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Engineering

माइक्रोएम्बॉसिंग: नैनोसेल्यूलोज पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स पर माइक्रोचैनल बनाने के लिए एक सुविधाजनक प्रक्रिया

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

यह प्रोटोकॉल एक सीधी प्रक्रिया का वर्णन करता है जो नैनोफिब्रिलेटेड सेलूलोज़ पेपर पर माइक्रोचैनल बनाने के लिए सरल माइक्रोएम्बॉसिंग ऑपरेशंस के लिए सुविधाजनक प्लास्टिक माइक्रोमोल्ड्स का उपयोग करता है, जो 200 माइक्रोन की न्यूनतम चौड़ाई प्राप्त करता है।

Abstract

नैनोफिब्रिलेटेड सेलूलोज़ से प्राप्त नैनोपेपर ने माइक्रोफ्लुइडिक अनुप्रयोगों के लिए एक आशाजनक सामग्री के रूप में काफी रुचि पैदा की है। इसकी अपील उत्कृष्ट गुणों की एक श्रृंखला में निहित है, जिसमें असाधारण चिकनी सतह, उत्कृष्ट ऑप्टिकल पारदर्शिता, नैनोस्केल छिद्र के साथ एक समान नैनोफाइबर मैट्रिक्स और अनुकूलन योग्य रासायनिक गुण शामिल हैं। नैनोपेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स के तेजी से विकास के बावजूद, नैनोपेपर पर माइक्रोचैनल बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली वर्तमान तकनीकें, जैसे कि 3 डी प्रिंटिंग, स्प्रे कोटिंग, या मैनुअल कटिंग और असेंबली, जो व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण हैं, अभी भी कुछ सीमाएं हैं, विशेष रूप से संदूषण के लिए संवेदनशीलता। इसके अलावा, ये विधियां मिलीमीटर आकार के चैनलों के उत्पादन तक ही सीमित हैं। यह अध्ययन एक सीधी प्रक्रिया का परिचय देता है जो नैनोपेपर पर माइक्रोचैनल बनाने के लिए सरल माइक्रोएम्बॉसिंग संचालन के लिए सुविधाजनक प्लास्टिक माइक्रो-मोल्ड्स का उपयोग करता है, जो न्यूनतम 200 माइक्रोन की चौड़ाई प्राप्त करता है। विकसित माइक्रोचैनल मौजूदा दृष्टिकोणों से बेहतर प्रदर्शन करता है, चार गुना सुधार प्राप्त करता है, और इसे 45 मिनट के भीतर गढ़ा जा सकता है। इसके अलावा, निर्माण मापदंडों को अनुकूलित किया गया है, और एप्लिकेशन डेवलपर्स के लिए एक सुविधाजनक त्वरित-संदर्भ तालिका प्रदान की गई है। सतह-वर्धित रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके रोडामाइन बी सेंसिंग के लिए डिज़ाइन किए गए लामिना मिक्सर, छोटी बूंद जनरेटर, और कार्यात्मक नैनोपेपर-आधारित विश्लेषणात्मक उपकरणों (नैनोपैड्स) के लिए प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट का प्रदर्शन किया गया था। विशेष रूप से, नैनोपीएडी ने पता लगाने की बेहतर सीमाओं के साथ असाधारण प्रदर्शन का प्रदर्शन किया। इन उत्कृष्ट परिणामों को नैनोपेपर के बेहतर ऑप्टिकल गुणों और हाल ही में विकसित सटीक माइक्रोएम्बॉसिंग विधि के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है, जो नैनोपीएडी के एकीकरण और फाइन-ट्यूनिंग को सक्षम करता है।

