Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

מיקרו-הבלטה: תהליך נוח לייצור מיקרו-ערוצים על מיקרופלואידיקה מבוססת נייר ננוצלולוז

Published: October 6, 2023 doi: 10.3791/65965
Automatic Translation
1,2,3, 1, 1,2, 1, 1,2,4, 1,2, 2, 1,2
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

Summary

פרוטוקול זה מתאר תהליך פשוט המשתמש במיקרו-תבניות פלסטיק נוחות לפעולות מיקרו-הבלטה פשוטות לייצור מיקרו-ערוצים על נייר תאית ננו-פיברילציה, להשגת רוחב מינימלי של 200 מיקרומטר.

Abstract

ננו-נייר, המופק מתאית ננו-פיברילציה, עורר עניין רב כחומר מבטיח ליישומים מיקרופלואידים. המשיכה שלו טמונה במגוון תכונות מצוינות, כולל משטח חלק במיוחד, שקיפות אופטית יוצאת דופן, מטריצת ננו-סיבים אחידה עם נקבוביות ננומטרית ותכונות כימיות הניתנות להתאמה אישית. למרות הצמיחה המהירה של מיקרופלואידיקה מבוססת ננו-נייר, הטכניקות הנוכחיות המשמשות ליצירת מיקרו-ערוצים על ננו-נייר, כגון הדפסה תלת-ממדית, ציפוי ריסוס או חיתוך והרכבה ידניים, שהן חיוניות ליישומים מעשיים, עדיין בעלות מגבלות מסוימות, בעיקר רגישות לזיהום. יתר על כן, שיטות אלה מוגבלות לייצור ערוצים בגודל מילימטרי. מחקר זה מציג תהליך פשוט המשתמש במיקרו-תבניות פלסטיק נוחות לפעולות מיקרו-הבלטה פשוטות כדי לייצר מיקרו-ערוצים על ננו-נייר, ולהשיג רוחב מינימלי של 200 מיקרומטר. המיקרו-ערוץ שפותח עולה בביצועיו על גישות קיימות, ומשיג שיפור של פי ארבעה, וניתן לייצר אותו תוך 45 דקות. יתר על כן, פרמטרי הייצור עברו אופטימיזציה, וטבלת עיון מהירה נוחה מסופקת עבור מפתחי יישומים. הודגמה הוכחת היתכנות עבור מערבל למינרי, מחולל טיפות והתקנים אנליטיים פונקציונליים מבוססי ננו-נייר (NanoPADs) המיועדים לחישת רודאמין B באמצעות ספקטרוסקופיית ראמאן משופרת בפני השטח. ראוי לציין כי ה- NanoPADs הציגו ביצועים יוצאי דופן עם מגבלות זיהוי משופרות. ניתן לייחס תוצאות יוצאות דופן אלה לתכונות האופטיות המעולות של ננו-נייר ולשיטת המיקרו-הבלטה המדויקת שפותחה לאחרונה, המאפשרת אינטגרציה וכוונון עדין של ה-NanoPADs.

Introduction

לאחרונה, נייר תאית ננו-פיברילציה (NFC) (ננו-נייר) התגלה כחומר מצע מבטיח ביותר עבור יישומים שונים כגון אלקטרוניקה גמישה, התקני אנרגיה וביו-רפואיים 1,2,3,4. ננו-נייר, המופק מצמחים טבעיים, הוא חסכוני, תואם ביולוגית ומתכלה, מה שהופך אותו לחלופה מושכת לנייר תאית מסורתי 5,6. תכונותיו יוצאות הדופן כוללות משטח חלק במיוחד עם חספוס פני שטח של פחות מ-25 ננומטר ומבנה מטריצת תאית צפופה, המאפשר יצירת ננו-מבנים בעלי מבנה גבוה7. קבוצות הידרוקסיל שופעות של ננו-נייר תורמות למבנה הננוצלולוז הקומפקטי והצפוף שלו8. ננו-נייר מציג שקיפות אופטית מעולה ואובך אופטי מינימלי, מה שהופך אותו מתאים היטב לחיישנים אופטיים. בנוסף, ההידרופיליות הטבועה בו מאפשרת זרימה ללא משאבה, אפילו עם המבנה העבה שלו, ומספקת תנועת נוזל אוטונומית 9,10. לננוצלולוז יישומים מגוונים בחיישנים ביולוגיים, התקנים אלקטרוניים מוליכים, פלטפורמות תרביות תאים, קבלי-על, סוללות ועוד, ומציג את הרבגוניות והפוטנציאל שלו11,12. בפרט, ננוצלולוז מבטיח עבור התקנים מיקרופלואידים אנליטיים מבוססי נייר (μPADs), ומציע יתרונות ייחודיים על פני נייר כרומטוגרפיה קונבנציונאלי.

