マイクロエンボス加工:ナノセルロース紙ベースのマイクロ流体工学でマイクロ流路を作製するための便利なプロセス

要約

このプロトコルは、200μmの最小幅を達成する、ナノフィブリル化セルロース紙にマイクロチャネルを製造するために、簡単なマイクロエンボス加工操作に便利なプラスチックマイクロモールドを利用する簡単なプロセスについて説明します。

要約

ナノフィブリル化セルロースに由来するナノペーパーは、マイクロ流体用途の有望な材料として大きな関心を集めています。その魅力は、非常に滑らかな表面、優れた光透過性、ナノスケールの多孔性を持つ均一なナノファイバーマトリックス、カスタマイズ可能な化学的特性など、さまざまな優れた品質にあります。ナノペーパーベースのマイクロ流体工学が急速に成長しているにもかかわらず、3Dプリンティング、スプレーコーティング、手作業による切断や組み立てなど、ナノペーパー上にマイクロチャネルを作成するために使用される現在の技術は、実用化に不可欠であり、特に汚染に対する感受性など、特定の制限がまだあります。さらに、これらの方法はミリメートルサイズのチャネルの製造に限定されています。本研究では、簡便なマイクロエンボス加工に便利なプラスチックマイクロモールドを用いて、ナノペーパー上にマイクロ流路を作製し、最小幅200μmを実現する簡便なプロセスを紹介します。開発したマイクロ流路は、既存のアプローチを凌駕し、4倍の改善を達成し、45分以内に製造することができます。さらに、製造パラメータが最適化され、アプリケーション開発者に便利なクイックリファレンステーブルが提供されています。表面増強ラマン分光法を用いたローダミンBセンシング用に設計された層流ミキサー、液滴発生器、機能性ナノペーパーベースの分析デバイス(NanoPAD)の概念実証が行われました。特に、NanoPADは検出限界が改善され、並外れた性能を示しました。これらの優れた結果は、ナノペーパーの優れた光学特性と、最近開発された高精度のマイクロエンボス法に起因しており、ナノパッドの集積化と微調整を可能にしています。

概要

近年、ナノフィブリル化セルロース(NFC)紙(ナノペーパー)は、フレキシブルエレクトロニクス、エネルギーデバイス、バイオメディカルなどのさまざまな用途で非常に有望な基板材料として浮上しています1,2,3,4。天然植物由来のナノペーパーは、費用対効果が高く、生体適合性があり、生分解性があり、従来のセルロース紙の魅力的な代替品となっています^5,6。その優れた特性には、表面粗さが25nm未満の超平滑な表面と緻密なセルロースマトリックス構造が含まれ、高度に構造化されたナノ構造の作成を可能にします⁷。ナノペーパーの豊富なヒドロキシル基は、そのコンパクトで密集したナノセルロース構造に寄与しています⁸。ナノペーパーは、優れた光学的透明性と最小限の光学的ヘイズを示すため、光学センサーに適しています。さらに、その固有の親水性は、その厚い構造でもポンプフリーの流れを可能にし、自律的な^{流体運動を提供します9,10}

プロトコル

1. ナノペーパーへのマイクロ流路パターニングのためのマイクロエンボスプロセス

1. 金型の準備
   注:金型の準備の詳細については、Yuan et ^al.12 を参照してください。
   1. 材料表のとおりにPTFEフィルムを準備します。
   2. 準備したPTFEフィルムをレーザーカットして、凸型マイクロチャンネルモールドを作成します(図1A-I)。
      注:PTFEモールドの寸法は、線形の一次関数関係でマイクロチャネルの寸法(図2E、F)を決定します。
2. ナノペーパーの調製
   1. 4.0gの(2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-イル)オキシル(TEMPO)酸化NFCゲル( 材料表参照)を蒸留水(最終濃度0.1wt%)に分散させます。
   2. 懸濁液を120.8 x g で室温で30分間、セルロースフロックが見えなくなるまで激しく攪拌します。
   3. 透明な懸濁液を真空ろ過し、ナノペーパーゲルを得ます(図1A-II

ディスカッション

本研究の主な目的は、ナノペーパー上にマイクロ流路を作製する簡便な手法を開発することです。この課題に対処するために、PTFEを金型として使用して効率的なエンボス加工技術が考案されました¹²。温度とエンボス圧力を最適化することで、ナノパッドの信頼性の高い製造プロセスを確立するための一連の実験が行われました。さらに、クイックリファレンステーブルを?.......

資料

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