Waiting
Login processing...

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

Engineering

Microembossing: een handig proces voor het vervaardigen van microkanalen op microfluïdica op basis van nanocellulosepapier

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

Dit protocol beschrijft een eenvoudig proces waarbij gebruik wordt gemaakt van handige plastic micromallen voor eenvoudige micro-embossingbewerkingen om microkanalen te fabriceren op nanogefibrilleerd cellulosepapier, waarbij een minimale breedte van 200 μm wordt bereikt.

Abstract

Nanopapier, afgeleid van nanogefibrilleerde cellulose, heeft veel belangstelling gewekt als veelbelovend materiaal voor microfluïdische toepassingen. De aantrekkingskracht ligt in een reeks uitstekende eigenschappen, waaronder een uitzonderlijk glad oppervlak, uitstekende optische transparantie, een uniforme nanovezelmatrix met porositeit op nanoschaal en aanpasbare chemische eigenschappen. Ondanks de snelle groei van microfluïdica op basis van nanopapier, hebben de huidige technieken die worden gebruikt om microkanalen op nanopapier te creëren, zoals 3D-printen, spuitcoating of handmatig snijden en assembleren, die cruciaal zijn voor praktische toepassingen, nog steeds bepaalde beperkingen, met name de gevoeligheid voor verontreiniging. Bovendien zijn deze methoden beperkt tot de productie van millimetergrote kanalen. Deze studie introduceert een eenvoudig proces dat gebruik maakt van handige plastic micromallen voor eenvoudige micro-embossing-bewerkingen om microkanalen op nanopapier te fabriceren, waarbij een minimale breedte van 200 μm wordt bereikt. Het ontwikkelde microkanaal presteert beter dan bestaande benaderingen, bereikt een viervoudige verbetering en kan binnen 45 minuten worden gefabriceerd. Bovendien zijn de fabricageparameters geoptimaliseerd en is er een handige snelreferentietabel beschikbaar voor applicatieontwikkelaars. Het proof-of-concept voor een laminaire mixer, druppelgenerator, en functionele nanopaper-gebaseerde analytische apparaten (NanoPADs) ontworpen voor Rhodamine B-detectie met behulp van oppervlakte-verbeterde Raman-spectroscopie werd gedemonstreerd. Met name de NanoPAD's vertoonden uitzonderlijke prestaties met verbeterde detectielimieten. Deze uitstekende resultaten kunnen worden toegeschreven aan de superieure optische eigenschappen van nanopapier en de recent ontwikkelde nauwkeurige micro-reliëfmethode, die de integratie en fijnafstemming van de NanoPADs mogelijk maakt.

Introduction

Onlangs is nanofibrilleercellulose (NFC) papier (nanopaper) naar voren gekomen als een veelbelovend substraatmateriaal voor verschillende toepassingen, zoals flexibele elektronica, energieapparaten en biomedische middelen 1,2,3,4. Nanopapier is afgeleid van natuurlijke planten en is kosteneffectief, biocompatibel en biologisch afbreekbaar, waardoor het een aantrekkelijk alternatief is voor traditioneel cellulosepapier 5,6. De uitzonderlijke eigenschappen zijn onder meer een ultraglad oppervlak met een oppervlakteruwheid van minder dan 25 nm en een dichte cellulosematrixstructuur, waardoor sterk gestructureerde nanostructuren kunnen worden gecreëerd7. Overvloedige hydroxylgroepen van nanopapier dragen bij aan de compacte en dicht opeengepakte nanocellulosestructuur8. Nanopapier vertoont een uitstekende optische transparantie en minimale optische waas, waardoor het zeer geschikt is voor optische sensoren. Bovendien zorgt de inherente hydrofiliciteit voor een pompvrije stroming, zelfs met zijn dikke structuur, waardoor autonome vloeistofbeweging 9,10 ontstaat. Nanocellulose heeft diverse toepassingen in biologische sensoren, geleidende elektronische apparaten, celkweekplatforms, supercondensatoren, batterijen en meer, en toont zijn veelzijdigheid en potentieel11,12. Nanocellulose is met name veelbelovend voor op papier gebaseerde analytische microfluïdische apparaten (μPAD's) en biedt unieke voordelen ten opzichte van conventioneel chromatografiepapier.