בעשור האחרון, μPADs השיגו תשומת לב משמעותית בשל המחיר הזול שלהם, תאימות ביולוגית, פעולה ללא משאבה, וקלות הייצור 13,14. מכשירים אלה התגלו ככלי אבחון יעיל של נקודת טיפול, במיוחד בהגדרות מוגבלות במשאבים15,16,17. התקדמות משמעותית בתחום זה הייתה פיתוח הדפסת שעווה, שפותחה על ידי ג'ורג' וייטסיידס18 וקבוצת בינגצ'נג לין19, שאפשרה יצירת μPADs פונקציונליים על ידי שילוב מיקרו-ערוצים על נייר כרומטוגרפי. לאחר מכן, μPADs התפתחו במהירות, וטכניקות ביו-חישה שונות, כולל שיטות אלקטרוכימיות 20, כימילומינסנציה 21, ובדיקת אימונוסורבנט מקושרת אנזימים (ELISA)22,23,24, יושמו בהצלחה לזיהוי סמנים ביולוגיים מגוונים כגון חלבונים 25,26, DNA 27,28, RNA 29,30, ו אקסוזומים31. למרות הישגים אלה, μPADs עדיין מתמודדים עם אתגרים, כולל מהירויות זרימה איטיות ואידוי ממס.

מספר שיטות הוצעו ליצירת מיקרו-ערוצים על ננו-נייר32,33,34. גישה אחת כוללת הדפסה תלת ממדית של מרכיבים המקריבים לתוך החומר, אך היא דורשת ציפוי הידרופובי המגביל את פעולתו ללא משאבה33. טכניקה נוספת כוללת ערימה ידנית של שכבות תעלה בין יריעות ננו-נייר באמצעות דבק, שהוא עתיר עבודה32. לחלופין, ציפוי סיבי ננוצלולוז בהתזה על תבניות מעוצבות מראש יכול ליצור מיקרו-ערוצים, אך הוא כרוך בהכנת עובש יקרה וגוזלת זמן34. יש לציין כי שיטות אלה מוגבלות למיקרו-ערוצים בקנה מידה מילימטרי, מה שפוגע ביתרונות של התקנים מיקרופלואידים בכל הנוגע לצריכת נפח ריאגנטים ואינטגרציה. פיתוח תהליך פשוט של תבניות מיקרו-ערוצים ננו-נייר ברזולוציה בקנה מידה מיקרומטרי נותר אתגר.

מחקר זה מציג שיטת דפוס מיקרו-ערוצית ייחודית של ננו-נייר המבוססת על מיקרו-הבלטה מעשית. הגישה מציעה מספר יתרונות על פני השיטות הקיימות, שכן היא אינה דורשת ציוד יקר או מיוחד, היא פשוטה, חסכונית ומדויקת ביותר. תבנית מיקרו-ערוצית קמורה מיוצרת על ידי חיתוך בלייזר של סרט פוליטטרה-פלואוראתילן (PTFE), הידוע באינרציה הכימית שלו ובתכונות הנון-סטיק שלו. תבנית זו משמשת לאחר מכן להבלטת מיקרו-ערוצים על קרום ג'ל ננו-נייר. שכבה שנייה של ג'ל ננו-נייר נמרחת על גבי כדי ליצור תעלות חלולות סגורות. באמצעות טכניקת דפוס זו, מפתחים התקנים מיקרופלואידים בסיסיים על ננו-נייר, כולל מערבל למינרי ומחולל טיפות. בנוסף, מודגם ייצור של מיקרוסקופ ראמאן משופר בפני השטח (SERS) NanoPADs. יצירה באתרו של מצע SERS מבוסס ננו-חלקיקי כסף מושגת על ידי החדרת שני ריאגנטים כימיים (AgNO3 ו- NaBH4) לתעלות, וכתוצאה מכך ביצועים יוצאי דופן עם גבולות גילוי נמוכים (LODs).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. תהליך מיקרו-הבלטה לתבניות מיקרו-ערוציות על ננו-נייר

