Waiting
Login processing...

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

Engineering

Mikropreging: En praktisk prosess for fremstilling av mikrokanaler på nanocellulosepapirbasert mikrofluidikk

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

Denne protokollen beskriver en enkel prosess som benytter praktiske plastmikroformer for enkle mikropregingsoperasjoner for å fremstille mikrokanaler på nanofibrillert cellulosepapir, og oppnå en minimumsbredde på 200 μm.

Abstract

Nanopaper, avledet fra nanofibrillert cellulose, har generert stor interesse som et lovende materiale for mikrofluidiske applikasjoner. Dens appell ligger i en rekke gode kvaliteter, inkludert en eksepsjonelt glatt overflate, enestående optisk gjennomsiktighet, en jevn nanofibermatrise med nanoskala porøsitet og tilpassbare kjemiske egenskaper. Til tross for den raske veksten av nanopapirbasert mikrofluidikk, har de nåværende teknikkene som brukes til å lage mikrokanaler på nanopapir, for eksempel 3D-utskrift, spraybelegg eller manuell skjæring og montering, som er avgjørende for praktiske anvendelser, fortsatt visse begrensninger, spesielt følsomhet for forurensning. Videre er disse metodene begrenset til produksjon av millimeterstore kanaler. Denne studien introduserer en enkel prosess som bruker praktiske plastmikroformer for enkle mikropregingsoperasjoner for å fremstille mikrokanaler på nanopapir, og oppnå en minimumsbredde på 200 μm. Den utviklede mikrokanalen overgår eksisterende tilnærminger, oppnår en firefoldig forbedring, og kan fremstilles innen 45 minutter. Videre har fabrikasjonsparametere blitt optimalisert, og en praktisk hurtigreferansetabell er gitt for applikasjonsutviklere. Proof-of-concept for en laminær mikser, dråpegenerator og funksjonelle nanopapirbaserte analytiske enheter (NanoPADs) designet for Rhodamine B-sensing ved bruk av overflateforbedret Raman-spektroskopi ble demonstrert. Spesielt viste NanoPAD-ene eksepsjonell ytelse med forbedrede deteksjonsgrenser. Disse fremragende resultatene kan tilskrives de overlegne optiske egenskapene til nanopapir og den nylig utviklede nøyaktige mikropregingsmetoden, noe som muliggjør integrering og finjustering av NanoPADene.

Introduction

Nylig har nanofibrillert cellulose (NFC) papir (nanopapir) dukket opp som et svært lovende substratmateriale for ulike applikasjoner som fleksibel elektronikk, energienheter og biomedisiner 1,2,3,4. Avledet fra naturlige planter, er nanopapir kostnadseffektivt, biokompatibelt og biologisk nedbrytbart, noe som gjør det til et tiltalende alternativ til tradisjonelt cellulosepapir 5,6. Dens eksepsjonelle egenskaper inkluderer en ultraglatt overflate med en overflateruhet på mindre enn 25 nm og en tett cellulosematrisestruktur, noe som gjør det mulig å skape svært strukturerte nanostrukturer7. Rikelig hydroksylgrupper av nanopapir bidrar til den kompakte og tettpakkede nanocellulosestrukturen8. Nanopaper utviser utmerket optisk gjennomsiktighet og minimal optisk tåke, noe som gjør den godt egnet for optiske sensorer. I tillegg muliggjør dens iboende hydrofilitet pumpefri strømning, selv med sin tykke struktur, noe som gir autonom væskebevegelse 9,10. Nanocellulose har ulike applikasjoner i biologiske sensorer, ledende elektroniske enheter, cellekulturplattformer, superkondensatorer, batterier og mer, og viser sin allsidighet og potensial11,12. Spesielt er nanocellulose lovende for papirbaserte analytiske mikrofluidiske enheter (μPAD), og gir unike fordeler i forhold til konvensjonelt kromatografipapir.