In het afgelopen decennium hebben μPAD's veel aandacht gekregen vanwege hun betaalbaarheid, biocompatibiliteit, pompvrije werking en productiegemak13,14. Deze apparaten zijn naar voren gekomen als effectieve diagnostische hulpmiddelen voor point-of-care, met name in omgevingen met beperkte middelen15,16,17. Een belangrijke vooruitgang op dit gebied was de ontwikkeling van wasprinten, ontwikkeld door George Whitesides18 en de Bingcheng Lin-groep19, waardoor functionele μPAD's konden worden gemaakt door microkanalen op chromatografiepapier op te nemen. Vervolgens evolueerden μPAD's snel en werden verschillende biosensing-technieken, waaronder elektrochemische methoden 20, chemiluminescentie21 en enzymgekoppelde immunosorbenttest (ELISA)22,23,24, met succes geïmplementeerd voor de detectie van diverse biomarkers zoals eiwitten 25,26, DNA's 27,28, RNA's 29,30 en exosomen31. Ondanks deze prestaties worden μPAD's nog steeds geconfronteerd met uitdagingen, waaronder lage stroomsnelheden en verdamping van oplosmiddelen.

Er zijn verschillende methoden voorgesteld voor het maken van microkanalen op nanopapier32,33,34. Eén benadering omvat het 3D-printen van opofferende ingrediënten in het materiaal, maar het vereist een hydrofobe coating die de pompvrije werking beperkt33. Een andere techniek is het handmatig stapelen van kanaallagen tussen nanopapiervellen met behulp van lijm, wat arbeidsintensief is32. Als alternatief kan het spuiten van nanocellulosevezels op vooraf gevormde mallen microkanalen creëren, maar het vereist tijdrovende en dure matrijsvoorbereiding34. Deze methoden zijn met name beperkt tot microkanalen op millimeterschaal, waardoor de voordelen van microfluïdische apparaten met betrekking tot het verbruik en de integratie van reagensvolumes in het gedrang komen. Het ontwikkelen van een eenvoudig nanopapieren microkanaalpatroonproces met een resolutie op micrometerschaal blijft een uitdaging.

Deze studie presenteert een unieke nanopaper microchannel patroonmethode gebaseerd op praktische micro-embossing. De aanpak biedt verschillende voordelen ten opzichte van bestaande methoden, omdat er geen dure of gespecialiseerde apparatuur voor nodig is, eenvoudig, kosteneffectief en zeer nauwkeurig is. Een convexe microkanaalmal wordt vervaardigd door het lasersnijden van een polytetrafluorethyleen (PTFE) film, bekend om zijn chemische inertie en anti-aanbakeigenschappen. Deze mal wordt vervolgens gebruikt om microkanaaltjes op een nanopaper-gelmembraan te embossen. Bovenop wordt een tweede laag nanopapiergel aangebracht om gesloten holle kanalen te creëren. Met behulp van deze patroontechniek worden fundamentele microfluïdische apparaten op nanopapier ontwikkeld, waaronder een laminaire mixer en druppelgenerator. Daarnaast wordt de fabricage van oppervlakte-verbeterde Raman-microscopie (SERS) NanoPAD's gedemonstreerd. In-situ creatie van een SERS-substraat op basis van zilveren nanodeeltjes wordt bereikt door twee chemische reagentia (AgNO3 en NaBH4) in de kanalen te introduceren, wat resulteert in opmerkelijke prestaties met lage detectielimieten (LOD's).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Microembossingproces voor microkanaalpatronen op nanopapier