  1. הכנת עובש
    הערה: עיין ב- Yuan et al.12 לקבלת פרטים על הכנת עובש.
    1. הכן סרט PTFE כפי שמצוין בטבלת החומרים.
    2. חתכו בלייזר את סרט ה-PTFE המוכן כדי ליצור תבנית מיקרו-ערוצית קמורה (איור 1A-I).
      הערה: הממדים של תבנית PTFE קובעים את ממדי המיקרו-ערוצים (איור 2E,F) בקשר פונקציות ליניארי מסדר ראשון.
  2. הכנת ננו-נייר
    1. יש לפזר 4.0 גרם של ג'ל NFC מחומצן (2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl)oxyl (TEMPO) (ראו טבלת חומרים) במים מזוקקים (ריכוז סופי של 0.1 wt%).
    2. ערבבו בכבדות את המתלה במהירות של 120.8 x גרם במשך 30 דקות בטמפרטורת החדר עד שלא נראה פלוק תאית.
    3. סנן ואקום את המתלה השקוף כדי לקבל ג'ל ננו-נייר (איור 1A-II).
      הערה: בדוגמה זו, הקוטר של ג'ל ננו-נייר המתקבל הוא 4 ס"מ. ניתן להתאים NanoPADs ליישומים שונים על ידי בחירת התקני סינון יניקה עם רדיוסים שונים, המאפשרים תכנון של NanoPADs בקני מידה שונים.
  3. הבלטה של ג'ל ננו-נייר
    1. הניחו את תבנית ה-PTFE על פני השטח של ג'ל הננו-נייר.
    2. הבליטו את ג'ל הננו-נייר (איור 1A-III) באמצעות תבנית PTFE בלחיצה חמה במשך 10 דקות בכל פעם תחת לחץ וטמפרטורה אופטימליים (איור 2A-D).
      הערה: לחץ הבלטה גבוה יותר (250 kPa עד 1000 kPa) משפר את דיוק הייצור אך לא יעלה על 1000 kPa כדי למנוע נזק למבנה התאית. טמפרטורות הבלטה גבוהות יותר (25-100 מעלות צלזיוס) משפרות את דיוק המיקרו-ערוצים על ידי קידום התייבשות ודה-קרבוריזציה, אך הטמפרטורות לא יעלו על 75 מעלות צלזיוס כדי למנוע קמטים בג'ל והעברת אור מופחתת7. בדוגמה זו, פרמטרי הבלטה אופטימליים היו 750 kPa ו- 75 ° C.
  4. שחרור עובש
    1. קלפו שכבה נוספת של ג'ל ננו-נייר מסנן מממברנת המסנן (איור 1A-IV).
  5. מליטה
    1. חברו את השכבה המקולפת על גבי השכבה המובלטת של ג'ל ננו-נייר, וערמו את שתי השכבות ליצירת מבנה מיקרו-ערוצי חלול (איור 1A-V).
      הערה: קשר המימן החזק יותר בננו-נייר "דמוי ג'ל" בהשוואה לתרחיף סיבים וננו-נייר מיובש משפר את השזירה וההיצמדות של סיבי ננוצלולוז. כתוצאה מכך, שתי שכבות של ננו-נייר "דמוי ג'ל" יכולות להיקשר בחוזקה באמצעות דיפוזיה עצמית ללא כוח חיצוני.
  6. ייבוש
    1. הניחו את שתי השכבות של ג'ל ננו-נייר בתנור ייבוש בטמפרטורה של 75°C למשך כ-30 דקות (איור 1A-VI).

