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 Nanozellulosestrukturbei 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 Potenzial11,12. 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 erlangt13,14. Diese Geräte haben sich als effektive Point-of-Care-Diagnoseinstrumente erwiesen, insbesondere in Umgebungen mit begrenzten Ressourcen15,16,17. 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 Nanopapiervorgeschlagen 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.
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Protocol
1. Mikroprägeverfahren zur Mikrokanalstrukturierung auf Nanopapier
- Vorbereitung der Form
HINWEIS: Siehe Yuan et al.12 für Details zur Formvorbereitung.- Bereiten Sie eine PTFE-Folie vor, wie in der Materialtabelle angegeben.
- 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.
- Nanopaper-Vorbereitung
- 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.
- Die Suspension wird bei 120,8 x g 30 min bei Raumtemperatur stark umgerührt, bis keine Celluloseflocke mehr sichtbar ist.
- 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.
- Prägung von Nanopapier-Gel
- Legen Sie die PTFE-Form auf die Oberfläche des Nanopapiergels.
- 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.
- Lösen von Formen
- Ziehen Sie eine zusätzliche Schicht Filter-Nanopapier-Gel von der Filtermembran ab (Abbildung 1A-IV).
- Bindung
- 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.
- 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).
- Trocknung
- Legen Sie die beiden Schichten Nanopapiergel für ca. 30 Minuten bei 75 °C in einen Trockenschrank (Abbildung 1A-VI).
2. Konstruktion grundlegender mikrofluidischer Geräte
- Aufbau eines Laminarmischers
- 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. - 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.
- Bereiten Sie die NanoPADs mit geraden und gekrümmten Kanälen (Abbildung 3A) nach Schritt 1 vor.
- Bau eines Tröpfchengenerators
- Bereiten Sie die NanoPADs mit zwei Einlässen mit einem T-Übergangskanal (Abbildung 3D) gemäß Schritt 1 vor.
- 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. - 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
- Vorbereitung von NanoPADs
- Bereiten Sie NanoPADs mit zwei Einlässen und einer konvergierenden Detektionszone (Abbildung 4A) gemäß Schritt 1 vor.
- Sukzessiver Adsorptions- und Reaktionsprozess der Ionenschicht
- Es wird eine 20 mMAgNO3-Lösung und eine 20 mM NaBH4-Lösung hergestellt (siehe Materialtabelle).
- 5 μl der 20 mMAgNO3-Lösung werden in die linke Einlasszone des Strömungskanals getropft.
- Lassen Sie die AgNO3-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. - 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. - Geben Sie 5 μl der 20 mM NaBH4-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
- Vorbereitung des Raman-Spektroskopie-Systems
- Schalten Sie den Laser ein und starten Sie die dazugehörige Software für das Raman-Spektrometer (siehe Materialtabelle).
- Verwenden Sie ein 50-faches Objektiv zum Fokussieren und Sammeln von Raman-Signalen und einen 532-nm-Laser zur Anregung.
- 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.
- Kalibrieren Sie das Raman-Spektrometer mit einem Silizium-Wafer12.
HINWEIS: Führen Sie Schritt 4.1 aus. für Schritt 4.2.
- Rhodamin B (RhB) Messung
- 4,7 mg RhB (siehe Materialtabelle) werden in 10 ml Ethanol gelöst, um eine 1 mM RhB-Lösung herzustellen.
- 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.
- 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. - 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.
- 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.
- Klicken Sie auf Start , um die Messung zu starten.
- Wiederholen Sie die Messungen siebenmal und speichern Sie die gesammelten Daten.
- Schalten Sie den Laser aus.
- Datenanalyse
- Importieren Sie die gespeicherten Daten in die Datenanalyse-Software (siehe Materialtabelle).
- Berechnen Sie das durchschnittliche Spektrum aus den gespeicherten Daten.
- Wählen Sie die Option Linienschräge aus, um Raman-Spektren zu zeichnen.
- Verwenden Sie das Peak-Analysator-Tool , um die Basislinie der Spektren festzulegen.
- Wenden Sie die Funktion Signalprozess - Glätten an, um die Spektren für Endergebnisse zu glätten.
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Representative 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 darstellt32,33,34. Nach der Feinabstimmung der Strukturierungsparameter weisen die bereitgestellten Richtlinien eine hervorragende Wiederholbarkeit im Herstellungsprozess auf, die durch minimale Standardabweichungen gekennzeichnet ist. Die höchste beobachtete Abweichung in der Breite beträgt nur 2,5 %, während sie in der Tiefe 9 % beträgt. Darüber hinaus wurde Abbildung 2E,F eingefügt, um als Leitfaden für die Anwendungsentwicklung zu dienen.