Introduction

हाल ही में, नैनोफिब्रिलेटेड सेलूलोज़ (एनएफसी) पेपर (नैनोपेपर) लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स, ऊर्जा उपकरणों और बायोमेडिकल 1,2,3,4 जैसे विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए एक अत्यधिक आशाजनक सब्सट्रेट सामग्री के रूप में उभरा है। प्राकृतिक पौधों से व्युत्पन्न, नैनोपेपर लागत प्रभावी, जैव-संगत और बायोडिग्रेडेबल है, जो इसे पारंपरिक सेलूलोज़ पेपर 5,6 का एक आकर्षक विकल्प बनाता है। इसके असाधारण गुणों में 25 एनएम से कम की सतह खुरदरापन और एक घने सेलूलोज़ मैट्रिक्स संरचना के साथ एक अल्ट्रा-चिकनी सतह शामिल है, जो अत्यधिक संरचित नैनोस्ट्रक्चर7 के निर्माण की अनुमति देता है। नैनोपेपर के प्रचुर मात्रा में हाइड्रॉक्सिल समूह इसकी कॉम्पैक्ट और कसकर पैक किए गए नैनोसेल्यूलोज संरचना में योगदान करते हैं8. नैनोपेपर उत्कृष्ट ऑप्टिकल पारदर्शिता और न्यूनतम ऑप्टिकल धुंध प्रदर्शित करता है, जो इसे ऑप्टिकल सेंसर के लिए अच्छी तरह से अनुकूल बनाता है। इसके अतिरिक्त, इसकी अंतर्निहित हाइड्रोफिलिसिटी पंप-मुक्त प्रवाह को सक्षम बनाती है, यहां तक कि इसकी मोटी संरचना के साथ, स्वायत्त द्रव गति 9,10 प्रदान करती है। नैनोसेल्यूलोज में जैविक सेंसर, प्रवाहकीय इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, सेल संस्कृति प्लेटफार्मों, सुपरकैपेसिटर, बैटरी, और अधिक में विविध अनुप्रयोग हैं, जो इसकी बहुमुखी प्रतिभा और संभावित11,12 का प्रदर्शन करते हैं। विशेष रूप से, नैनोसेल्यूलोज पेपर-आधारित विश्लेषणात्मक माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों (μPADs) के लिए आशाजनक है, जो पारंपरिक क्रोमैटोग्राफी पेपर पर अद्वितीय लाभ प्रदान करता है।

पिछले एक दशक में, μPADs ने अपनी सामर्थ्य, जैव-अनुकूलता, पंप-मुक्त संचालन और उत्पादन13,14 में आसानी के कारण महत्वपूर्ण ध्यान आकर्षित किया है। ये उपकरण प्रभावी बिंदु-देखभाल नैदानिक उपकरण के रूप में उभरे हैं, विशेष रूप से संसाधन-सीमित सेटिंग्स15,16,17 में। इस क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण प्रगति मोम मुद्रण का विकास था, जिसका नेतृत्व जॉर्ज व्हाइटसाइड्स18 और बिंगचेंग लिन समूह19 ने किया था, जो क्रोमैटोग्राफी पेपर पर माइक्रोचैनल को शामिल करके कार्यात्मक μPADs के निर्माण को सक्षम करता था। इसके बाद, μPADs तेजी से विकसित हुए, और इलेक्ट्रोकेमिकल विधियों 20, केमिलुमिनेसेंस 21, और एंजाइम-लिंक्ड इम्युनोसॉरबेंट परख (एलिसा)22,23,24सहित विभिन्न बायोसेंसिंग तकनीकों को प्रोटीन 25,26, डीएनए 27,28, आरएनए 29,30, और जैसे विविध बायोमार्कर का पता लगाने के लिए सफलतापूर्वक लागू किया गया एक्सोसोम31. इन उपलब्धियों के बावजूद, μPADs को अभी भी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है, जिसमें धीमी प्रवाह गति और विलायक वाष्पीकरण शामिल हैं।

नैनोपेपर32,33,34 पर माइक्रोचैनल बनाने के लिए कई तरीके प्रस्तावित किए गए हैं। एक दृष्टिकोण सामग्री में 3 डी मुद्रण बलिदान सामग्री शामिल है, लेकिन यह एक हाइड्रोफोबिक कोटिंग है कि पंप-मुक्त आपरेशन33 सीमा की आवश्यकता है. एक अन्य तकनीक में गोंद का उपयोग करके नैनोपेपर शीट के बीच मैन्युअल रूप से चैनल परतों को ढेर करना शामिल है, जो श्रम-गहन32 है। वैकल्पिक रूप से, पूर्व पैटर्न वाले नए साँचे पर स्प्रे-कोटिंग nanocellulose फाइबर microchannels बना सकते हैं, लेकिन यह समय लेने वाली और महंगी मोल्ड तैयारी34 शामिल है. विशेष रूप से, ये विधियां मिलीमीटर-स्केल माइक्रोचैनल्स तक सीमित हैं, जो अभिकर्मक मात्रा खपत और एकीकरण के संबंध में माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों के फायदों से समझौता करती हैं। माइक्रोमीटर-स्केल रिज़ॉल्यूशन के साथ एक सरल नैनोपेपर माइक्रोचैनल पैटर्निंग प्रक्रिया विकसित करना एक चुनौती बनी हुई है।