2. בניית התקנים מיקרופלואידים בסיסיים

  1. בניית מערבל למינרי
    1. הכינו את ה-NanoPADs עם תעלות ישרות ומעוקלות (איור 3A) לאחר שלב 1.
      הערה: בדוגמה זו, מידות הערוצים הן רוחב של 1 מ"מ ועומק של 50 מיקרומטר.
    2. הוסיפו טיפות אדומות וכחולות לאזורי הכניסה בו-זמנית, ואפשרו זרימה אוטומטית דרך הערוץ החלול.
      הערה: ניתן לייחס את הזרימה העצמאית המוצלחת של התמיסות האדומות והכחולות בתעלה ישרה ואת הערבוב שלהן בקצה הערוץ המעוקל למספר ריינולדס הנמוך של השכבות בהתקנים מיקרופלואידים ולזרימה הרדיאלית הנגרמת על ידי לחץ גזירה35.
  2. בניית גנרטור טיפות
    1. הכינו את שני ה-NanoPADs עם ערוץ צומת T (איור 3D) בהתאם לשלב 1.
    2. הכניסו מים והקסדקאן (שמן), שני נוזלים בלתי ניתנים להפרעה, לתוך שני אזורי הכניסה של תעלת צומת T כדי ליצור טיפות (איור 3E).
      הערה: בדוגמה זו, הממדים של ערוץ צומת T הם רוחב 1 מ"מ, אורך 25 מ"מ ועומק 50 מיקרומטר.
    3. תקן את המהירות של Q 1 ב- 6 μL לדקה, ואת המהירות של Q2 ב- n × Q 1 (n =1-6). השתמש בשתי משאבות מזרק וקבע אותן במהירות הנ"ל כדי להזריק מים ושמן. אופן פעולה זה נשלט על-ידי משוואת קנה המידה הפשוטה האחת (המסופקת להלן).
      הערה: בדוגמה זו, שמן ומים צבעוניים נשפכו לתוך ערוץ36.
      Equation 1
      כאשר α = 1, β = 1, L הוא האורך, W הוא רוחב הטיפה, ו- Q1 ו- Q2 הם שיעורי הזרימה של מים והקסדקאן, בהתאמה37,38.

3. גידול AgNP באתרו

  1. הכנת NanoPADs
    1. הכינו NanoPADs בעלי שתי כניסות עם אזור זיהוי מתכנס (איור 4A) בהתאם לשלב 1.
  2. ספיחה עוקבת של שכבה יונית ותהליך תגובה
    1. הכינו תמיסת AgNO3 של 20 מ"מ ותמיסת NaBH4 של 20 מ"מ (ראו טבלת חומרים).
    2. שחרר 5 μL של תמיסת AgNO3 של 20 mM לאזור הכניסה השמאלי של ערוץ הזרימה.
    3. אפשר לתמיסת AgNO3 להישאר באזור התגובה למשך 30 שניות.
      הערה: חזור על שלבים 3.2.2. ו-3.2.3. חמש פעמים כדי להבטיח פיזור אחיד של AgNPs ללא אגרגציה, מה שיכול להסביר את עוצמת הפס הגבוהה יותר.
    4. יש לטפטף 5 מיקרוליטר מים מזוקקים לאזור הכניסה השמאלי של תעלת הזרימה לשטיפה.
      הערה: חזור על שלב 3.2.4. שלוש פעמים כדי להבטיח הסרה של יוני Ag עודפים ולא נספגים באמצעות שטיפה.
    5. הוסף 5 μL של 20 mM NaBH4 פתרון לאזור הכניסה הימני של ערוץ הזרימה.
      הערה: חזור על שלב 3.2.5. עד שה-AgNPs נוצרים באופן שווה באזור התגובה. התגובות הכימיות המעורבות בשלב 3 מיוצגות על ידי הנוסחההבאה 39:
      Equation 2

      בדוגמה זו נוצרו מערכי AgNP צפופים, אחידים ומובנים היטב על גבי ה-NanoPADs (איור 4B). הקוטר הממוצע של AgNPs היה 55 ננומטר (איור 4C).