  1. Voorbereiding van de matrijs
    OPMERKING: Raadpleeg Yuan et al.12 voor details over de voorbereiding van de matrijs.
    1. Bereid een PTFE-film voor zoals aangegeven in de Tabel met materialen.
    2. Lasersnijd de voorbereide PTFE-film om een convexe microkanaalmal te maken (Figuur 1A-I).
      NOTITIE: De afmetingen van de PTFE-mal bepalen de afmetingen van het microkanaal (Figuur 2E,F) in een lineaire eerste-orde functierelatie.
  2. Voorbereiding van nanopapier
    1. Dispugeer 4,0 g (2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-yl)oxyl (TEMPO)-geoxideerde NFC-gel (zie materiaaltabel) in gedestilleerd water (eindconcentratie van 0,1 gew.%).
    2. Roer de suspensie zwaar op 120,8 x g gedurende 30 minuten bij kamertemperatuur totdat er geen cellulosevlokken meer zichtbaar zijn.
    3. Vacuüm filtreren van de heldere suspensie om een nanopapiergel te verkrijgen (Figuur 1A-II).
      OPMERKING: In dit voorbeeld is de diameter van de verkregen nanopapiergel 4 cm. NanoPAD's kunnen op maat worden gemaakt voor verschillende toepassingen door zuigfiltratie-apparaten met verschillende radiussen te selecteren, waardoor NanoPAD's op verschillende schalen kunnen worden ontworpen.
  3. Embossing van nanopapiergel
    1. Plaats de PTFE-mal op het oppervlak van de nanopapiergel.
    2. Reliëf de nanopapiergel (Figuur 1A-III) met behulp van de PTFE-mal door de hete pers gedurende 10 minuten elke keer onder geoptimaliseerde druk en temperatuur (Figuur 2A-D).
      OPMERKING: Een hogere reliëfdruk (250 kPa tot 1000 kPa) verbetert de fabricagenauwkeurigheid, maar mag niet hoger zijn dan 1000 kPa om schade aan de cellulosestructuur te voorkomen. Hogere reliëftemperaturen (25-100 °C) verbeteren de nauwkeurigheid van de microkanalen door uitdroging en ontkoling te bevorderen, maar de temperatuur mag niet hoger zijn dan 75 °C om kreuken van de gel en verminderde lichtdoorlatendheid te voorkomen7. In dit voorbeeld waren de geoptimaliseerde embossingparameters 750 kPa en 75 °C.
  4. Schimmel vrijgeven
    1. Trek een extra laag filter-nanopapiergel van het filtermembraan (Figuur 1A-IV).
  5. Binding
    1. Bevestig de geschilde laag bovenop de reliëflaag nanopapiergel en stapel de twee lagen op elkaar om een holle microkanaalstructuur te creëren (Figuur 1A-V).
      OPMERKING: De sterkere waterstofbinding in 'gelachtig' nanopapier in vergelijking met vezelsuspensie en gedroogd nanopapier verbetert de verstrengeling en hechting van nanocellulosevezels. Bijgevolg kunnen twee lagen 'gelachtig' nanopapier zich stevig hechten door zelfdiffusie zonder externe kracht.
  6. Drogen
    1. Plaats de twee lagen nanopapiergel gedurende ongeveer 30 minuten in een droogoven op 75 °C (figuur 1A-VI).

