2 ^cm-1 に設定します。ラマンスペクトルの測定範囲を 400 cm-1 から 600 ^cm-1 に設定します。
   4. シリコンウェーハ¹²を用いてラマン分光器を校正する。
      メモ: 手順 4.1 を実行します。ステップ 4.2.
2. ローダミンB(RhB)測定
   1. 4.7 mgのRhB( 材料表を参照)を10 mLのエタノールに溶解し、1 mM RhB溶液を調製します。
   2. 1 mM の RhB 溶液をエタノールで希釈することにより、10 μM から 0.1 pM の範囲の濃度の一連の RhB 溶液を調製します。
   3. 5 μLのRhB溶液をNanoPADsチャンネルのインレットゾーンに添加し、乾燥させます。
      注:手順4.2.3を繰り返します。ステップ4.2.2で示した異なる濃度のRhB溶液の場合。
   4. 励起時間を 10 秒、グレーティングを 2 ^cm-1、サイクル数を 1 に設定します。ラマンスペクトルの測定範囲を 500 cm-1 から 1800 ^cm-1 に設定します。
   5. 粗いフォーカスネジと細いフォーカスネジを個別に調整して適切なフォーカスを実現し、 停止 をクリックして位置を保存します。
   6. 開始をクリックして測定を開始します。
   7. 測定を7回繰り返し、収集したデータを保存します。
   8. レーザーをオフにします。
3. データ解析
   1. 保存したデータをデータ解析ソフトウェアにインポートします( 材料表参照)。
   2. 保存したデータから平均スペクトルを算出します。
   3. ラインドラフトオプションを選択して、ラマンスペクトルをプロットします。
   4. ピークアナライザツールを使用して、スペクトルのベースラインを設定します。
   5. Signal process - Smooth関数を適用して、最終結果を得るためにスペクトルを平滑化します。

Results

ナノペーパー上にマイクロチャネルパターンを作成するためのユニークな方法は、便利なマイクロエンボス技術を通じて実用的なプラスチックマイクロモールドを利用して考案されました。特筆すべきは、この手法が200μmという小さなスケールでマイクロチャンネルパターニングを達成し、既存の方法^32,33,34と比較して4倍の改善を示していることである。パターニングパラメータを微調整した後、提供されたガイドラインは、最小の標準偏差を特徴とする製造プロセスで優れた再現性を示します。幅の変動が観測される最大値はわずか2.5%で、奥行きの変動は9%です。さらに、アプリケーション開発のガイドとして役立つ図2E、Fが含まれています。

開発したSERS-NanoPADの実用化を実証するため、一般的な環境汚染物質で毒性の低い有機化学物質で...

Discussion

本研究の主な目的は、ナノペーパー上にマイクロ流路を作製する簡便な手法を開発することです。この課題に対処するために、PTFEを金型として使用して効率的なエンボス加工技術が考案されました¹²。温度とエンボス圧力を最適化することで、ナノパッドの信頼性の高い製造プロセスを確立するための一連の実験が行われました。さらに、クイックリファレンステーブルを使用して、さまざまな分野でのNanoPADのアプリケーションを調整する方法が示されました。この方法は効率的で安定していますが、いくつかの課題に直面しました。当初は、金属が滑らかであることから金型として使用されていましたが、接着性ナノペーパーゲルから金属を取り除くのに困難が生じました。最終的に、PTFEは、その焦げ付き防止特性とエンボス加工プロセスでの操作の容易さのために選択されました。もう一つの課題は、中空チャネルの製作でした。「ゲル状」のナノ^{ペーパー8} の強力な水素結合は、2層の自己拡散と接着を可能にし、外力のないコンパクトな結合をもたらしました。

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Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AgNO<サブ>3	Hushi (中国・上海)	7761-88-8>	99%
Ethanol	Hushi (中国・上海)	64-17-5>	99%
Hexadecane	Macklin (中国・上海)	544-76-3	>99%
LabSpec software	Horiba (Japan)	LabSpec5
Melamine	Macklin (Shanghai, China)	108-78-1	>99%
NaBH4	Aladdin (中国、上海)	16940-66-2	>99%
Origin lab software	OriginLab (USA)
ポリエチレンテレフタレート(PET)	マイヤーズインダストリーズ(アクロン、米国)
ポリテトラフルオロエチレンフィルム	深センHuashenglongプラスチック材料有限公司(深セン、中国)		テフロンフィルム
PVDFフィルター膜	EMDミリポアコーポレーション(米国)	VVLP04700	細孔サイズ:0.1&μ;m
ラマン分光計	堀場製作所 (日本)	Xplo RA
Rhodamine B	Macklin (上海、中国)	81-88-9	>95%
走査型電子顕微鏡 (SEM)	FEI(米国)	Scios 2 HiVac
Silicon wafer	堀場製作所 (日本)		直径: 5 mm
TEMPO-oxidized NFC slurry	天津科学技術	大学	固体1.0 wt%、カルボン酸レベル 2.0 mmol/g 固体、平均ナノファイバー径 10 nm