4. מדידת SERS

  1. הכנת מערכת ספקטרוסקופיית ראמאן
    1. הפעל את הלייזר והפעל את התוכנה הנלווית לספקטרומטר ראמאן (ראה טבלת חומרים).
    2. השתמש במטרה של 50x למיקוד ואיסוף אותות ראמאן ולייזר של 532 ננומטר לעירור.
    3. הגדר את הרזולוציה הספקטרלית ל- 2 ס"מ-1 למדידה מדויקת. הגדר טווח מדידת ספקטרום ראמאן בין 400 ס"מ-1 ל-600 ס"מ−1.
    4. כיילו את ספקטרומטר הרמאן באמצעות פרוסת סיליקון12.
      הערה: בצע את שלב 4.1. עבור שלב 4.2.
  2. מדידת רודמין B (RhB)
    1. להמיס 4.7 מ"ג של RhB (ראה טבלה של חומרים) ב 10 מ"ל של אתנול כדי להכין 1 mM RhB פתרון.
    2. הכינו סדרה של תמיסות RhB בריכוזים הנעים בין 10 מיקרומטר ל -0.1 pM על ידי דילול תמיסת RhB 1 mM באתנול.
    3. הוסף 5 μL של תמיסת RhB לאזור הכניסה של תעלת NanoPADs ותן לה להתייבש.
      הערה: חזור על שלב 4.2.3. עבור תמיסות RhB בריכוזים שונים המצוינים בשלב 4.2.2.
    4. הגדר את זמן העירור ל- 10 שניות, את הסורג ל- 2 ס"מ−1, ואת מספר המחזורים ל- 1. הגדר טווח מדידת ספקטרום ראמאן בין 500 ס"מ-1 ל-1800 ס"מ−1.
    5. כוונן את בורג המיקוד הגס ואת בורג המיקוד העדין בנפרד כדי להשיג מיקוד נכון, ולאחר מכן לחץ על עצור כדי לשמור את המיקום.
    6. לחץ על התחל כדי להתחיל את המדידה.
    7. חזור על המדידות שבע פעמים ושמור את הנתונים שנאספו.
    8. כבה את הלייזר.
  3. ניתוח נתונים
    1. יבא את הנתונים השמורים לתוכנת ניתוח הנתונים (ראה טבלת חומרים).
    2. חשב את הספקטרום הממוצע מהנתונים שנשמרו.
    3. בחר באפשרות טיוטת הקו כדי להתוות ספקטרום ראמאן.
    4. השתמש בכלי Peak analyzer כדי להגדיר את קו הבסיס של הספקטרה.
    5. החל את תהליך האות - פונקציה חלקה כדי להחליק את הספקטרום לקבלת תוצאות סופיות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

שיטה ייחודית ליצירת תבניות מיקרו-ערוצים על גבי ננו-נייר פותחה תוך שימוש במיקרו-תבניות פלסטיק מעשיות באמצעות טכניקת מיקרו-הבלטה נוחה. יש לציין כי שיטה זו משיגה תבניות מיקרו-ערוציות בקנה מידה קטן כמו 200 מיקרומטר, המייצג שיפור של פי ארבעה בהשוואה לשיטות קיימות32,33,34. לאחר כוונון עדין של פרמטרי התבניות, ההנחיות שסופקו מציגות חזרתיות מצוינת בתהליך הייצור, המאופיין בסטיות תקן מינימליות. השונות הגבוהה ביותר שנצפתה ברוחב היא רק 2.5%, בעוד שעבור עומק, היא 9%. בנוסף, איור 2E,F נכלל כדי לשמש כמדריך לפיתוח יישומים.

כדי להדגים את היישומים המעשיים של SERS-NanoPADs שפותחו, רודאמין B (RhB), מזהם סביבתי נפוץ וכימיקל אורגני בעל רעילות נמוכה, נבחר כדוגמה. מולקולות RhB עורבבו ישירות עם אתנול. בדוגמה זו, 5 μL של התמיסה האנליטית מולאו באזור הכניסה של NanoPADs, ולאחר מכן נמדד אות הרמאן באזור התגובה. ספקטרום הרמאן של דגימות RhB בריכוזים שונים באתנול (בין 0.1 pM ל-10 μM) מוצג באיור 5A, כאשר אתנול טהור משמש כבקרה ריקה. רצועות RhB שקופות נצפות בספקטרום הנמדד, כולל מתיחה C-O-C (1280 ס"מ-1), מצב כיווץ טבעת קסנטן (1200 ס"מ-1), מתיחה C-N (1384 ס"מ-1), מתיחת C-C (1350 ס"מ-1), מתיחת C-H (1520 ס"מ-1) ומתיחה ארומטית C-C (1646 ס"מ-1)40,41. בשל הרגישות של עוצמת שיא של 1646 ס"מ-1 לריכוז RhB עם רעש רקע מינימלי, הוא נבחר כפרמטר קריאה42. חישוב גבול הגילוי (LOD) היה כרוך בקביעת ריכוז RhB המתאים לעוצמת הבקרה הריקה בתוספת פי שלושה מסטיית התקן של עוצמת הרמאן של הבקרה הריקה. חישוב זה הניב LOD של 0.019pM. איור 5B מציג את עקומת הכיול לזיהוי RhB.