2. Bouw van fundamentele microfluïdische apparaten

  1. Bouw van laminaire menger
    1. Bereid de NanoPAD's voor met rechte en gebogen kanalen (Figuur 3A) volgens stap 1.
      OPMERKING: In dit voorbeeld zijn de afmetingen van kanalen 1 mm breed en 50 μm diep.
    2. Voeg tegelijkertijd rode en blauwe druppels toe in de inlaatzones, waardoor de stroom automatisch door het holle kanaal kan stromen.
      OPMERKING: De succesvolle onafhankelijke stroming van de rode en blauwe oplossingen in een recht kanaal en hun vermenging aan het einde van het gebogen kanaal kan worden toegeschreven aan het lage Reynoldsgetal van de lagen in microfluïdische apparaten en de radiale stroming die wordt geïnduceerd door schuifspanning35.
  2. Bouw van druppelgenerator
    1. Bereid de NanoPAD's met twee inlaten voor met een T-splitsingskanaal (Figuur 3D) volgens stap 1.
    2. Breng water en hexadecaan (olie), twee niet-mengbare vloeistoffen, in de twee inlaatzones van het T-splitsingskanaal om druppeltjes te genereren (Figuur 3E).
      OPMERKING: In dit voorbeeld zijn de afmetingen van het T-splitsingskanaal 1 mm breed, 25 mm lang en 50 μm diepte.
    3. Stel de snelheid van Q 1 vast op 6 μL/min en de snelheid van Q2 op n × Q 1 (n =1-6). Gebruik twee spuitpompen en stel ze in op de bovenstaande snelheid om water en olie te injecteren. Dit gedrag wordt bepaald door de ene eenvoudige schaalvergelijking (zie hieronder).
      OPMERKING: In dit voorbeeld werden olie en gekleurd water in kanaal36 gegoten.
      Equation 1
      Waarbij α = 1, β = 1, L de lengte is, W de breedte van de druppel en Q1 en Q2 de stroomsnelheden van water en hexadecaan, respectievelijk37,38.

3. In-situ AgNP groei

  1. Voorbereiding van NanoPAD's
    1. Bereid NanoPAD's met twee inlaten voor met een convergerende detectiezone (Figuur 4A) volgens stap 1.
  2. Opeenvolgende adsorptie- en reactieprocessen van ionenlagen
    1. Bereid een 20 mM AgNO3-oplossing en een 20 mM NaBH4-oplossing (zie Materiaaltabel).
    2. Laat 5 μL van de 20 mM AgNO3-oplossing in de linker inlaatzone van het stroomkanaal vallen.
    3. Laat de AgNO3-oplossing gedurende 30 s in de reactiezone blijven.
      OPMERKING: Herhaal stap 3.2.2. en 3.2.3. vijf keer om de uniforme verdeling van AgNP's zonder agglomeratie te waarborgen, wat de hogere bandintensiteit zou kunnen verklaren.
    4. Laat 5 μL gedestilleerd water in de linker inlaatzone van het stroomkanaal vallen om te spoelen.
      OPMERKING: Herhaal stap 3.2.4. driemaal om ervoor te zorgen dat overtollige, niet-geadsorbeerde ag ionen door wassen worden verwijderd.
    5. Voeg 5 μL van de 20 mM NaBH4-oplossing toe aan de rechter inlaatzone van het stroomkanaal.
      OPMERKING: Herhaal stap 3.2.5. totdat de AgNP's gelijkmatig in de reactiezone zijn gegenereerd. De chemische reacties die betrokken zijn bij stap 3 worden weergegeven door de volgende formule39:
      Equation 2

      In dit voorbeeld werden dichte, uniforme, goed gestructureerde AgNP-arrays gevormd op de NanoPAD's (Figuur 4B). De gemiddelde diameter van de AgNP's bedroeg 55 nm (figuur 4C).