I løpet av det siste tiåret har μPAD-er oppnådd betydelig oppmerksomhet på grunn av overkommelig pris, biokompatibilitet, pumpefri drift og enkel produksjon13,14. Disse enhetene har dukket opp som effektive pasientnære diagnostiske verktøy, spesielt i ressursbegrensede innstillinger15,16,17. Et betydelig fremskritt på dette feltet var utviklingen av vokstrykk, banebrytende av George Whitesides18 og Bingcheng Lin-gruppen19, som muliggjorde opprettelsen av funksjonelle μPAD-er ved å inkorporere mikrokanaler på kromatografipapir. Deretter utviklet μPADs seg raskt, og forskjellige biosensingsteknikker, inkludert elektrokjemiske metoder 20, kjemiluminescens 21 og enzymbundet immunosorbentanalyse (ELISA) 22,23,24, ble vellykket implementert for påvisning av forskjellige biomarkører som proteiner 25,26, DNA 27,28, RNA 29,30 og eksosomer31. Til tross for disse prestasjonene står μPAD-er fortsatt overfor utfordringer, inkludert langsomme strømningshastigheter og løsemiddelfordampning.

Det er foreslått flere metoder for å lage mikrokanaler på nanopapir32,33,34. En tilnærming innebærer 3D-utskrift av offeringredienser i materialet, men det krever et hydrofobt belegg som begrenser pumpefri drift33. En annen teknikk innebærer manuell stabling av kanallag mellom nanopapirark ved hjelp av lim, som er arbeidskrevende32. Alternativt kan spraybelegg av nanocellulosefibre på forhåndsmønstrede former skape mikrokanaler, men det innebærer tidkrevende og kostbar formforberedelse34. Spesielt er disse metodene begrenset til mikrokanaler i millimeterskala, noe som kompromitterer fordelene med mikrofluidiske enheter angående reagensvolumforbruk og integrasjon. Å utvikle en enkel nanopapir mikrokanal mønsterprosess med mikrometer-skala oppløsning er fortsatt en utfordring.

Denne studien presenterer en unik nanopaper mikrokanal mønstermetode basert på praktisk mikropreging. Tilnærmingen gir flere fordeler i forhold til eksisterende metoder, da den ikke krever dyrt eller spesialisert utstyr, er enkel, kostnadseffektiv og svært nøyaktig. En konveks mikrokanalform fremstilles ved laserskjæring av en polytetrafluoretylen (PTFE) film, kjent for sin kjemiske inertitet og nonstick-egenskaper. Denne formen brukes deretter til å prege mikrokanaler på en nanopapirgelmembran. Et andre lag med nanopapirgel påføres på toppen for å lage lukkede hule kanaler. Ved hjelp av denne mønsterteknikken utvikles grunnleggende mikrofluidiske enheter på nanopapir, inkludert en laminær mikser og dråpegenerator. I tillegg er fabrikasjon av overflateforsterket Raman-mikroskopi (SERS) NanoPADs demonstrert. In-situ opprettelse av et sølvnanopartikkelbasert SERS-substrat oppnås ved å introdusere to kjemiske reagenser (AgNO3 og NaBH4) i kanalene, noe som resulterer i en bemerkelsesverdig ytelse med lave deteksjonsgrenser (LOD).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Mikropregingsprosess for mikrokanalmønster på nanopapir