Figure 1
איור 1: ייצוג סכמטי של תהליך המיקרו-הבלטה לתבניות מיקרו-ערוצים על ננו-נייר. (A) תהליך המיקרו-הבלטה כולל שישה שלבים: תכשירי עובש, סינון ננו-נייר, הבלטה, שחרור עובש, הדבקה וייבוש סופי. (B) מבט חתך של תהליך המיקרו-הבלטה. הדמות משוכפלת באישור יואן ואחרים. זכויות יוצרים 2023 האגודה האמריקאית לכימיה12. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: אופטימיזציה של הבלטות מיקרו-ערוציות. דיוק הייצור של רוחבים ועומקים מושפע מלחץ ההבלטה (A,B) ומטמפרטורת הייבוש (C,D), בהתאמה. דרישות תכנון עבור (E) רוחב ערוץ ו-(F) עומקים בהתקנים מיקרופלואידים ננו-נייר (n = 5). (היעד: הרוחב והעומק של המיקרו-ערוצים הצפויים; המתקבלים: הרוחב והעומקים של מיקרו-ערוצים שיוצרו; המתוכנן: הרוחב והעומקים של תבניות PTFE). הדמות משוכפלת באישור יואן ואחרים. זכויות יוצרים 2023 האגודה האמריקאית לכימיה12. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: יסודות ההתנהגות הנוזלית במיקרו-ערוץ ננו-נייר . (A) תצלומים של המערבל המיקרופלואידי הננו-נייר ושל התקן הזרימה הלמינרית. מוטות קנה מידה = 5 מ"מ. (B) פתילי זרימה במרחקים שונים לאורך הערוץ החלול. סרגל קנה מידה = 2 מ"מ. (C) ביצועים נימיים לאורך התעלה החלולה (n = 5). (D) המחשה סכמטית של הטיפות בתוך תעלת צומת T והמכשיר המובלט עם צינורות הכניסה. (E) מחולל טיפות הפועל בתדרים שונים. פסי קנה מידה = 5 מ"מ. (F) תלות ליניארית בקצבי הזרימה של Q1/Q2 ו- L/W (n = 5). הדמות משוכפלת באישור יואן ואחרים. זכויות יוצרים 2023 האגודה האמריקאית לכימיה12. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: חישת SERS רגישה של מולקולות קטנות ב-NanoPADs. (A) סכמה של צמיחת AgNP באזור הגילוי של NanoPADs. (B) צילום של NanoPADs לאחר גדילת AgNPs וסכמה של זיהוי מולקולות מבוססות SERS. סרגל קנה מידה = 1 ס"מ. (C) תמונת SEM של AgNPs שגדלו באתרם ב- NanoPADs מציגה מערך AgNPs צפוף ומאורגן. סרגל קנה מידה = 500 ננומטר; כניסה = 100 ננומטר. הדמות משוכפלת באישור יואן ואחרים. זכויות יוצרים 2023 האגודה האמריקאית לכימיה12. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: זיהוי מבוסס SERS של RhB. (A) ספקטרום ראמאן של RhB בריכוזים של 0.1 pM עד 10 μM. (B) כיול RhB ב-1646 סמ"ק-1 (n=5). הדמות משוכפלת באישור יואן ואחרים. זכויות יוצרים 2023 האגודה האמריקאית לכימיה12. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