4. SER-meting

  1. Voorbereiding van het Raman-spectroscopiesysteem
    1. Schakel de laser in en start de bijbehorende software voor de Raman-spectrometer (zie Materiaaltabel).
    2. Gebruik een 50x objectief voor het scherpstellen en verzamelen van Raman-signalen en een 532 nm laser voor excitatie.
    3. Stel de spectrale resolutie in op 2 cm-1 voor nauwkeurige metingen. Stel het meetbereik van het Raman-spectrum in van 400 cm-1 tot 600 cm−1.
    4. Kalibreer de Raman-spectrometer met behulp van een siliciumwafer12.
      OPMERKING: Voer stap 4.1 uit. voor stap 4.2.
  2. Rhodamine B (RhB) meting
    1. Los 4,7 mg RhB (zie materiaaltabel) op in 10 ml ethanol om een 1 mM RhB-oplossing te bereiden.
    2. Bereid een reeks RhB-oplossingen met concentraties van 10 μM tot 0,1 pM door de 1 mM RhB-oplossing in de ethanol te verdunnen.
    3. Voeg 5 μL van de RhB-oplossing toe aan de inlaatzone van het NanoPADs-kanaal en laat het drogen.
      OPMERKING: Herhaal stap 4.2.3. voor RhB-oplossingen met verschillende concentraties, aangegeven in stap 4.2.2.
    4. Stel de bekrachtigingstijd in op 10 s, het rooster op 2 cm−1 en het aantal cycli op 1. Stel het meetbereik van het Raman-spectrum in van 500 cm-1 tot 1800 cm−1.
    5. Pas de grove scherpstelschroef en de fijne scherpstelschroef afzonderlijk aan om de juiste scherpstelling te bereiken en klik vervolgens op stop om de positie op te slaan.
    6. Klik op start om de meting te starten.
    7. Herhaal de metingen zeven keer en sla de verzamelde gegevens op.
    8. Schakel de laser uit.
  3. Data-analyse
    1. Importeer de opgeslagen gegevens in de data-analysesoftware (zie Materiaaltabel).
    2. Bereken het gemiddelde spectrum op basis van de opgeslagen gegevens.
    3. Selecteer de optie lijnconcept om Raman-spectra uit te zetten.
    4. Gebruik de Peak analyzer-tool om de basislijn van de spectra in te stellen.
    5. Pas de functie Signaalproces - Glad toe om de spectra glad te strijken voor eindresultaten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Er is een unieke methode bedacht voor het maken van microkanaalpatronen op nanopapier met behulp van de praktische plastic micromallen door middel van de handige micro-embossing-techniek. Deze methode zorgt met name voor microkanaalpatronen op een schaal van slechts 200 μm, wat een viervoudige verbetering betekent in vergelijking met bestaande methoden32,33,34. Na het verfijnen van de patroonparameters, vertonen de verstrekte richtlijnen een uitstekende herhaalbaarheid in het fabricageproces, gekenmerkt door minimale standaarddeviaties. De hoogst waargenomen variatie in breedte is slechts 2,5%, terwijl dit voor diepte 9% is. Daarnaast is figuur 2E,F opgenomen om als leidraad te dienen voor de ontwikkeling van applicaties.

Om de praktische toepassingen van de ontwikkelde SERS-NanoPAD's te demonstreren, werd Rhodamine B (RhB), een veel voorkomende milieuverontreinigende stof en een organische chemische stof met een lage toxiciteit, als voorbeeld geselecteerd. RhB-moleculen werden direct gemengd met ethanol. In dit voorbeeld werd 5 μL van de analytoplossing gevuld in de inlaatzone van NanoPAD's en werd vervolgens het Raman-signaal in de reactiezone gemeten. De Raman-spectra van RhB-monsters bij verschillende concentraties in ethanol (variërend van 0,1 pM tot 10 μM) zijn weergegeven in figuur 5A, waarbij pure ethanol als blancocontrole wordt gebruikt. Duidelijke RhB-banden worden waargenomen in de gemeten spectra, waaronder de C-O-C stretching (1280 cm-1), xantheen ring rimpeling mode (1200 cm-1), C-N stretching (1384 cm-1), C-C stretching (1350 cm-1), C-H stretching (1520 cm-1) en aromatische C-C stretching (1646 cm-1)40,41. Vanwege de gevoeligheid van de piekintensiteit van 1646 cm-1 voor de RhB-concentratie met minimale achtergrondruis, werd deze gekozen als leesparameter42. Bij de berekening van de detectiegrens (LOD) werd de RhB-concentratie bepaald die overeenstemt met de intensiteit van de blancocontrole plus driemaal de standaarddeviatie van de Raman-intensiteit van de blancocontrole. Deze berekening leverde een LOD op van 0,019 pM. Figuur 5B toont de kalibratiecurve voor RhB-detectie.

Figure 1
Figuur 1: Schematische weergave van het micro-embossingproces voor het vormen van microkanalen op nanopapier. (A) Het micro-embossingproces bestaat uit zes stappen: matrijsvoorbereidingen, nanopapierfiltratie, reliëf, matrijsvrijgave, verlijming en uiteindelijke droging. (B) Dwarsdoorsnede van het micro-reliëfproces. De figuur is gereproduceerd met toestemming van Yuan et al. Copyright 2023 Amerikaanse Chemische Vereniging12. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Optimalisatie van microkanaalreliëf. De fabricagenauwkeurigheid van breedtes en dieptes wordt beïnvloed door respectievelijk (A,B) reliëfdruk en (C,D) droogtemperatuur. Ontwerpeisen voor (E) kanaalbreedtes en (F) diepten in microfluïdische apparaten van nanopapier (n = 5). (Het doel: de verwachte breedtes en diepten van microkanalen; de verkregen: de breedtes en diepten van de gefabriceerde microkanalen; het ontworpen: de breedtes en dieptes van PTFE-mallen). De figuur is gereproduceerd met toestemming van Yuan et al. Copyright 2023 Amerikaanse Chemische Vereniging12. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Grondbeginselen van fluïdisch gedrag in het nanopapiermicrokanaal . (A) Foto's van de microfluïdische mixer van nanopapier en het laminaire stroomapparaat. Schaalstaven = 5 mm. (B) Afvoer op verschillende afstanden langs het holle kanaal. Schaalverdeling = 2 mm. (C) Capillaire prestaties langs het holle kanaal (n=5). (D) Schematische weergave van de druppels in het T-splitsingskanaal en de inrichting met reliëf en de inlaatbuizen. (E) Druppelgenerator werkt op verschillende frequenties. Schaalbalken = 5 mm. (F) Lineaire afhankelijkheid van de debieten van Q1/Q2 en L/W (n = 5). De figuur is gereproduceerd met toestemming van Yuan et al. Copyright 2023 Amerikaanse Chemische Vereniging12. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Gevoelige SERS-detectie van kleine moleculen op NanoPAD's. (A) Schema van AgNP-groei op de detectiezone van de NanoPAD's. (B) Foto van NanoPAD's na de groei van AgNP's en schematische weergave van de op SERS gebaseerde molecuuldetectie. Schaalbalk = 1 cm. (C) SEM-beeld van de in situ gekweekte AgNP's op NanoPAD's toont een dichte en georganiseerde AgNPs-array. Schaalbalk = 500 nm; inzet = 100 nm. De figuur is gereproduceerd met toestemming van Yuan et al. Copyright 2023 Amerikaanse Chemische Vereniging12. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: SERS-gebaseerde detectie van RhB. (A) Raman-spectra van RhB bij concentraties van 0,1 pM tot 10 μM. (B) Kalibratie van RhB op 1646 cm-1 (n=5). De figuur is gereproduceerd met toestemming van Yuan et al. Copyright 2023 Amerikaanse Chemische Vereniging12. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De primaire focus van dit onderzoek is het ontwikkelen van een eenvoudige methode voor het fabriceren van microkanalen op nanopapier. Er werd een efficiënte embossingtechniek bedacht met PTFE als mal om deze uitdaging aan te gaan12. Door de temperatuur en de reliëfdruk te optimaliseren, werd een reeks experimenten uitgevoerd om een betrouwbaar fabricageproces voor NanoPAD's tot stand te brengen. Daarnaast werd het gebruik van een quick-reference tabel gedemonstreerd om de toepassingen van NanoPAD's op verschillende gebieden aan te passen. Hoewel deze methode efficiënt en stabiel is, waren er enkele uitdagingen. Aanvankelijk werden metalen gebruikt als mallen vanwege hun gladheid, maar er ontstonden problemen bij het verwijderen ervan uit de zelfklevende nanopapiergel. Uiteindelijk is gekozen voor PTFE vanwege de anti-aanbakeigenschappen en het bedieningsgemak in het embossingproces. Een andere uitdaging die werd aangepakt, was de fabricage van holle kanalen. De sterke waterstofbruggen in 'gelachtig' nanopapier8 zorgden voor zelfdiffusie en hechting van twee lagen, wat resulteerde in een compacte binding zonder externe krachten.