यह अध्ययन व्यावहारिक माइक्रोएम्बॉसिंग के आधार पर एक अद्वितीय नैनोपेपर माइक्रोचैनल पैटर्निंग विधि प्रस्तुत करता है। दृष्टिकोण मौजूदा तरीकों पर कई फायदे प्रदान करता है, क्योंकि इसके लिए किसी महंगे या विशेष उपकरण की आवश्यकता नहीं होती है, यह सरल, लागत प्रभावी और अत्यधिक सटीक है। एक उत्तल माइक्रोचैनल मोल्ड एक पॉलीटेट्राफ्लोराइथिलीन (पीटीएफई) फिल्म को लेजर काटने से निर्मित होता है, जो इसकी रासायनिक जड़ता और नॉनस्टिक गुणों के लिए जाना जाता है। इस मोल्ड का उपयोग तब नैनोपेपर जेल झिल्ली पर माइक्रोचैनल को उभारने के लिए किया जाता है। बंद खोखले चैनल बनाने के लिए शीर्ष पर नैनोपेपर जेल की दूसरी परत लगाई जाती है। इस patterning तकनीक का उपयोग कर, नैनोपेपर पर मौलिक microfluidic उपकरणों को विकसित कर रहे हैं, एक लामिना मिक्सर और छोटी बूंद जनरेटर सहित. इसके अतिरिक्त, सतह-वर्धित रमन माइक्रोस्कोपी (SERS) नैनोPADs के निर्माण का प्रदर्शन किया जाता है। एक चांदी नैनोकण-आधारित एसईआरएस सब्सट्रेट का इन-सीटू निर्माण चैनलों में दो रासायनिक अभिकर्मकों (एजीएनओ3 और एनएबीएच4) को पेश करके प्राप्त किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप पता लगाने की कम सीमा (एलओडी) के साथ उल्लेखनीय प्रदर्शन होता है।

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Protocol

1. नैनोपेपर पर माइक्रोचैनल पैटर्निंग के लिए माइक्रोएम्बॉसिंग प्रक्रिया

  1. मोल्ड की तैयारी
    नोट: मोल्ड तैयारी के विवरण के लिए युआन एट अल.12 देखें।
    1. सामग्री की तालिका में संकेत के रूप में एक PTFE फिल्म तैयार करें.
    2. उत्तल माइक्रोचैनल मोल्ड(चित्रा 1ए-आई)बनाने के लिए तैयार पीटीएफई फिल्म को लेजर-कट करें।
      नोट: PTFE मोल्ड के आयाम एक रैखिक प्रथम-क्रम फ़ंक्शन संबंध में माइक्रोचैनल आयाम (चित्रा 2E, F) निर्धारित करते हैं।
  2. नैनोपेपर की तैयारी
    1. आसुत जल (0.1 wt% की अंतिम एकाग्रता) में 4.0 ग्राम (2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl) oxyl (TEMPO)-oxidized NFC gel ( सामग्री की तालिका देखें) तितर-बितर करें।
    2. कमरे के तापमान पर 30 मिनट के लिए 120.8 x ग्राम पर निलंबन को भारी हिलाओ जब तक कि कोई सेलूलोज़ फ़्लोक दिखाई न दे।
    3. एक नैनोपेपर जेल (चित्रा 1 ए-द्वितीय) प्राप्त करने के लिए स्पष्ट निलंबन वैक्यूम-फ़िल्टर करें।
      नोट: इस उदाहरण में, प्राप्त नैनोपेपर जेल का व्यास 4 सेमी है। नैनोपीएडी को विभिन्न त्रिज्या के साथ सक्शन निस्पंदन उपकरणों का चयन करके विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए सिलवाया जा सकता है, जिससे विभिन्न पैमानों पर नैनोपीएडी के डिजाइन को सक्षम किया जा सकता है।
  3. नैनोपेपर जेल की एम्बॉसिंग
    1. नैनोपेपर जेल की सतह पर PTFE मोल्ड रखें।
    2. अनुकूलित दबाव और तापमान(चित्रा 2ए-डी)के तहत हर बार 10 मिनट के लिए गर्म प्रेस द्वारा पीटीएफई मोल्ड का उपयोग करके नैनोपेपर जेल (चित्रा 1ए-III) को एम्बॉस करें।
      नोट: उच्च एम्बॉसिंग दबाव (250 केपीए से 1000 केपीए) निर्माण सटीकता में सुधार करता है लेकिन सेलूलोज़ संरचना को नुकसान को रोकने के लिए 1000 केपीए से अधिक नहीं होना चाहिए। उच्च एम्बॉसिंग तापमान (25-100 डिग्री सेल्सियस) निर्जलीकरण और डीकार्बराइजेशन को बढ़ावा देकर माइक्रोचैनल सटीकता को बढ़ाता है, लेकिन जेल झुर्रियों और कम प्रकाश संप्रेषण 75 से बचने के लिए तापमान75 डिग्री सेल्सियस से अधिक नहीं होना चाहिए। इस उदाहरण में, अनुकूलित एम्बॉसिंग पैरामीटर 750 kPa और 75 °C थे।
  4. मोल्ड जारी करना
    1. फिल्टर झिल्ली (चित्रा 1 ए-चतुर्थ) से फिल्टर नैनोपेपर जेल की एक अतिरिक्त परत को छीलें।
  5. जुड़ाई
    1. नैनोपेपर जेल की उभरा परत के शीर्ष पर खुली परत संलग्न करें, एक खोखले माइक्रोचैनल संरचना(चित्रा 1ए-वी)बनाने के लिए दो परतों को ढेर करें।
      नोट: फाइबर निलंबन और सूखे नैनोपेपर की तुलना में 'जेल जैसी' नैनोपेपर में मजबूत हाइड्रोजन बॉन्डिंग नैनोसेल्यूलोज फाइबर के उलझाव और आसंजन को बढ़ाती है। नतीजतन, 'जेल जैसी' नैनोपेपर की दो परतें बाहरी बल के बिना आत्म-प्रसार के माध्यम से कसकर बंध सकती हैं।
  6. सुखाने
    1. लगभग 30 मिनट (चित्रा 1 ए-VI) के लिए 75 डिग्री सेल्सियस पर एक सुखाने ओवन में नैनोपेपर जेल की दो परतों रखें.