  1. Mugg forberedelse
    MERK: Se Yuan et al.12 for detaljer om formforberedelse.
    1. Forbered en PTFE-film som angitt i materialfortegnelsen.
    2. Laserkutt den tilberedte PTFE-filmen for å lage en konveks mikrokanalform (figur 1A-I).
      MERK: Dimensjonene til PTFE-formen bestemmer mikrokanaldimensjonene (figur 2E, F) i et lineært førsteordens funksjonsforhold.
  2. Forberedelse av nanopapir
    1. Bland 4,0 g (2,2,6,6-tetrametylpiperidin-1-yl)oksyl (TEMPO)-oksidert NFC-gel (se materialtabell) i destillert vann (endelig konsentrasjon på 0,1 vekt%).
    2. Rør suspensjonen kraftig ved 120,8 x g i 30 minutter ved romtemperatur til ingen celluloseflokk er synlig.
    3. Vakuumfiltrer den klare suspensjonen for å oppnå en nanopapirgel (figur 1A-II).
      MERK: I dette eksemplet er diameteren av den oppnådde nanopapirgelen 4 cm. NanoPAD-er kan skreddersys for ulike applikasjoner ved å velge sugefiltreringsenheter med forskjellige radier, noe som muliggjør utforming av NanoPAD-er i forskjellige skalaer.
  3. Preging av nanopapirgel
    1. Plasser PTFE-formen på overflaten av nanopapirgelen.
    2. Preg nanopapirgelen (figur 1A-III) ved hjelp av PTFE-formen ved varmpressen i 10 minutter hver gang under optimalisert trykk og temperatur (figur 2A-D).
      MERK: Høyere pregetrykk (250 kPa til 1000 kPa) forbedrer fabrikasjonsnøyaktigheten, men bør ikke overstige 1000 kPa for å forhindre skade på cellulosestrukturen. Høyere pregetemperaturer (25-100 °C) forbedrer mikrokanalens nøyaktighet ved å fremme dehydrering og decarburisering, men temperaturen bør ikke overstige 75 °C for å unngå gelrynker og redusert lystransmisjon7. I dette eksemplet var optimaliserte pregeparametere 750 kPa og 75 °C.
  4. Mugg frigjør
    1. Fjern et ekstra lag med filternanopapirgel fra filtermembranen (figur 1A-IV).
  5. Bonding
    1. Fest det skrellede laget på toppen av det pregede laget av nanopapirgel, stabling av de to lagene for å skape en hul mikrokanalstruktur (figur 1A-V).
      MERK: Den sterkere hydrogenbindingen i "gellignende" nanopapir sammenlignet med fibersuspensjon og tørket nanopapir forbedrer sammenfiltring og vedheft av nanocellulosefibre. Følgelig kan to lag med "gellignende" nanopapir binde seg tett gjennom selvdiffusjon uten ekstern kraft.
  6. Tørking
    1. Plasser de to lagene med nanopapirgel i en tørkeovn ved 75 °C i ca. 30 minutter (figur 1A-VI).

2. Konstruksjon av grunnleggende mikrofluidiske enheter

  1. Bygging av laminær-blander
    1. Forbered NanoPAD-ene med rette og buede kanaler (figur 3A) etter trinn 1.
      MERK: I dette eksemplet er dimensjonene til kanalene 1 mm bredde og 50 μm dybde.
    2. Legg til røde og blå dråper i innløpssonene samtidig, slik at strømmen automatisk kan strømme gjennom den hule kanalen.
      MERK: Den vellykkede uavhengige strømmen av de røde og blå løsningene i en rett kanal og deres blanding på slutten av den buede kanalen kan tilskrives det lave Reynolds-tallet til lagene i mikrofluidiske enheter og den radiale strømmen indusert av skjærspenning35.
  2. Bygging av dråpegenerator
    1. Forbered NanoPAD-ene med to innløp med en T-krysskanal (figur 3D) i henhold til trinn 1.
    2. Innfør vann og heksadekan (olje), to ikke-blandbare væsker, inn i de to innløpssonene i T-krysskanalen for å generere dråper (figur 3E).
      MERK: I dette eksemplet er dimensjonene til T-krysskanalen 1 mm bredde, 25 mm lengde og 50 μm dybde.
    3. Fiks hastigheten på Q 1 ved 6 μL / min, og hastigheten på Q2 ved n × Q 1 (n =1-6). Bruk to sprøytepumper og sett dem på over hastighet for å injisere vann og olje. Denne virkemåten styres av den enkle skaleringsligningen (angitt nedenfor).
      MERK: I dette eksemplet ble olje og farget vann helt i kanalen36.
      Equation 1
      Hvor α = 1, β = 1, L er lengden, W er dråpens bredde, og Q1 og Q2 er strømningshastighetene for vann og heksadekan, henholdsvis37,38.