Hoewel de ontwikkelde methode eenvoudig en tijdbesparend is en verontreiniging minimaliseert bij het fabriceren van pompvrije microkanalen op nanopapier, zijn er nog steeds beperkingen. De precisie van lasersnijden beperkt de breedte van PTFE-matrijzen tot 200 μm, waardoor de haalbare precisie van de microkanalen wordt beperkt tot 200 μm. Om deze beperking te overwinnen, is de implementatie van een nanoprinter voor 3D-printmatrijzen gepland in toekomstige inspanningen, waarbij gebruik wordt gemaakt van zijn capaciteit om een precisie van 50 μm te bereiken. Een ander gebied dat verdere verbetering behoeft, is de fabricage van 3D-microkanalen. Hoewel 3D-microkanalen33,34 op grote schaal worden gebruikt in biomedische, chemische en elektrische detectie met behulp van materialen zoals PDMS en gewone op papier gebaseerde apparaten, is de fabricage van 3D-microkanalen op nanopapier nog steeds een opkomend veld. Het oplossen van deze uitdaging zal aanzienlijk bijdragen aan de vooruitgang van NanoPAD's.

Deze studie richtte zich op het gebruik van moleculen als Raman-reporters voor SER-detectie. SERS-technologie42 biedt tal van voordelen, waaronder minimaal gebruik van reagens, hoge selectiviteit, eenvoudige monstervoorbereiding en uitstekende stabiliteit, waardoor het een cruciale methode is voor biochemische detectie. De ontworpen NanoPAD's hebben potentiële toepassingen in SERS-immunoassays. Verder is er steeds meer belangstelling voor selectieve en op maat gemaakte SERS-plasmonen. Het onderzoeken van methoden om deze plasmonen op NanoPADs voor selectieve SERS-opsporing te genereren, vertegenwoordigt een opwindende weg voor toekomstige ontwikkeling op het gebied van nanopaper.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De auteurs erkennen de financiële steun van de programma's van de Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education (22KJB460033) en het Jiangsu Science and Technology Programme - Young Scholar (BK20200251). Dit werk wordt ook gedeeltelijk ondersteund door het XJTLU AI University Research Centre, het Jiangsu Province Engineering Research Centre of Data Science and Cognitive Computation bij XJTLU en het SIP AI-innovatieplatform (YZCXPT2022103). De steun van het State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering via het open project (SKLMS2023019) en het Key Laboratory of Bionic Engineering, Ministerie van Onderwijs, wordt ook erkend.

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

Micro-embossing Microfluïdica op basis van nanocellulosepapier Nanopapier Microkanalen Fabricageproces 3D-printen Spuitcoating Handmatig snijden en assembleren Plastic micromallen Gevoeligheid voor verontreiniging Millimetergrote kanalen Minimale breedte Verbetering Fabricageparameters Snelreferentietabel Laminaire mixer Druppelgenerator NanoPAD's Rhodam
Microembossing: een handig proces voor het vervaardigen van microkanalen op microfluïdica op basis van nanocellulosepapier
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