המוקד העיקרי של מחקר זה הוא לפתח שיטה פשוטה לייצור מיקרו-ערוצים על ננו-נייר. טכניקת הבלטה יעילה פותחה תוך שימוש ב-PTFE כתבנית להתמודדות עם אתגר זה12. על ידי אופטימיזציה של הטמפרטורה ולחץ ההבלטה, נערכה סדרה של ניסויים כדי לבסס תהליך ייצור אמין עבור NanoPADs. בנוסף, הודגם שימוש בטבלת ייחוס מהיר להתאמת היישומים של NanoPADs בתחומים שונים. למרות ששיטה זו יעילה ויציבה, נתקלו בכמה אתגרים. בתחילה, מתכות שימשו כתבניות בשל חלקותן, אך התעוררו קשיים בהסרתן מג'ל ננו-נייר דביק. בסופו של דבר, PTFE נבחר בשל תכונות הנון-סטיק שלו וקלות התפעול בתהליך ההבלטה. אתגר נוסף שנדון היה ייצור ערוצים חלולים. קשרי המימן החזקים בננו-נייר8 "דמויי ג'ל" אפשרו דיפוזיה עצמית והיצמדות של שתי שכבות, וכתוצאה מכך נוצר קשר קומפקטי ללא כוחות חיצוניים.

בעוד שהשיטה שפותחה היא פשוטה, חוסכת זמן וממזערת את הזיהום בעת ייצור מיקרו-ערוצים נטולי משאבה על ננו-נייר, עדיין קיימות מגבלות. הדיוק של חיתוך לייזר מגביל את רוחב תבניות PTFE ל -200 מיקרומטר, וכתוצאה מכך מגביל את הדיוק בר ההשגה של microchannel ל 200 מיקרומטר. כדי להתגבר על מגבלה זו, מתוכננת בעתיד הטמעת מדפסת ננו לתבניות הדפסה תלת-ממדיות, תוך מינוף יכולתה להגיע לדיוק של 50 מיקרומטר. תחום נוסף הדורש שיפור נוסף הוא ייצור מיקרו-ערוצים תלת-ממדיים. בעוד שמיקרו-ערוצים תלת-ממדיים33,34 מצאו שימוש נרחב בזיהוי ביו-רפואי, כימי וחשמלי באמצעות חומרים כמו PDMS והתקנים רגילים מבוססי נייר, ייצור מיקרו-ערוצים תלת-ממדיים על ננו-נייר הוא עדיין תחום מתפתח. פתרון אתגר זה יתרום באופן משמעותי לקידום NanoPADs.

מחקר זה התמקד בשימוש במולקולות ככתבי ראמאן לזיהוי SERS. טכנולוגיית SERS42 מציעה יתרונות רבים, כולל שימוש מינימלי בריאגנטים, סלקטיביות גבוהה, הכנת דגימה פשוטה ויציבות מעולה, מה שהופך אותה לשיטה חיונית לזיהוי ביוכימי. ל- NanoPADs המתוכננים יש יישומים פוטנציאליים בבדיקות חיסוניות של SERS. יתר על כן, יש עניין גובר בפלזמונים SERS סלקטיביים ומותאמים. בחינת שיטות ליצירת פלסמונים אלה על גבי NanoPADs לזיהוי SERS סלקטיבי מהווה אפיק מרגש לפיתוח עתידי בתחום הננו-נייר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