2. मौलिक माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों का निर्माण

  1. लामिना-मिक्सर का निर्माण
    1. चरण 1 के बाद सीधे और घुमावदार चैनलों (चित्रा 3 ए) के साथ नैनोपीएडी तैयार करें।
      नोट: इस उदाहरण में, चैनलों के आयाम 1 मिमी चौड़ाई और 50 माइक्रोन गहराई हैं।
    2. इनलेट ज़ोन में लाल और नीली बूंदों को एक साथ जोड़ें, जिससे खोखले चैनल के माध्यम से स्वचालित रूप से प्रवाह की अनुमति मिलती है।
      नोट: एक सीधे चैनल में लाल और नीले रंग के समाधान के सफल स्वतंत्र प्रवाह और घुमावदार चैनल के अंत में उनके मिश्रण microfluidic उपकरणों में परतों की कम रेनॉल्ड्स संख्या और कतरनी तनाव35 द्वारा प्रेरित रेडियल प्रवाह के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है.
  2. छोटी बूंद जनरेटर का निर्माण
    1. चरण 1 के अनुसार एक टी-जंक्शन चैनल(चित्रा 3डी)के साथ दो-इनलेट नैनोपीएडी तैयार करें।
    2. बूंदों (चित्रा 3ई) उत्पन्न करने के लिए टी-जंक्शन चैनल के दो-इनलेट क्षेत्रों में पानी और हेक्साडेकेन (तेल), दो अमिश्रणीय तरल पदार्थ का परिचय दें।
      नोट: इस उदाहरण में, टी-जंक्शन चैनल के आयाम 1 मिमी चौड़ाई, 25 मिमी लंबाई और 50 माइक्रोन गहराई हैं।
    3. Q1 की गति को 6 μL/min पर और Q2 की गति को n × Q 1 (n =1-6 ) पर ठीक करें। दो सिरिंज पंप का उपयोग करें और उन्हें पानी और तेल इंजेक्ट करने के लिए उपरोक्त गति पर सेट करें। यह व्यवहार एक साधारण स्केलिंग समीकरण (नीचे प्रदान किया गया) द्वारा नियंत्रित होता है।
      नोट: इस उदाहरण में, तेल और रंगीन पानी चैनल36 में डाला गया था।
      Equation 1
      जहां α = 1, β = 1, L लंबाई है, W छोटी बूंद की चौड़ाई है, और Q1 और Q2 क्रमशः पानी और हेक्साडेकेन की प्रवाह दर37,38 हैं।