3. In-situ AgNP-vekst

  1. NanoPADs forberedelse
    1. Forbered to-innløps NanoPAD-er med en konvergerende deteksjonssone (figur 4A) i henhold til trinn 1.
  2. Suksessiv ionisk lagadsorpsjon og reaksjonsprosess
    1. Forbered en 20 mM AgNO3-løsning og en 20 mM NaBH4-løsning (se materialtabell).
    2. Slipp 5 μL av 20 mM AgNO3-løsningen i venstre innløpssone i strømningskanalen.
    3. La AgNO3-løsningen forbli i reaksjonssonen i 30 sekunder.
      MERK: Gjenta trinn 3.2.2. og 3.2.3. fem ganger for å sikre jevn fordeling av AgNPs uten agglomerering, noe som kan forklare den høyere båndintensiteten.
    4. Slipp 5 μL destillert vann inn i venstre innløpssone i strømningskanalen for skylling.
      MERK: Gjenta trinn 3.2.4. tre ganger for å sikre fjerning av overdreven, ikke-adsorberte Ag-ioner gjennom vask.
    5. Tilsett 5 μL av 20 mM NaBH4-løsningen til høyre innløpssone i strømningskanalen.
      MERK: Gjenta trinn 3.2.5. til AgNPs genereres jevnt i reaksjonssonen. De kjemiske reaksjonene involvert i trinn 3 er representert med følgende formel39:
      Equation 2

      I dette eksemplet ble tette, ensartede, velstrukturerte AgNP-arrays dannet på NanoPADs (figur 4B). Den gjennomsnittlige diameteren til AgNPs var 55 nm (figur 4C).

4. SERS-måling

  1. Raman spektroskopi system forberedelse
    1. Slå på laseren og start den medfølgende programvaren for Raman-spektrometeret (se materialfortegnelse).
    2. Bruk et 50x mål for å fokusere og samle Raman-signaler og en 532 nm laser for eksitasjon.
    3. Sett spektraloppløsningen til 2 cm-1 for nøyaktig måling. Sett Raman-spektrum måleområde fra 400 cm-1 til 600 cm-1.
    4. Kalibrer Raman-spektrometeret med en silisiumskive12.
      MERK: Utfør trinn 4.1. for trinn 4.2.
  2. Rhodamine B (RhB) måling
    1. Løs opp 4,7 mg RhB (se materialfortegnelse) i 10 ml etanol for å fremstille en 1 mM RhB-løsning.
    2. Forbered en serie RhB-løsninger med konsentrasjoner fra 10 μM til 0,1 pM ved å fortynne 1 mM RhB-oppløsningen i etanolen.
    3. Tilsett 5 μL av RhB-løsningen på innløpssonen til NanoPAD-kanalen og la den tørke.
      MERK: Gjenta trinn 4.2.3. for RhB-oppløsninger med forskjellige konsentrasjoner angitt i trinn 4.2.2.
    4. Sett eksitasjonstiden til 10 s, risten til 2 cm-1 og antall sykluser til 1. Sett Raman-spektrum måleområde fra 500 cm-1 til 1800 cm-1.
    5. Juster grovfokusskruen og finfokusskruen individuelt for å oppnå riktig fokus, og klikk deretter på stopp for å lagre posisjonen.
    6. Klikk på start for å starte målingen.
    7. Gjenta målingene syv ganger og lagre de innsamlede dataene.
    8. Slå av laseren.
  3. Analyse av data
    1. Importer de lagrede dataene til dataanalyseprogrammet (se Materialfortegnelse).
    2. Beregn gjennomsnittlig spektrum fra lagrede data.
    3. Velg linjeutkastalternativet for å tegne Raman-spektra.
    4. Bruk toppanalysatorverktøyet til å angi grunnlinjen for spektrene.
    5. Bruk signalprosessen - Glatt funksjon for å glatte spektrene for endelige resultater.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En unik metode for å lage mikrokanalmønstre på nanopapir har blitt utviklet ved hjelp av de praktiske plastmikroformene gjennom den praktiske mikropregingsteknikken. Spesielt oppnår denne metoden mikrokanalmønster i en skala så liten som 200 μm, noe som representerer en firedobling sammenlignet med eksisterende metoder32,33,34. Etter finjustering av mønsterparametrene viser de angitte retningslinjene utmerket repeterbarhet i fabrikasjonsprosessen, preget av minimale standardavvik. Den høyeste observerte variasjonen i bredde er bare 2,5%, mens den for dybde er 9%. I tillegg er figur 2E, F inkludert for å tjene som en veiledning for applikasjonsutvikling.

For å demonstrere de praktiske anvendelsene av de utviklede SERS-NanoPADene, ble Rhodamine B (RhB), et vanlig miljøforurensende stoff og organisk kjemisk med lav toksisitet, valgt som et eksempel. RhB-molekyler ble direkte blandet med etanol. I dette eksemplet ble 5 μL av analytoppløsningen fylt inn i innløpssonen til NanoPADs, og Raman-signalet i reaksjonssonen ble deretter målt. Raman-spektrene av RhB-prøver ved forskjellige konsentrasjoner i etanol (fra 0,1 pM til 10 μM) er vist i figur 5A, med ren etanol brukt som blank kontroll. Klare RhB-bånd observeres i de målte spektrene, inkludert C-O-C stretching (1280 cm-1), xanthene ring puckering mode (1200 cm-1), C-N stretching (1384 cm-1), C-C stretching (1350 cm-1), C-H stretching (1520 cm-1) og aromatisk C-C stretching (1646 cm-1) 40,41. På grunn av følsomheten til 1646 cm-1 toppintensitet for RhB-konsentrasjon med minimal bakgrunnsstøy, ble den valgt som leseparameter42. Beregningen av deteksjonsgrensen (LOD) innebar å bestemme RhB-konsentrasjonen som tilsvarer intensiteten til den tomme kontrollen pluss tre ganger standardavviket til Raman-intensiteten til den tomme kontrollen. Denne beregningen ga en LOD på 0,019 pm. Figur 5B viser kalibreringskurven for RhB-deteksjon.

Figure 1
Figur 1: Skjematisk fremstilling av mikropregingsprosessen for mønster av mikrokanaler på nanopapir. (A) Mikropregingsprosessen består av seks trinn: formpreparater, nanopapirfiltrering, preging, muggfrigjøring, liming og endelig tørking. (B) Tverrsnittsvisning av mikropregingsprosessen. Figuren er gjengitt med tillatelse fra Yuan et al. Copyright 2023 American Chemical Society12. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Optimalisering av preging av mikrokanaler. Fabrikasjonsnøyaktigheten av bredder og dybder påvirkes av henholdsvis (A,B) pregetrykk og (C,D) tørketemperatur. Designkrav for (E) kanalbredder og (F) dybder i nanopapir mikrofluidiske enheter (n = 5). (Den målrettede: bredder og dybder av mikrokanal forventet; den oppnådd: bredder og dybder av mikrokanaler fabrikkert; den designede: bredder og dybder av PTFE former). Figuren er gjengitt med tillatelse fra Yuan et al. Copyright 2023 American Chemical Society12. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Grunnleggende fluidisk oppførsel i nanopaper mikrokanal . (A) Fotografier av nanopapir mikrofluidisk mikser og laminær strømningsanordning. Vektstenger = 5 mm. (B) Strømningstransporterende på forskjellige avstander langs den hule kanalen. Skalastang = 2 mm. (C) Kapillær ytelse langs den hule kanalen (n = 5). (D) Skjematisk illustrasjon av dråpene inne i T-krysskanalen og den pregede enheten med innløpsrørene. (E) Dråpegenerator som arbeider ved forskjellige frekvenser. Skalastenger = 5 mm. (F) Lineær avhengighet av strømningshastighetene til Q1/Q2 og L/W (n = 5). Figuren er gjengitt med tillatelse fra Yuan et al. Copyright 2023 American Chemical Society12. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Sensitiv SERS-sensing av små molekyler på NanoPADs. (A) Skjematisk av AgNP-vekst på deteksjonssonen til NanoPADs. (B) Fotografi av NanoPADs etter AgNPs vekst og skjematisk av SERS-basert molekyldeteksjon. Skala bar = 1 cm. (C) SEM bilde av in-situ vokst AgNPs på NanoPADs viser en tett og organisert AgNPs array. Skala bar = 500 nm; innfelt = 100 nm. Figuren er gjengitt med tillatelse fra Yuan et al. Copyright 2023 American Chemical Society12. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: SERS-basert påvisning av RhB. (A) Raman-spektra av RhB ved konsentrasjoner på 0,1 pM til 10 μM. (B) Kalibrering av RhB ved 1646 cm-1 (n=5). Figuren er gjengitt med tillatelse fra Yuan et al. Copyright 2023 American Chemical Society12. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Hovedfokuset i denne studien er å utvikle en enkel metode for å fremstille mikrokanaler på nanopapir. En effektiv pregeteknikk ble utviklet ved hjelp av PTFE som form for å møte denne utfordringen12. Ved å optimalisere temperaturen og pregetrykket, ble det utført en rekke eksperimenter for å etablere en pålitelig fabrikasjonsprosess for NanoPADs. I tillegg ble det demonstrert bruk av en hurtigreferansetabell for å justere applikasjonene til NanoPAD-er i forskjellige felt. Selv om denne metoden er effektiv og stabil, møtte man noen utfordringer. I utgangspunktet ble metaller brukt som muggsopp på grunn av deres glatthet, men det oppsto vanskeligheter med å fjerne dem fra den klebende nanopapirgelen. Til slutt ble PTFE valgt for sine nonstick-egenskaper og brukervennlighet i pregeprosessen. En annen utfordring som ble tatt opp var fabrikasjon av hule kanaler. De sterke hydrogenbindingene i "gellignende" nanopapir8 tillot selvdiffusjon og vedheft av to lag, noe som resulterte i kompakt binding uten ytre krefter.

Selv om den utviklede metoden er enkel, tidsbesparende og minimerer forurensning ved fremstilling av pumpefrie mikrokanaler på nanopapir, er det fortsatt begrensninger. Presisjonen av laserskjæring begrenser bredden på PTFE-former til 200 μm, og begrenser dermed den oppnåelige presisjonen til mikrokanalene til 200 μm. For å overvinne denne begrensningen er det planlagt å implementere en nanoskriver for 3D-utskriftsformer i fremtidige bestrebelser, og utnytte kapasiteten til å oppnå en presisjon på 50 μm. Et annet område som krever ytterligere forbedring er fabrikasjon av 3D-mikrokanaler. Mens 3D-mikrokanaler 33,34 har funnet omfattende bruk i biomedisinsk, kjemisk og elektrisk deteksjon ved bruk av materialer som PDMS og vanlige papirbaserte enheter, er fabrikasjon av3D-mikrokanaler på nanopapir fortsatt et voksende felt. Å løse denne utfordringen vil bidra betydelig til utviklingen av NanoPADs.

Denne studien fokuserte på å bruke molekyler som Raman-reportere for SERS-deteksjon. SERS-teknologi42 gir mange fordeler, inkludert minimal reagensbruk, høy selektivitet, enkel prøvepreparering og utmerket stabilitet, noe som gjør den til en avgjørende metode for biokjemisk deteksjon. De designede NanoPAD-ene har potensielle anvendelser i SERS-immunoassays. Videre er det økende interesse for selektive og skreddersydde SERS-plasmoner. Å utforske metoder for å generere disse plasmonene på NanoPADs for selektiv SERS-deteksjon representerer en spennende vei for fremtidig utvikling innen nanopapir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Forfatterne anerkjenner den økonomiske støtten fra programmene til Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education (22KJB460033), og Jiangsu Science and Technology Programme - Young Scholar (BK20200251). Dette arbeidet støttes også delvis av XJTLU AI University Research Center, Jiangsu Province Engineering Research Centre of Data Science and Cognitive Computation ved XJTLU og SIP AI innovasjonsplattform (YZCXPT2022103). Støtten fra State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering via det åpne prosjektet (SKLMS2023019) og Key Laboratory of Bionic Engineering, Ministry of Education, er også anerkjent.

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

Mikropreging nanocellulosepapirbasert mikrofluidikk nanopapir mikrokanaler fabrikasjonsprosess 3D-utskrift spraybelegg manuell skjæring og montering plastmikroformer forurensningsfølsomhet kanaler i millimeterstørrelse minimumsbredde forbedring fabrikasjonsparametere hurtigreferansetabell laminær mikser dråpegenerator nanoPADs rhodam
Mikropreging: En praktisk prosess for fremstilling av mikrokanaler på nanocellulosepapirbasert mikrofluidikk
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