המחברים מודים על התמיכה הכספית מהתוכניות של הקרן למדעי הטבע של ג'יאנגסו להשכלה גבוהה (22KJB460033), ותוכנית המדע והטכנולוגיה של ג'יאנגסו - חוקר צעיר (BK20200251). עבודה זו נתמכת חלקית גם על ידי מרכז המחקר של אוניברסיטת XJTLU AI, מרכז המחקר ההנדסי של מחוז ג'יאנגסו למדעי הנתונים והחישוב הקוגניטיבי ב- XJTLU ופלטפורמת החדשנות SIP AI (YZCXPT2022103). התמיכה של מעבדת המפתח הממלכתית להנדסת מערכות ייצור באמצעות הפרויקט הפתוח (SKLMS2023019) ומעבדת המפתח להנדסה ביונית, משרד החינוך, מוכרת גם היא.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Nogi, M., Iwamoto, S., Nakagaito, A. N., Yano, H. Optically transparent nanofiber paper. Advanced Materials. 21 (16), 1595-1598 (2009).
  3. Li, X., et al. Three-dimensional sulfated bacterial cellulose/gelatin composite scaffolds for culturing hepatocytes. Cyborg and Bionic Systems. 4, 0021 (2023).
  4. Barhoum, A., Samyn, P., Öhlund, T., Dufresne, A. Review of recent research on flexible multifunctional nanopapers. Nanoscale. 9 (40), 15181-15205 (2017).
  5. Dufresne, A. Nanocellulose: a new ageless bionanomaterial. Materials Today. 16 (6), 220-227 (2013).
  6. Martin-Martinez, F. J. Designing nanocellulose materials from the molecular scale. Proceedings of the National Academy of Sciences. 115 (28), 7174-7175 (2018).
  7. 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).
  8. Fang, Z., et al. Novel nanostructured paper with ultrahigh transparency and ultrahigh haze for solar cells. Nano Letters. 14 (2), 765-773 (2014).
  9. Zheng, G., et al. Nanostructured paper for flexible energy and electronic devices. MRS Bulletin. 38 (4), 320-325 (2013).
  10. 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).
  11. Koga, H., et al. Transparent, conductive, and printable composites consisting of tempo-oxidized nanocellulose and carbon nanotube. Biomacromolecules. 14 (4), 1160-1165 (2013).
  12. Yuan, W., et al. Facile microembossing process for microchannel fabrication for nanocellulose-paper-based microfluidics. ACS Applied Materials & Interfaces. 15 (5), 6420-6430 (2023).
  13. Rolland, J. P., Mourey, D. A. Paper as a novel material platform for devices. MRS Bulletin. 38 (4), 299-305 (2013).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Chin, C. D., et al. Microfluidics-based diagnostics of infectious diseases in the developing world. Nature Medicine. 17 (8), 1015-1019 (2011).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Nie, Z., et al. Electrochemical sensing in paper-based microfluidic devices. Lab on a Chip. 10 (4), 477-483 (2010).
  22. 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).
  23. Murdock, R. C., et al. Optimization of a paper-based ELISA for a human performance biomarker). Analytical Chemistry. 85 (23), 11634-11642 (2013).
  24. Cheng, C. M., et al. Paper-based ELISA. Angewandte Chemie. 122 (28), 4881-4884 (2010).
  25. 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).
  26. Tenda, K., et al. Paper-based antibody detection devices using bioluminescent bret-switching sensor proteins. Angewandte Chemie International Edition. 57 (47), 15369-15373 (2018).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Yuan, H., et al. Microfluidic-assisted Caenorhabditis elegans sorting: current status and future prospects. Cyborg and Bionic Systems. 4, 0011 (2023).
  31. Kim, H., et al. Origami-paper-based device for microvesicle/exosome preconcentration and isolation. Lab on a Chip. 19 (23), 3917-3921 (2019).
  32. 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).
  33. Shin, S., Hyun, J. Matrix-assisted three-dimensional printing of cellulose nanofibers for paper microfluidics. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (31), 26438-26446 (2017).
  34. 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).
  35. Paul, R., et al. Shear stress related blood damage in laminar couette flow. Artificial Organs. 27 (6), 517-529 (2003).
  36. 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).
  37. 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).
  38. Nisisako, T., Torii, T., Higuchi, T. Droplet formation in a microchannel network. Lab on a Chip. 2 (1), 24-26 (2002).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).

Tags

מיקרו הבלטה מיקרופלואידיקה מבוססת נייר ננוצלולוז ננו-נייר מיקרו-ערוצים תהליך ייצור הדפסה תלת-ממדית ציפוי ריסוס חיתוך והרכבה ידניים מיקרו-תבניות פלסטיק רגישות לזיהום תעלות בגודל מילימטרי רוחב מינימלי שיפור פרמטרי ייצור טבלת ייחוס מהיר מערבל למינרי מחולל טיפות ננו-פדים רודם
מיקרו-הבלטה: תהליך נוח לייצור מיקרו-ערוצים על מיקרופלואידיקה מבוססת נייר ננוצלולוז
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Yuan, W., Yuan, H., Duan, S., Yong,… More

Yuan, W., Yuan, H., Duan, S., Yong, R., Zhu, J., Lim, E. G., Mitrovic, I., Song, P. Microembossing: A Convenient Process for Fabricating Microchannels on Nanocellulose Paper-Based Microfluidics. J. Vis. Exp. (200), e65965, doi:10.3791/65965 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter