Summary
يصف هذا البروتوكول عملية مباشرة تستخدم قوالب بلاستيكية دقيقة مريحة لعمليات النقش الدقيقة البسيطة لتصنيع القنوات الدقيقة على ورق السليلوز النانوي ، مما يحقق عرضا لا يقل عن 200 ميكرومتر.
Abstract
أثار الورق النانوي ، المشتق من السليلوز الليفي النانوي ، اهتماما كبيرا كمادة واعدة لتطبيقات الموائع الدقيقة. تكمن جاذبيتها في مجموعة من الصفات الممتازة ، بما في ذلك السطح الأملس بشكل استثنائي ، والشفافية البصرية المتميزة ، ومصفوفة الألياف النانوية الموحدة ذات المسامية النانوية ، والخصائص الكيميائية القابلة للتخصيص. على الرغم من النمو السريع للموائع الدقيقة القائمة على الورق النانوي ، فإن التقنيات الحالية المستخدمة لإنشاء قنوات دقيقة على الورق النانوي ، مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد 3D أو الطلاء بالرش أو القطع والتجميع اليدوي ، والتي تعتبر ضرورية للتطبيقات العملية ، لا تزال تمتلك قيودا معينة ، لا سيما القابلية للتلوث. علاوة على ذلك ، تقتصر هذه الطرق على إنتاج قنوات بحجم المليمتر. تقدم هذه الدراسة عملية مباشرة تستخدم قوالب بلاستيكية دقيقة مريحة لعمليات النقش الدقيقة البسيطة لتصنيع القنوات الدقيقة على الورق النانوي ، وتحقيق عرض لا يقل عن 200 ميكرومتر. تتفوق القناة الدقيقة المطورة على الأساليب الحالية ، وتحقق تحسنا بمقدار أربعة أضعاف ، ويمكن تصنيعها في غضون 45 دقيقة. علاوة على ذلك ، تم تحسين معلمات التصنيع ، وتم توفير جدول مرجعي سريع مناسب لمطوري التطبيقات. تم إثبات إثبات المفهوم لخلاط رقائقي ، ومولد قطرات ، وأجهزة تحليلية وظيفية قائمة على الورق النانوي (NanoPADs) مصممة لاستشعار Rhodamine B باستخدام مطيافية Raman المحسنة السطحية. والجدير بالذكر أن NanoPADs أظهرت أداء استثنائيا مع حدود محسنة للكشف. يمكن أن تعزى هذه النتائج البارزة إلى الخصائص البصرية الفائقة للورق النانوي وطريقة النقش الدقيق التي تم تطويرها مؤخرا ، مما يتيح تكامل وضبط NanoPADs.
Introduction
في الآونة الأخيرة ، ظهر ورق السليلوز النانوي (NFC) (nanopaper) كمادة ركيزة واعدة للغاية لمختلف التطبيقات مثل الإلكترونيات المرنة وأجهزة الطاقة والطبية الحيوية1،2،3،4. مشتق من النباتات الطبيعية ، الورق النانوي فعال من حيث التكلفة ، ومتوافق حيويا ، وقابل للتحلل البيولوجي ، مما يجعله بديلا جذابا لورق السليلوز التقليدي 5,6. تشمل خصائصه الاستثنائية سطحا أملسا للغاية مع خشونة سطح أقل من 25 نانومتر وهيكل مصفوفة السليلوز الكثيف ، مما يسمح بإنشاء هياكل نانوية عالية التنظيم7. تساهم مجموعات الهيدروكسيل الوفيرة من الورق النانوي في بنية النانو سليلوز المدمجة والمعبأة بإحكام8. يعرض Nanopaper شفافية بصرية ممتازة والحد الأدنى من الضباب البصري ، مما يجعله مناسبا تماما لأجهزة الاستشعار البصرية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المحبة للماء المتأصلة تتيح التدفق بدون مضخة ، حتى مع هيكلها السميك ، مما يوفر حركة سائلة مستقلة 9,10. يحتوي Nanocellulose على تطبيقات متنوعة في أجهزة الاستشعار البيولوجية ، والأجهزة الإلكترونية الموصلة ، ومنصات زراعة الخلايا ، والمكثفات الفائقة ، والبطاريات ، وأكثر من ذلك ، مما يعرض تعدد استخداماته وإمكاناته11,12. على وجه الخصوص ، يعد النانوسليلوز واعدا لأجهزة الموائع الدقيقة التحليلية الورقية (μPADs) ، مما يوفر مزايا فريدة على ورق الكروماتوغرافيا التقليدي.
في العقد الماضي ، حققت μPADs اهتماما كبيرا بسبب قدرتها على تحمل التكاليف ، والتوافق الحيوي ، والتشغيل الخالي من المضخات ، وسهولة الإنتاج13,14. ظهرت هذه الأجهزة كأدوات تشخيصية فعالة في نقاط الرعاية ، لا سيما في البيئات المحدودة الموارد15،16،17. كان التقدم الكبير في هذا المجال هو تطوير الطباعة بالشمع ، الذي ابتكره جورج وايتسايد18 ومجموعة Bingcheng Lin19 ، مما مكن من إنشاء μPADs وظيفية من خلال دمج القنوات الدقيقة على ورق الكروماتوغرافيا. بعد ذلك ، تطورت μPADs بسرعة ، وتم تنفيذ تقنيات الاستشعار الحيوي المختلفة ، بما في ذلك الطرق الكهروكيميائية 20 ، والتلألؤ الكيميائي 21 ، ومقايسة الممتز المناعي المرتبط بالإنزيم (ELISA) 22،23،24 ، بنجاح للكشف عن المؤشرات الحيوية المتنوعة مثل البروتينات 25،26 ، الحمض النووي 27،28 ، الحمض النوويالريبي 29،30 ، و إكسوسومات31. على الرغم من هذه الإنجازات ، لا تزال μPADs تواجه تحديات ، بما في ذلك سرعات التدفق البطيئة وتبخر المذيبات.
تم اقتراح عدة طرق لإنشاء قنوات دقيقة على الورقالنانوي 32،33،34. يتضمن أحد الأساليب طباعة المكونات القربانية ثلاثية الأبعاد في المادة ، ولكنه يتطلب طلاءا كارها للماء يحد من التشغيل بدون مضخة33. تتضمن تقنية أخرى تكديس طبقات القناة يدويا بين صفائح الورق النانوي باستخدام الغراء ، وهو أمر كثيف العمالة32. بدلا من ذلك ، يمكن لألياف نانوسليلوز المطلية بالرش على قوالب منقوشة مسبقا إنشاء قنوات دقيقة ، ولكنها تنطوي على تحضير قالب مكلفويستغرق وقتا طويلا 34. والجدير بالذكر أن هذه الطرق تقتصر على القنوات الدقيقة على نطاق المليمتر ، مما يضر بمزايا أجهزة الموائع الدقيقة فيما يتعلق باستهلاك حجم الكاشف وتكامله. لا يزال تطوير عملية نقش القنوات الدقيقة البسيطة للورق النانوي بدقة مقياس ميكرومتر يمثل تحديا.
تقدم هذه الدراسة طريقة فريدة لنقش القنوات الدقيقة للورق النانوي تعتمد على النقش الدقيق العملي. يوفر هذا النهج العديد من المزايا مقارنة بالطرق الحالية ، لأنه لا يتطلب معدات باهظة الثمن أو متخصصة ، وهو بسيط وفعال من حيث التكلفة ودقيق للغاية. يتم تصنيع قالب محدب microchannel عن طريق قطع فيلم polytetrafluoroethylene (PTFE) بالليزر ، والمعروف بخموله الكيميائي وخصائصه غير اللاصقة. ثم يتم استخدام هذا القالب لنقش القنوات الدقيقة على غشاء هلام نانووري. يتم تطبيق طبقة ثانية من هلام الورق النانوي في الأعلى لإنشاء قنوات مجوفة مغلقة. باستخدام تقنية الزخرفة هذه ، يتم تطوير أجهزة الموائع الدقيقة الأساسية على الورق النانوي ، بما في ذلك الخلاط الصفحي ومولد القطيرات. بالإضافة إلى ذلك ، تم إثبات تصنيع مجهر رامان المعزز بالسطح (SERS) NanoPADs. يتم تحقيق إنشاء ركيزة SERS القائمة على الجسيمات النانوية الفضية في الموقع من خلال إدخال اثنين من الكواشف الكيميائية (AgNO3 و NaBH4) في القنوات ، مما يؤدي إلى أداء رائع مع حدود منخفضة للكشف (LODs).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. عملية النقش الدقيق لنقش القنوات الدقيقة على الورق النانوي
- إعداد القالب
ملاحظة: ارجع إلى Yuan et al.12 للحصول على تفاصيل حول تحضير القالب.- قم بإعداد فيلم PTFE كما هو موضح في جدول المواد.
- قم بقص فيلم PTFE المحضر بالليزر لعمل قالب محدب microchannel (الشكل 1A-I).
ملاحظة: تحدد أبعاد قالب PTFE أبعاد القناة الدقيقة (الشكل 2E ، F) في علاقة دالة خطية من الدرجة الأولى.
- إعداد الورق النانوي
- قم بتفريق 4.0 جم من (2،2،6،6-رباعي ميثيل بيبيريدين-1-يل) أوكسيل (TEMPO) - هلام NFC المؤكسد (انظر جدول المواد) في الماء المقطر (التركيز النهائي 0.1 بالوزن٪).
- حرك المعلق بشدة عند 120.8 × جم لمدة 30 دقيقة في درجة حرارة الغرفة حتى لا يظهر أي سليلوز فلوك مرئي.
- قم بتصفية التعليق الشفاف للحصول على هلام نانو (الشكل 1A-II).
ملاحظة: في هذا المثال ، يبلغ قطر هلام الورق النانوي الذي تم الحصول عليه 4 سم. يمكن تصميم NanoPADs لتطبيقات مختلفة عن طريق اختيار أجهزة ترشيح الشفط بأقطار مختلفة ، مما يتيح تصميم NanoPADs بمقاييس مختلفة.
- النقش من هلام نانو ورقة
- ضع قالب PTFE على سطح هلام الورق النانوي.
- قم بنقش جل الورق النانوي (الشكل 1A-III) باستخدام قالب PTFE بواسطة المكبس الساخن لمدة 10 دقائق في كل مرة تحت ضغط ودرجة حرارة محسنة (الشكل 2A-D).
ملاحظة: ضغط النقش العالي (250 كيلو باسكال إلى 1000 كيلو باسكال) يحسن دقة التصنيع ولكن يجب ألا يتجاوز 1000 كيلو باسكال لمنع تلف بنية السليلوز. تعمل درجات حرارة النقش العالية (25-100 درجة مئوية) على تعزيز دقة القنوات الدقيقة من خلال تعزيز الجفاف وإزالة الكربنة ، ولكن يجب ألا تتجاوز درجات الحرارة 75 درجة مئوية لتجنب تجعد الهلام وتقليل نفاذية الضوء7. في هذا المثال ، كانت معلمات النقش المحسنة 750 كيلو باسكال و 75 درجة مئوية.
- الافراج عن العفن
- انزع طبقة إضافية من هلام الورق النانوي المرشح من غشاء المرشح (الشكل 1A-IV).
- الترابط
- قم بتوصيل الطبقة المقشرة أعلى الطبقة المنقوشة من هلام الورق النانوي ، وقم بتكديس الطبقتين لإنشاء بنية قناة مجوفة (الشكل 1A-V).
ملاحظة: الترابط الهيدروجيني الأقوى في الورق النانوي "الشبيه بالهلام" مقارنة بتعليق الألياف والورق النانوي المجفف يعزز تشابك التصاق ألياف النانو سليلوز. وبالتالي ، يمكن لطبقتين من الورق النانوي "الشبيه بالهلام" أن تترابطا بإحكام من خلال الانتشار الذاتي دون قوة خارجية.
- قم بتوصيل الطبقة المقشرة أعلى الطبقة المنقوشة من هلام الورق النانوي ، وقم بتكديس الطبقتين لإنشاء بنية قناة مجوفة (الشكل 1A-V).
- تجفيف
- ضع طبقتين من هلام الورق النانوي في فرن تجفيف على حرارة 75 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة تقريبا (الشكل 1A-VI).
2. بناء أجهزة الموائع الدقيقة الأساسية
- بناء خلاط رقائقي
- قم بإعداد NanoPADs بقنوات مستقيمة ومنحنية (الشكل 3 أ) باتباع الخطوة 1.
ملاحظة: في هذا المثال، أبعاد القنوات هي عرض 1 مم وعمق 50 ميكرومتر. - أضف قطرات حمراء وزرقاء في مناطق المدخل في وقت واحد ، مما يسمح بالتدفق عبر القناة المجوفة تلقائيا.
ملاحظة: يمكن أن يعزى التدفق المستقل الناجح للمحاليل الحمراء والزرقاء في قناة مستقيمة وخلطها في نهاية القناة المنحنية إلى انخفاض عدد رينولدز للطبقات في أجهزة الموائع الدقيقة والتدفق الشعاعي الناجم عن إجهاد القص35.
- قم بإعداد NanoPADs بقنوات مستقيمة ومنحنية (الشكل 3 أ) باتباع الخطوة 1.
- بناء مولد القطيرات
- قم بإعداد NanoPADs ثنائية المدخل بقناة تقاطع T (الشكل 3D) وفقا للخطوة 1.
- أدخل الماء والسداسيكان (الزيت) ، وهما سائلان غير قابلين للامتزاج ، في منطقتي المدخل لقناة التقاطع T لتوليد قطرات (الشكل 3E).
ملاحظة: في هذا المثال، أبعاد قناة الوصلة T هي عرض 1 مم وطول 25 مم وعمق 50 ميكرومتر. - ثبت سرعة Q 1 عند 6 ميكرولتر / دقيقة ، وسرعة Q2 عند n × Q 1 (n =1-6). استخدم مضختي حقنة واضبطهما بالسرعة المذكورة أعلاه لحقن الماء والزيت. يخضع هذا السلوك لمعادلة قياس بسيطة واحدة (متوفرة أدناه).
ملاحظة: في هذا المثال ، تم سكب الزيت والماء الملون في القناة36.
حيث α = 1 ، β = 1 ، L هو الطول ، W هو عرض القطرة ، و Q1 و Q2 هي معدلات تدفق الماء والسداسي ، على التوالي37,38.
3. نمو AgNP في الموقع
- إعداد نانو باد
- قم بإعداد NanoPADs ثنائية المدخل مع منطقة اكتشاف متقاربة (الشكل 4 أ) وفقا للخطوة 1.
- عملية امتصاص الطبقة الأيونية المتتالية والتفاعل
- قم بإعداد محلول AgNO3 20 mM ومحلول NaBH4 20 mM (انظر جدول المواد).
- قم بإسقاط 5 ميكرولترمن محلول AgNO 3 20 mM في منطقة المدخل الأيسر لقناة التدفق.
- اسمح لمحلول AgNO3 بالبقاء في منطقة التفاعل لمدة 30 ثانية.
ملاحظة: كرر الخطوات 3.2.2. و 3.2.3. خمس مرات لضمان التوزيع الموحد ل AgNPs دون تكتل ، مما قد يفسر كثافة النطاق الأعلى. - قم بإسقاط 5 ميكرولتر من الماء المقطر في منطقة المدخل الأيسر لقناة التدفق للشطف.
ملاحظة: كرر الخطوة 3.2.4. ثلاث مرات لضمان إزالة أيونات Ag المفرطة وغير الممتصة من خلال الغسيل. - أضف 5 ميكرولتر من محلول 20 mM NaBH4 إلى منطقة المدخل اليمنى لقناة التدفق.
ملاحظة: كرر الخطوة 3.2.5. حتى يتم إنشاء AgNPs بالتساوي في منطقة التفاعل. يتم تمثيل التفاعلات الكيميائية المتضمنة في الخطوة 3 بالصيغة39 التالية:
في هذا المثال ، تم تشكيل صفائف AgNP كثيفة وموحدة وجيدة التنظيم على NanoPADs (الشكل 4B). كان متوسط قطر AgNPs 55 نانومتر (الشكل 4C).
4. قياس SERS
- إعداد نظام رامان الطيفي
- قم بتشغيل الليزر وتشغيل البرنامج المصاحب لمطياف رامان (انظر جدول المواد).
- استخدم هدفا 50x للتركيز وجمع إشارات Raman وليزر 532 نانومتر للإثارة.
- اضبط الدقة الطيفية على 2 سم -1 لقياس دقيق. اضبط نطاق قياس طيف رامان من 400 سم -1 إلى 600 سم −1.
- معايرة مطياف رامان باستخدام رقاقة السيليكون12.
ملاحظة: قم بتنفيذ الخطوة 4.1. للخطوة 4.2.
- قياس الرودامين ب (RhB)
- قم بإذابة 4.7 مجم من RhB (انظر جدول المواد) في 10 مل من الإيثانول لتحضير محلول 1 mM RhB.
- تحضير سلسلة من محاليل RhB بتركيزات تتراوح من 10 ميكرومتر إلى 0.1 ميكرومتر عن طريق تخفيف محلول 1 mM RhB في الإيثانول.
- أضف 5 ميكرولتر من محلول RhB إلى منطقة مدخل قناة NanoPADs واتركها تجف.
ملاحظة: كرر الخطوة 4.2.3. لمحاليل RhB بتركيزات مختلفة مبينة في الخطوة 2.2.4. - اضبط وقت الإثارة على 10 ثوان ، والشبكة على 2 سم − 1 ، وعدد الدورات على 1. اضبط نطاق قياس طيف رامان من 500 سم -1 إلى 1800 سم −1.
- اضبط برغي التركيز الخشن وبرغي التركيز الدقيق بشكل فردي لتحقيق التركيز المناسب ، ثم انقر فوق إيقاف لحفظ الموضع.
- انقر فوق ابدأ لبدء القياس.
- كرر القياسات سبع مرات واحفظ البيانات التي تم جمعها.
- قم بإيقاف تشغيل الليزر.
- تحليل البيانات
- استيراد البيانات المحفوظة إلى برنامج تحليل البيانات (انظر جدول المواد).
- احسب متوسط الطيف من البيانات المحفوظة.
- حدد خيار مسودة الخط لرسم أطياف رامان.
- استخدم أداة محلل الذروة لتعيين خط الأساس للأطياف.
- تطبيق عملية الإشارة - وظيفة سلسة لتنعيم الأطياف للحصول على النتائج النهائية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تم ابتكار طريقة فريدة لإنشاء أنماط microchannel على الورق النانوي باستخدام القوالب البلاستيكية الدقيقة العملية من خلال تقنية النقش الدقيق المريحة. والجدير بالذكر أن هذه الطريقة تحقق نمطا للقنوات الدقيقة على مقياس صغير يصل إلى 200 ميكرومتر ، وهو ما يمثل تحسنا بمقدار أربعة أضعاف مقارنة بالطرق الحالية32،33،34. بعد ضبط معلمات الزخرفة ، تظهر الإرشادات المقدمة قابلية تكرار ممتازة في عملية التصنيع ، والتي تتميز بالحد الأدنى من الانحرافات المعيارية. أعلى تباين ملحوظ في العرض هو 2.5٪ فقط ، بينما بالنسبة للعمق ، فهو 9٪. بالإضافة إلى ذلك ، تم تضمين الشكل 2E ، F ليكون بمثابة دليل لتطوير التطبيقات.
لإثبات التطبيقات العملية ل SERS-NanoPADs المطورة ، تم اختيار Rhodamine B (RhB) ، وهو ملوث بيئي شائع ومادة كيميائية عضوية منخفضة السمية ، كمثال. تم خلط جزيئات RhB مباشرة مع الإيثانول. في هذا المثال ، تم ملء 5 ميكرولتر من محلول المادة المراد تحليلها في منطقة مدخل NanoPADs ، ثم تم قياس إشارة رامان في منطقة التفاعل. تظهر أطياف رامان لعينات RhB بتركيزات مختلفة في الإيثانول (تتراوح من 0.1 pM إلى 10 μM) في الشكل 5A ، مع استخدام الإيثانول النقي كعنصر تحكم فارغ. لوحظت نطاقات RhB واضحة في الأطياف المقاسة ، بما في ذلك تمدد C-O-C (1280 سم -1) ، ووضع تجعد حلقة الزانثين (1200 سم -1) ، وتمدد C-N (1384 سم -1) ، وتمدد C-C (1350 سم -1) ، وتمدد C-H (1520 سم -1) ، وتمدد C-C العطري (1646 سم -1) 40,41. نظرا لحساسية شدة الذروة 1646 سم -1 لتركيز RhB مع الحد الأدنى من ضوضاء الخلفية ، فقد تم اختياره كمعلمة قراءة42. تضمن حساب حد الكشف (LOD) تحديد تركيز RhB المقابل لشدة عنصر التحكم الفارغ بالإضافة إلى ثلاثة أضعاف الانحراف المعياري لشدة رامان للتحكم الفارغ. أسفر هذا الحساب عن LOD قدره 0.019 pM. يعرض الشكل 5B منحنى المعايرة للكشف عن RhB.
الشكل 1: تمثيل تخطيطي لعملية النقش الدقيق لتصميم القنوات الدقيقة على الورق النانوي. (أ) تتكون عملية النقش الدقيق من ست خطوات: تحضير القوالب ، وترشيح الورق النانوي ، والنقش ، وإطلاق القالب ، والترابط ، والتجفيف النهائي. (ب) عرض مقطعي لعملية النقش الدقيق. تم استنساخ هذا الرقم بإذن من Yuan et al. حقوق الطبع والنشر 2023 الجمعية الكيميائية الأمريكية12. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: تحسين النقش Microchannel. تتأثر دقة تصنيع العرض والأعماق بضغط النقش (A ، B) ودرجة حرارة التجفيف (C ، D) ، على التوالي. متطلبات التصميم لعرض القناة (E) وأعماق (F) في أجهزة الموائع الدقيقة النانوية (ن = 5). (المستهدف: عرض وأعماق القنوات الدقيقة المتوقعة ؛ الذي تم الحصول عليه: عرض وأعماق القنوات الدقيقة المصنعة ؛ المصمم: عرض وأعماق قوالب PTFE). تم استنساخ هذا الرقم بإذن من Yuan et al. حقوق الطبع والنشر 2023 الجمعية الكيميائية الأمريكية12. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: أساسيات السلوك الموائع في القناة الدقيقة للورق النانوي . (أ) صور فوتوغرافية لخلاط الموائع الدقيقة النانوي وجهاز التدفق الصفحي. قضبان المقياس = 5 مم. (B) فتل التدفق على مسافات مختلفة على طول القناة المجوفة. شريط المقياس = 2 مم. (C) الأداء الشعري على طول القناة المجوفة (ن = 5). (د) رسم تخطيطي للقطرات داخل قناة الوصلة على شكل حرف T والجهاز المنقوش مع أنابيب المدخل. (ه) مولد قطرات يعمل على ترددات مختلفة. قضبان المقياس = 5 مم. (F) الاعتماد الخطي على معدلات التدفق Q1 / Q2 و L / W (n = 5). تم استنساخ هذا الرقم بإذن من Yuan et al. حقوق الطبع والنشر 2023 الجمعية الكيميائية الأمريكية12. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: استشعار SERS الحساس للجزيئات الصغيرة على NanoPADs. (أ) رسم تخطيطي لنمو AgNP في منطقة الكشف عن NanoPADs. (ب) صورة ل NanoPADs بعد نمو AgNPs وتخطيطي للكشف عن الجزيء القائم على SERS. شريط المقياس = 1 سم. (C) تظهر صورة SEM ل AgNPs المزروعة في الموقع على NanoPADs مصفوفة AgNPs كثيفة ومنظمة. شريط المقياس = 500 نانومتر ؛ أقحم = 100 نانومتر. تم استنساخ هذا الرقم بإذن من Yuan et al. حقوق الطبع والنشر 2023 الجمعية الكيميائية الأمريكية12. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: الكشف القائم على SERS ل RhB. (A) أطياف رامان من RhB بتركيزات من 0.1 pM إلى 10 μM. (B) معايرة RhB عند 1646 cm-1 (n = 5). تم استنساخ هذا الرقم بإذن من Yuan et al. حقوق الطبع والنشر 2023 الجمعية الكيميائية الأمريكية12. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
ينصب التركيز الأساسي لهذه الدراسة على تطوير طريقة بسيطة لتصنيع القنوات الدقيقة على الورق النانوي. تم ابتكار تقنية نقش فعالة باستخدام PTFE كقالب لمواجهة هذا التحدي12. من خلال تحسين درجة الحرارة وضغط النقش ، تم إجراء سلسلة من التجارب لإنشاء عملية تصنيع موثوقة ل NanoPADs. بالإضافة إلى ذلك ، تم إثبات استخدام جدول مرجعي سريع لضبط تطبيقات NanoPADs في مجالات مختلفة. على الرغم من أن هذه الطريقة فعالة ومستقرة ، فقد تمت مواجهة بعض التحديات. في البداية ، تم استخدام المعادن كقوالب بسبب نعومتها ، ولكن نشأت صعوبات في إزالتها من هلام الورق النانوي اللاصق. في النهاية ، تم اختيار PTFE لخصائصه غير اللاصقة وسهولة التشغيل في عملية النقش. ومن التحديات الأخرى التي تم التصدي لها تصنيع قنوات مجوفة. سمحت الروابط الهيدروجينية القوية في الورق النانوي 8 "الشبيه بالهلام" بالانتشار الذاتي والالتصاق طبقتين ، مما أدى إلى ترابط مضغوط بدون قوى خارجية.
في حين أن الطريقة المطورة واضحة ومباشرة وموفرة للوقت وتقلل من التلوث عند تصنيع قنوات دقيقة خالية من المضخات على ورق نانوي ، لا تزال هناك قيود. تقيد دقة القطع بالليزر عرض قوالب PTFE إلى 200 ميكرومتر ، مما يحد من الدقة التي يمكن تحقيقها للقنوات الدقيقة إلى 200 ميكرومتر. للتغلب على هذا القيد ، تم التخطيط لتنفيذ طابعة نانو لقوالب الطباعة 3D في المساعي المستقبلية ، والاستفادة من قدرتها على تحقيق دقة 50 ميكرومتر. مجال آخر يتطلب مزيدا من التحسين هو تصنيع القنوات الدقيقة 3D. بينما وجدت القنوات الدقيقةثلاثية الأبعاد 33,34 استخداما مكثفا في الكشف الطبي الحيوي والكيميائي والكهربائي باستخدام مواد مثل PDMS والأجهزة الورقية العادية ، لا يزال تصنيع القنوات الدقيقة ثلاثية الأبعاد على الورق النانوي مجالا ناشئا. سيساهم حل هذا التحدي بشكل كبير في تقدم NanoPADs.
ركزت هذه الدراسة على استخدام الجزيئات كمراسلين رامان للكشف عن SERS. توفر تقنية SERS42 العديد من المزايا ، بما في ذلك الحد الأدنى من استخدام الكاشف ، والانتقائية العالية ، وإعداد العينات البسيط ، والاستقرار الممتاز ، مما يجعلها طريقة حاسمة للكشف الكيميائي الحيوي. NanoPADs المصممة لها تطبيقات محتملة في المقايسات المناعية SERS. علاوة على ذلك ، هناك اهتمام متزايد ببلازمونات SERS الانتقائية والمصممة خصيصا. يمثل استكشاف طرق توليد هذه البلازمونات على NanoPADs للكشف الانتقائي عن SERS وسيلة مثيرة للتطوير المستقبلي في مجال الورق النانوي.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
يقر المؤلفون بالدعم المالي من برامج مؤسسة العلوم الطبيعية للتعليم العالي في جيانغسو (22KJB460033) ، وبرنامج جيانغسو للعلوم والتكنولوجيا - الباحث الشاب (BK20200251). كما يتم دعم هذا العمل جزئيا من قبل مركز أبحاث جامعة XJTLU الذكاء الاصطناعي ، ومركز البحوث الهندسية بمقاطعة جيانغسو لعلوم البيانات والحساب المعرفي في XJTLU ومنصة الابتكار الذكاء الاصطناعي SIP (YZCXPT2022103). كما تم الاعتراف بالدعم المقدم من مختبر State Key لهندسة أنظمة التصنيع عبر المشروع المفتوح (SKLMS2023019) والمختبر الرئيسي للهندسة الإلكترونية ، وزارة التربية والتعليم.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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.
- 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.
- 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).