3. इन-सीटू एजीएनपी ग्रोथ

  1. नैनोपैड की तैयारी
    1. चरण 1 के अनुसार एक अभिसरण का पता लगाने क्षेत्र (चित्रा 4 ए) के साथ दो इनलेट NanoPADs तैयार करें.
  2. क्रमिक आयनिक परत सोखना और प्रतिक्रिया प्रक्रिया
    1. एक 20 मिमी AgNO3 समाधान और एक 20 मिमी NaBH4 समाधान ( सामग्री की तालिकादेखें) तैयार करें.
    2. प्रवाह चैनल के बाएं इनलेट क्षेत्र में 20 मिमी AgNO3 समाधान के 5 माइक्रोन ड्रॉप करें।
    3. AgNO3 समाधान 30 s के लिए प्रतिक्रिया क्षेत्र में रहने के लिए अनुमति दें.
      नोट: 3.2.2 कदम दोहराएँ. और 3.2.3। समूह के बिना एजीएनपी के समान वितरण को सुनिश्चित करने के लिए पांच बार, जो उच्च बैंड तीव्रता की व्याख्या कर सकता है।
    4. आसुत जल के 5 माइक्रोन को धोने के लिए प्रवाह चैनल के बाएं इनलेट क्षेत्र में छोड़ दें।
      नोट: 3.2.4 कदम दोहराएँ. धोने के माध्यम से अत्यधिक, unadsorbed एजी आयनों को हटाने को सुनिश्चित करने के लिए तीन बार।
    5. प्रवाह चैनल के सही इनलेट क्षेत्र में 20 मिमी NaBH4 समाधान के 5 माइक्रोन जोड़ें।
      नोट: 3.2.5 कदम दोहराएँ. जब तक AgNPs प्रतिक्रिया क्षेत्र में समान रूप से उत्पन्न नहीं होते हैं। चरण 3 में शामिल रासायनिक प्रतिक्रियाओं को निम्नलिखित सूत्र39 द्वारा दर्शाया गया है:
      Equation 2

      इस उदाहरण में, घने, वर्दी, अच्छी तरह से संरचित AgNP सरणियों NanoPADs (चित्रा 4B) पर गठन किया गया. एजीएनपीएस का औसत व्यास 55 एनएम (चित्रा 4 सी) था।

4. SERS माप

  1. रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी प्रणाली की तैयारी
    1. लेजर चालू करें और रमन स्पेक्ट्रोमीटर के लिए साथ में सॉफ्टवेयर लॉन्च करें ( सामग्री की तालिकादेखें)।
    2. रमन संकेतों को ध्यान केंद्रित करने और एकत्र करने के लिए 50x उद्देश्य और उत्तेजना के लिए 532 एनएम लेजर को नियोजित करें।
    3. सटीक माप के लिए वर्णक्रमीय संकल्प को 2 सेमी-1 पर सेट करें। रमन स्पेक्ट्रम माप सीमा 400 सेमी-1 से 600 सेमी-1 तक सेट करें।
    4. एक सिलिकॉन वेफर12 का उपयोग रमन स्पेक्ट्रोमीटर जांच.
      नोट: चरण 4.1 करें। चरण 4.2 के लिए।
  2. रोडामाइन बी (आरएचबी) माप
    1. 1 एमएम आरएचबी समाधान तैयार करने के लिए इथेनॉल के 10 एमएल में 4.7 मिलीग्राम आरएचबी ( सामग्री की तालिकादेखें) भंग करें।
    2. इथेनॉल में 1 मिमी आरएचबी समाधान को पतला करके 10 माइक्रोन से 0.1 पीएम तक सांद्रता के साथ आरएचबी समाधानों की एक श्रृंखला तैयार करें।
    3. NanoPADs चैनल के इनलेट क्षेत्र पर RhB समाधान के 5 माइक्रोन जोड़ें और यह सूखी.
      नोट: 4.2.3 कदम दोहराएँ. चरण 4.2.2 में इंगित विभिन्न सांद्रता के आरएचबी समाधानों के लिए।
    4. उत्तेजना का समय 10 s, झंझरी को 2 cm-1 और चक्रों की संख्या को 1 पर सेट करें। रमन स्पेक्ट्रम माप सीमा 500 सेमी-1 से 1800 सेमी-1 तक सेट करें।
    5. उचित फोकस प्राप्त करने के लिए मोटे फोकस स्क्रू और फाइन फोकस स्क्रू को अलग-अलग समायोजित करें, फिर स्थिति को बचाने के लिए स्टॉप पर क्लिक करें।
    6. माप शुरू करने के लिए स्टार्ट पर क्लिक करें।
    7. माप को सात बार दोहराएं और एकत्रित डेटा को बचाएं।
    8. लेजर बंद करें।
  3. डेटा विश्लेषण
    1. सहेजे गए डेटा को डेटा विश्लेषण सॉफ़्टवेयर में आयात करें ( सामग्री की तालिकादेखें)।
    2. सहेजे गए डेटा से औसत स्पेक्ट्रम की गणना करें।
    3. रमन स्पेक्ट्रा प्लॉट करने के लिए लाइन ड्राफ्ट विकल्प का चयन करें।
    4. स्पेक्ट्रा की आधार रेखा सेट करने के लिए पीक विश्लेषक उपकरण का उपयोग करें.
    5. सिग्नल प्रक्रिया लागू करें - अंतिम परिणामों के लिए स्पेक्ट्रा को सुचारू बनाने के लिए चिकना कार्य।

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Representative Results

नैनोपेपर पर माइक्रोचैनल पैटर्न बनाने के लिए एक अनूठी विधि सुविधाजनक माइक्रोएम्बॉसिंग तकनीक के माध्यम से व्यावहारिक प्लास्टिक माइक्रो-मोल्ड्स का उपयोग करके तैयार की गई है। विशेष रूप से, इस विधि मौजूदा तरीकों32,33,34 की तुलना में एक चार गुना सुधार का प्रतिनिधित्व करता है जो 200 माइक्रोन, के रूप में छोटे पैमाने पर microchannel patterning पूरा करता है. पैटर्निंग मापदंडों को ठीक करने के बाद, प्रदान किए गए दिशानिर्देश निर्माण प्रक्रिया में उत्कृष्ट दोहराव प्रदर्शित करते हैं, जो न्यूनतम मानक विचलन की विशेषता है। चौड़ाई में उच्चतम मनाया गया भिन्नता केवल 2.5% है, जबकि गहराई के लिए, यह 9% है। इसके अतिरिक्त, चित्रा 2 ई, एफ अनुप्रयोग विकास के लिए एक गाइड के रूप में सेवा करने के लिए शामिल किया गया है.

विकसित SERS-NanoPADs के व्यावहारिक अनुप्रयोगों को प्रदर्शित करने के लिए, Rhodamine B (RhB), एक आम पर्यावरण प्रदूषक और कम विषाक्तता कार्बनिक रसायन, एक उदाहरण के रूप में चुना गया था. आरएचबी अणुओं को सीधे इथेनॉल के साथ मिलाया गया था। इस उदाहरण में, विश्लेषण समाधान के 5 माइक्रोन नैनोपीएडी के इनलेट क्षेत्र में भर गए थे, और प्रतिक्रिया क्षेत्र में रमन संकेत को तब मापा गया था। इथेनॉल में विभिन्न सांद्रता में आरएचबी नमूनों के रमन स्पेक्ट्रा (0.1 पीएम से 10 माइक्रोन तक) चित्रा 5 ए में दिखाए गए हैं, जिसमें शुद्ध इथेनॉल रिक्त नियंत्रण के रूप में उपयोग किया जाता है। स्पष्ट आरएचबी बैंड मापा स्पेक्ट्रा में मनाया जाता है, जिसमें सी-ओ-सी स्ट्रेचिंग (1280 सेमी-1), ज़ैंथेन रिंग पकरिंग मोड (1200 सेमी-1), सी-एन स्ट्रेचिंग (1384 सेमी-1), सी-सी स्ट्रेचिंग (1350 सेमी-1), सी-एच स्ट्रेचिंग (1520 सेमी-1), और सुगंधित सी-सी स्ट्रेचिंग (1646 सेमी-1)40,41। न्यूनतम पृष्ठभूमि शोर के साथ आरएचबी एकाग्रता के लिए 1646 सेमी-1 शिखर तीव्रता की संवेदनशीलता के कारण, इसे रीडिंग पैरामीटर42 के रूप में चुना गया था। पता लगाने की सीमा (एलओडी) की गणना में रिक्त नियंत्रण की तीव्रता के अनुरूप आरएचबी एकाग्रता का निर्धारण करना शामिल था और रिक्त नियंत्रण की रमन तीव्रता के मानक विचलन का तीन गुना था। इस गणना से 0.019 बजे का एलओडी प्राप्त हुआ। चित्रा 5B RhB पहचान के लिए अंशांकन वक्र प्रदर्शित करता है।

Figure 1
चित्रा 1: नैनोपेपर पर माइक्रोचैनल पैटर्न के लिए माइक्रोएम्बॉसिंग प्रक्रिया का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व। (ए) माइक्रोएम्बॉसिंग प्रक्रिया में छह चरण शामिल हैं: मोल्ड की तैयारी, नैनोपेपर निस्पंदन, समुद्भरण, मोल्ड जारी, संबंध और अंतिम सुखाने। (बी) माइक्रोएम्बॉसिंग प्रक्रिया का क्रॉस-अनुभागीय दृश्य। यह आंकड़ा युआन एट अल से अनुमति के साथ पुन: प्रस्तुत किया गया है। कॉपीराइट 2023 अमेरिकन केमिकल सोसाइटी12. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्रा 2: माइक्रोचैनल एम्बॉसिंग ऑप्टिमाइज़ेशन। चौड़ाई और गहराई की निर्माण सटीकता क्रमशः (ए, बी) एम्बॉसिंग दबाव और (सी, डी) सुखाने के तापमान से प्रभावित होती है। नैनोपेपर माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों (एन = 5) में (ई) चैनल चौड़ाई और (एफ) गहराई के लिए डिजाइन आवश्यकताएं। (लक्षित: अपेक्षित माइक्रोचैनल की चौड़ाई और गहराई; प्राप्त: निर्मित माइक्रोचैनल की चौड़ाई और गहराई; डिज़ाइन किया गया: PTFE मोल्ड्स की चौड़ाई और गहराई)। यह आंकड़ा युआन एट अल से अनुमति के साथ पुन: प्रस्तुत किया गया है। कॉपीराइट 2023 अमेरिकन केमिकल सोसाइटी12. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्रा 3: नैनोपेपर माइक्रोचैनल में द्रव व्यवहार के मूल सिद्धांत। (ए) नैनोपेपर माइक्रोफ्लुइडिक मिक्सर और लामिना का प्रवाह डिवाइस की तस्वीरें। स्केल बार = 5 मिमी। (बी) खोखले चैनल के साथ अलग-अलग दूरी पर प्रवाह-विकिंग। स्केल बार = 2 मिमी। (सी) खोखले चैनल (एन = 5) के साथ केशिका प्रदर्शन। (डी)टी-जंक्शन चैनल के अंदर बूंदों का योजनाबद्ध चित्रण और इनलेट ट्यूबों के साथ उभरा हुआ उपकरण। (E) विभिन्न आवृत्तियों पर काम करने वाली छोटी बूंद जनरेटर। स्केल बार = 5 मिमी। (एफ) क्यू1/क्यू2 और एल/डब्ल्यू (एन = 5) की प्रवाह दरों पर रैखिक निर्भरता। यह आंकड़ा युआन एट अल से अनुमति के साथ पुन: प्रस्तुत किया गया है। कॉपीराइट 2023 अमेरिकन केमिकल सोसाइटी12. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: नैनोपीएडी पर छोटे अणुओं के संवेदनशील एसईआरएस संवेदन। (ए) नैनोपीएडी के पता लगाने वाले क्षेत्र पर एजीएनपी विकास का योजनाबद्ध। (बी) एजीएनपी के विकास और एसईआरएस-आधारित अणु का पता लगाने के योजनाबद्ध के बाद नैनोपीएडी की तस्वीर। स्केल बार = 1 सेमी। (सी) नैनोपीएडी पर इन-सीटू विकसित एजीएनपी की एसईएम छवि एक घने और संगठित एजीएनपी सरणी दिखाती है। स्केल बार = 500 एनएम; इनसेट = 100 एनएम। यह आंकड़ा युआन एट अल से अनुमति के साथ पुन: प्रस्तुत किया गया है। कॉपीराइट 2023 अमेरिकन केमिकल सोसाइटी12. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्रा 5: आरएचबी का एसईआरएस-आधारित पता लगाना। (ए) 0.1 पीएम से 10 माइक्रोन की सांद्रता पर आरएचबी का रमन स्पेक्ट्रा। (बी) 1646 सेमी-1 (एन = 5) पर आरएचबी का अंशांकन। यह आंकड़ा युआन एट अल से अनुमति के साथ पुन: प्रस्तुत किया गया है। कॉपीराइट 2023 अमेरिकन केमिकल सोसाइटी12. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

इस अध्ययन का प्राथमिक फोकस नैनोपेपर पर माइक्रोचैनल बनाने के लिए एक सरल विधि विकसित करना है। इस चुनौती12 को संबोधित करने के लिए मोल्ड के रूप में PTFE का उपयोग करके एक कुशल एम्बॉसिंग तकनीक तैयार की गई थी। तापमान और एम्बॉसिंग दबाव का अनुकूलन करके, नैनोपीएडी के लिए एक विश्वसनीय निर्माण प्रक्रिया स्थापित करने के लिए प्रयोगों की एक श्रृंखला आयोजित की गई। इसके अतिरिक्त, विभिन्न क्षेत्रों में नैनोपीएडी के अनुप्रयोगों को समायोजित करने के लिए एक त्वरित-संदर्भ तालिका का उपयोग प्रदर्शित किया गया था। यद्यपि यह विधि कुशल और स्थिर है, कुछ चुनौतियों का सामना करना पड़ा। प्रारंभ में, धातुओं को उनकी चिकनाई के कारण मोल्ड के रूप में उपयोग किया जाता था, लेकिन चिपकने वाले नैनोपेपर जेल से उन्हें हटाने में कठिनाइयां उत्पन्न हुईं। अंततः, PTFE को इसके नॉनस्टिक गुणों और एम्बॉसिंग प्रक्रिया में संचालन में आसानी के लिए चुना गया था। एक और चुनौती को संबोधित किया गया था खोखले चैनलों का निर्माण। 'जेल जैसी' नैनोपेपर8 में मजबूत हाइड्रोजन बांड ने दो परतों के आत्म-प्रसार और आसंजन की अनुमति दी, जिसके परिणामस्वरूप बाहरी बलों के बिना कॉम्पैक्ट संबंध होता है।

जबकि विकसित विधि सीधी, समय की बचत करने वाली है, और नैनोपेपर पर पंप-मुक्त माइक्रोचैनल बनाते समय संदूषण को कम करती है, फिर भी सीमाएं हैं। लेजर काटने की सटीकता PTFE मोल्ड्स की चौड़ाई को 200 माइक्रोन तक सीमित करती है, जिसके परिणामस्वरूप माइक्रोचैनल की प्राप्त करने योग्य परिशुद्धता 200 माइक्रोन तक सीमित हो जाती है। इस सीमा को दूर करने के लिए, भविष्य के प्रयासों में 3 डी प्रिंटिंग मोल्ड्स के लिए एक नैनो प्रिंटर को लागू करने की योजना बनाई गई है, जो 50 माइक्रोन की सटीकता प्राप्त करने की अपनी क्षमता का लाभ उठाती है। एक अन्य क्षेत्र जिसमें और सुधार की आवश्यकता है, वह है 3डी माइक्रोचैनल्स का निर्माण। जबकि 3 डी माइक्रोचैनल33,34 ने पीडीएमएस और नियमित पेपर-आधारित उपकरणों जैसी सामग्रियों का उपयोग करके बायोमेडिकल, रासायनिक और विद्युत पहचान में व्यापक उपयोग पाया है, नैनोपेपर पर 3 डी माइक्रोचैनल्स का निर्माण अभी भी एक उभरता हुआ क्षेत्र है। इस चुनौती को हल करने से नैनोपीएडी की उन्नति में महत्वपूर्ण योगदान मिलेगा।

इस अध्ययन ने एसईआरएस का पता लगाने के लिए रमन संवाददाताओं के रूप में अणुओं का उपयोग करने पर ध्यान केंद्रित किया। एसईआरएस प्रौद्योगिकी42 न्यूनतम अभिकर्मक उपयोग, उच्च चयनात्मकता, सरल नमूना तैयार करने और उत्कृष्ट स्थिरता सहित कई फायदे प्रदान करती है, जिससे यह जैव रासायनिक पहचान के लिए एक महत्वपूर्ण तरीका बन जाता है। डिज़ाइन किए गए नैनोपीएडी में एसईआरएस इम्यूनोएसे में संभावित अनुप्रयोग हैं। इसके अलावा, चयनात्मक और अनुरूप एसईआरएस प्लास्मोन में रुचि बढ़ रही है। चयनात्मक एसईआरएस का पता लगाने के लिए नैनोपीएडी पर इन प्लास्मोन को उत्पन्न करने के तरीकों की खोज नैनोपेपर के क्षेत्र में भविष्य के विकास के लिए एक रोमांचक एवेन्यू का प्रतिनिधित्व करती है।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

लेखक जियांग्सू उच्च शिक्षा (22KJB460033), और जिआंगसु विज्ञान और प्रौद्योगिकी कार्यक्रम - यंग स्कॉलर (BK20200251) के प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन के कार्यक्रमों से वित्तीय सहायता को स्वीकार करते हैं। यह काम आंशिक रूप से XJTLU AI यूनिवर्सिटी रिसर्च सेंटर, XJTLU में डेटा साइंस एंड कॉग्निटिव कम्प्यूटेशन के जियांग्सू प्रांत इंजीनियरिंग रिसर्च सेंटर और SIP AI इनोवेशन प्लेटफॉर्म (YZCXPT2022103) द्वारा भी समर्थित है। ओपन प्रोजेक्ट (SKLMS2023019) और बायोनिक इंजीनियरिंग की प्रमुख प्रयोगशाला, शिक्षा मंत्रालय के माध्यम से विनिर्माण प्रणाली इंजीनियरिंग के लिए राज्य कुंजी प्रयोगशाला से समर्थन को भी स्वीकार किया जाता है।

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

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References

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माइक्रोएम्बॉसिंग नैनोसेल्यूलोज पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक नैनोपेपर माइक्रोचैनल फैब्रिकेशन प्रक्रिया 3 डी प्रिंटिंग स्प्रे कोटिंग मैनुअल कटिंग और असेंबली प्लास्टिक माइक्रो-मोल्ड्स संदूषण संवेदनशीलता मिलीमीटर आकार के चैनल न्यूनतम चौड़ाई सुधार निर्माण पैरामीटर त्वरित-संदर्भ तालिका लामिना मिक्सर ड्रॉपलेट जनरेटर नैनोपैड्स रोडम
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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).

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