Um die praktischen Anwendungen der entwickelten SERS-NanoPADs zu demonstrieren, wurde Rhodamin B (RhB), ein weit verbreiteter Umweltschadstoff und organische Chemikalie mit geringer Toxizität, als Beispiel ausgewählt. RhB-Moleküle wurden direkt mit Ethanol versetzt. In diesem Beispiel wurden 5 μl der Analytlösung in die Einlasszone von NanoPADs gefüllt und dann das Raman-Signal in der Reaktionszone gemessen. Die Raman-Spektren von RhB-Proben in verschiedenen Konzentrationen in Ethanol (von 0,1 pM bis 10 μM) sind in Abbildung 5A dargestellt, wobei reines Ethanol als Blindkontrolle verwendet wurde. In den gemessenen Spektren werden klare RhB-Banden beobachtet, darunter die C-O-C-Streckung (1280 cm-1), der Xanthen-Ring-Falten-Modus (1200 cm-1), die C-N-Dehnung (1384 cm-1), die C-C-Dehnung (1350 cm-1), die C-H-Dehnung (1520 cm-1) und die aromatische C-C-Streckung (1646 cm-1)40,41. Aufgrund der Empfindlichkeit der Spitzenintensität von 1646 cm-1 gegenüber der RhB-Konzentration bei minimalem Hintergrundrauschen wurde dieser als Messparameter42 gewählt. Bei der Berechnung der Nachweisgrenze (LOD) wurde die RhB-Konzentration bestimmt, die der Intensität der Blindkontrolle zuzüglich der dreifachen Standardabweichung der Raman-Intensität der Blindkontrolle entspricht. Diese Berechnung ergab eine LOD von 0,019 pM. Abbildung 5B zeigt die Kalibrierkurve für die RhB-Detektion.
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Mikroprägeprozesses zur Strukturierung von Mikrokanälen auf Nanopapier. (A) Der Mikroprägeprozess umfasst sechs Schritte: Formvorbereitungen, Nanopapierfiltration, Prägung, Formfreigabe, Verklebung und Endtrocknung. (B) Querschnitt des Mikroprägeprozesses. Die Abbildung wird mit freundlicher Genehmigung von Yuan et al. reproduziert. Urheberrecht 2023 American Chemical Society12. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Optimierung der Mikrokanalprägung. Die Fertigungsgenauigkeit von Breiten und Tiefen wird durch (A,B) Prägedruck bzw. (C,D) Trocknungstemperatur beeinflusst. Designanforderungen für (E) Kanalbreiten und (F) Tiefen in mikrofluidischen Nanopapiergeräten (n = 5). (Das Soll: die erwarteten Breiten und Tiefen der Mikrokanäle; das Erhaltene: die Breiten und Tiefen der hergestellten Mikrokanäle; das Geplante: die Breiten und Tiefen der PTFE-Formen). Die Abbildung wird mit freundlicher Genehmigung von Yuan et al. reproduziert. Urheberrecht 2023 American Chemical Society12. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Grundlagen des fluidischen Verhaltens im Nanopapier-Mikrokanal. (A) Fotografien des Nanopapier-Mikrofluidik-Mischers und der Laminar-Flow-Vorrichtung. Maßstäbe = 5 mm. (B) Strömungsableitung in unterschiedlichen Abständen entlang des Hohlkanals. Maßstabsleiste = 2 mm. (C) Kapillarleistung entlang des Hohlkanals (n=5). (D) Schematische Darstellung der Tröpfchen im Inneren des T-Übergangskanals und der geprägten Vorrichtung mit den Einlassrohren. (E) Tröpfchengenerator, der mit unterschiedlichen Frequenzen arbeitet. Maßstabsbalken = 5 mm. (F) Lineare Abhängigkeit von den Durchflussraten von Q1/Q2 und L/W (n = 5). Die Abbildung wird mit freundlicher Genehmigung von Yuan et al. reproduziert. Urheberrecht 2023 American Chemical Society12. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Empfindliche SERS-Sensorik von kleinen Molekülen auf NanoPADs. (A) Schematische Darstellung des AgNP-Wachstums in der Detektionszone der NanoPADs. (B) Foto von NanoPADs nach dem Wachstum von AgNPs und schematische Darstellung des SERS-basierten Molekülnachweises. Maßstabsbalken = 1 cm. (C) Das REM-Bild der in situ gewachsenen AgNPs auf NanoPADs zeigt ein dichtes und organisiertes AgNPs-Array. Maßstabsleiste = 500 nm; Einschub = 100 nm. Die Abbildung wird mit freundlicher Genehmigung von Yuan et al. reproduziert. Urheberrecht 2023 American Chemical Society12. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: SERS-basierte Detektion von RhB. (A) Raman-Spektren von RhB bei Konzentrationen von 0,1 pM bis 10 μM. (B) Kalibrierung von RhB bei 1646 cm-1 (n=5). Die Abbildung wird mit freundlicher Genehmigung von Yuan et al. reproduziert. Urheberrecht 2023 American Chemical Society12. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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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 Schnellreferenztabelle zur Anpassung der Anwendungen von NanoPADs in verschiedenen Bereichen demonstriert. Obwohl diese Methode effizient und stabil ist, gab es einige Herausforderungen. Anfangs wurden Metalle aufgrund ihrer Glätte als Formen verwendet, aber es ergaben sich Schwierigkeiten, sie aus dem selbstklebenden Nanopapiergel zu entfernen. Letztendlich fiel die Wahl auf PTFE aufgrund seiner Antihafteigenschaften und der einfachen Handhabung im Prägeprozess. Eine weitere Herausforderung war die Herstellung von Hohlrinnen. Die starken Wasserstoffbrückenbindungen im "gelartigen" Nanopapier8 ermöglichten die Selbstdiffusion und Adhäsion von zwei Schichten, was zu einer kompakten Bindung ohne äußere Kräfte führte.
Obwohl die entwickelte Methode unkompliziert und zeitsparend ist und die Kontamination bei der Herstellung von pumpenfreien Mikrokanälen auf Nanopapier minimiert, gibt es immer noch Einschränkungen. Die Präzision des Laserschneidens begrenzt die Breite von PTFE-Formen auf 200 μm, wodurch die erreichbare Präzision der Mikrokanäle auf 200 μm begrenzt wird. Um diese Einschränkung zu überwinden, ist in Zukunft die Implementierung eines Nanodruckers für den 3D-Druck von Formen geplant, der seine Fähigkeit nutzt, eine Genauigkeit von 50 μm zu erreichen. Ein weiterer Bereich, der weiter verbessert werden muss, ist die Herstellung von 3D-Mikrokanälen. Während die 3D-Mikrokanäle 33,34 in der biomedizinischen, chemischen und elektrischen Detektion unter Verwendung von Materialien wie PDMS und normalen papierbasierten Geräten weit verbreitet sind, ist die Herstellung von3D-Mikrokanälen auf Nanopapier noch ein aufstrebendes Feld. Die Lösung dieser Herausforderung wird wesentlich zur Weiterentwicklung von NanoPADs beitragen.
Diese Studie konzentrierte sich auf die Verwendung von Molekülen als Raman-Reporter für die SERS-Detektion. Die SERS-Technologie42 bietet zahlreiche Vorteile, darunter einen minimalen Reagenzienverbrauch, eine hohe Selektivität, eine einfache Probenvorbereitung und eine ausgezeichnete Stabilität, was sie zu einer entscheidenden Methode für den biochemischen Nachweis macht. Die entwickelten NanoPADs haben potenzielle Anwendungen in SERS-Immunoassays. Darüber hinaus besteht ein zunehmendes Interesse an selektiven und maßgeschneiderten SERS-Plasmonen. Die Erforschung von Methoden zur Erzeugung dieser Plasmonen auf NanoPADs für die selektive SERS-Detektion stellt einen spannenden Weg für zukünftige Entwicklungen auf dem Gebiet des Nanopapiers dar.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Acknowledgments
Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Unterstützung durch die Programme der Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education (22KJB460033) und des Jiangsu Science and Technology Programme - Young Scholar (BK20200251). Diese Arbeit wird teilweise auch vom XJTLU AI University Research Centre, dem Jiangsu Province Engineering Research Centre of Data Science and Cognitive Computation am XJTLU und der SIP AI Innovation Platform (YZCXPT2022103) unterstützt. Die Unterstützung durch das State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering im Rahmen des offenen Projekts (SKLMS2023019) und das Key Laboratory of Bionic Engineering des Bildungsministeriums werden ebenfalls gewürdigt.
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
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