마이크로엠보싱: 나노셀룰로오스 종이 기반 미세유체역학에서 마이크로채널을 제작하기 위한 편리한 공정

요약

이 프로토콜은 간단한 마이크로 엠보싱 작업을 위해 편리한 플라스틱 마이크로 몰드를 사용하여 나노 피브릴화 셀룰로오스 종이에 마이크로 채널을 제작하여 최소 너비 200μm를 달성하는 간단한 프로세스를 설명합니다.

초록

나노피브릴화 셀룰로오스에서 추출한 나노페이퍼는 미세유체 응용 분야의 유망한 소재로 상당한 관심을 불러일으켰습니다. 그 매력은 매우 매끄러운 표면, 뛰어난 광학 투명성, 나노 스케일 다공성을 가진 균일한 나노섬유 매트릭스 및 맞춤형 화학적 특성을 포함한 다양한 우수한 품질에 있습니다. 나노 페이퍼 기반 미세 유체 공학의 급속한 성장에도 불구하고 실제 응용 분야에 중요한 3D 프린팅, 스프레이 코팅 또는 수동 절단 및 조립과 같이 나노 페이퍼에 마이크로 채널을 만드는 데 사용되는 현재 기술은 여전히 특정 한계, 특히 오염에 대한 민감성을 가지고 있습니다. 또한 이러한 방법은 밀리미터 크기의 채널 생산으로 제한됩니다. 이 연구는 간단한 마이크로 엠보싱 작업을 위해 편리한 플라스틱 마이크로 몰드를 사용하여 나노 종이에 마이크로 채널을 제작하여 최소 200μm의 너비를 달성하는 간단한 프로세스를 소개합니다. 개발된 마이크로채널은 기존 접근 방식을 능가하여 4배 개선을 달성했으며 45분 이내에 제작할 수 있습니다. 또한 제작 매개변수가 최적화되었으며 애플리케이션 개발자를 위한 편리한 빠른 참조 테이블이 제공됩니다. 표면 강화 라만 분광법을 사용하여 로다민 B 감지를 위해 설계된 층류 혼합기, 액적 발생기 및 기능성 나노페이퍼 기반 분석 장치(NanoPAD)에 대한 개념 증명이 시연되었습니다. 특히, NanoPAD는 향상된 검출 한계와 함께 탁월한 성능을 보여주었습니다. 이러한 뛰어난 결과는 나노페이퍼의 우수한 광학 특성과 최근에 개발된 정확한 마이크로 엠보싱 방법에 기인할 수 있으며, 이를 통해 NanoPAD의 통합 및 미세 조정이 가능합니다.

서문

최근 나노피브릴화 셀룰로오스(NFC) 종이(나노페이퍼)는 플렉시블 전자, 에너지 소자, 바이오메디컬 1,2,3,4 등 다양한 응용 분야에서 매우 유망한 기판 소재로 부상하고 있습니다. 천연 식물에서 추출한 나노페이퍼는 비용 효율적이고 생체 적합성이 있으며 생분해성이 있어 기존 셀룰로오스 종이 ^5,6에 대한 매력적인 대안입니다. 그 탁월한 특성에는 표면 거칠기가 25nm 미만인 매우 매끄러운 표면과 조밀한 셀룰로오스 매트릭스 구조가 포함되어 있어 고도로 구조화된 나노 구조를 생성할 수 있습니다⁷. 나노 페이퍼의 풍부한 수산기 그룹은 조밀하고 조밀하게 포장 된 나노 셀룰로오스 구조⁸에 기여합니다. 나노페이퍼는 우수한 광학 투명성과 최소한의 광학 헤이즈를 나타내므로 광학 센서에 매우 적합합니다. 또한 고유한 친수성은 두꺼운 구조에서도 펌프가 필요 없는 흐름을 가능하게 하여 자율적인 유체 운동 ^9,10을 제공합니다. 나노셀룰로오스는 생물학적 센서, 전도성 전자 장치, 세포 배양 플랫폼, 슈퍼 커패시터, 배터리 등 다양한 응용 분야에 적용되어 다목적성과 잠재력을 보여줍니다^11,12. 특히, 나노셀룰로오스는 종이 기반 분석 미세유체 장치(μPAD)에 유망하며 기존 크로마토그래피 종이에 비해 고유한 이점을 제공합니다.

지난 10년 동안 μPAD는 경제성, 생체 적합성, 펌프가 필요 없는 작동 및 생산 용이성으로 인해 상당한 주목을 받았습니다^13,14. 이러한 장치들은 특히 자원이 제한된 환경에서 효과적인 현장 진단 도구로 부상하고^{있다 15,16,17}. 이 분야의 중요한 발전은 George Whitesides(¹⁸)와 Bingcheng Lin 그룹⁽¹⁹)이 개척한 왁스 프린팅의 개발로, 크로마토그래피 종이에 마이크로채널을 통합하여 기능성 μPAD를 생성할 수 있게 되었습니다. 그 후, μPAD는 빠르게 발전하여 단백질 ^25,26, DNA^27,28, RNA ^29,30 및 엑소좀³¹. 이러한 성과에도 불구하고 μPAD는 느린 유속 및 용매 증발 등의 문제에 직면해 있습니다.

나노 페이퍼^32,33,34 상에 마이크로 채널을 생성하기위한 몇 가지 방법이 제안되었습니다. 한 가지 접근법은 희생 성분을 재료에 3D 프린팅하는 것을 포함하지만, 펌프가 필요 없는 작동을 제한하는 소수성 코팅을 필요로 한다(³³). 또 다른 기술은 접착제를 사용하여 나노 페이퍼 시트 사이에 채널 층을 수동으로 적층하는 것을 포함하는데, 이는 노동 집약적입니다³². 대안적으로, 나노셀룰로오스 섬유를 미리 패턴화된 몰드 상에 스프레이-코팅하는 것은 마이크로채널을 생성할 수 있지만, 이는 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 드는 몰드 제조를 수반한다⁽³⁴). 특히, 이러한 방법은 밀리미터 규모의 마이크로 채널로 제한되어 시약 부피 소비 및 통합과 관련된 미세 유체 장치의 이점을 손상시킵니다. 마이크로미터 단위의 분해능을 가진 간단한 나노페이퍼 마이크로채널 패터닝 공정을 개발하는 것은 여전히 어려운 과제입니다.

본 연구는 실용적인 마이크로엠보싱을 기반으로 한 독특한 나노페이퍼 마이크로채널 패터닝 방법을 제시합니다. 이 접근 방식은 고가의 특수 장비가 필요하지 않고 간단하고 비용 효율적이며 매우 정확하기 때문에 기존 방법에 비해 몇 가지 이점을 제공합니다. 볼록 마이크로채널 금형은 화학적 불활성 및 비점착 특성으로 알려진 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 필름을 레이저 절단하여 제작됩니다. 그런 다음 이 금형을 사용하여 마이크로채널을 나노페이퍼 겔 멤브레인에 엠보싱합니다. 나노 페이퍼 겔의 두 번째 층을 맨 위에 도포하여 닫힌 중공 채널을 만듭니다. 이 패터닝 기술을 사용하여 층류 믹서 및 액적 발생기를 포함한 나노 페이퍼의 기본 미세 유체 장치가 개발됩니다. 또한 표면 강화 라만 현미경(SERS) NanoPAD의 제조가 시연됩니다. 은 나노 입자 기반 SERS 기판의 현장 생성은 두 개의 화학 시약(_AgNO3 및 NaBH₄)을 채널에 도입하여 낮은 검출 한계(LOD)로 놀라운 성능을 제공합니다.

프로토콜

1. 나노 페이퍼에 마이크로 채널 패터닝을 위한 마이크로 엠보싱 공정

1. 금형 준비
   알림: 금형 준비에 대한 자세한 내용은 Yuan et ^al.12 를 참조하십시오.
   1. 재료 표에 표시된대로 PTFE 필름을 준비하십시오.
   2. 준비된 PTFE 필름을 레이저로 절단하여 볼록한 마이크로 채널 금형을 만듭니다(그림 1A-I).
      알림: PTFE 금형의 치수는 선형 1차 함수 관계에서 마이크로채널 치수(그림 2E,F)를 결정합니다.
2. 나노페이퍼 준비
   1. (2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-일)옥실(TEMPO)-산화된 NFC 겔( 재료표 참조) 4.0g을 증류수(최종 농도 0.1wt%)에 분산시킵니다.
   2. 셀룰로오스 플록이 보이지 않을 때까지 실온에서 120.8 x g 에서 30분 동안 현탁액을 심하게 저어줍니다.
   3. 투명 현탁액을 진공 여과하여 나노페이퍼 겔을 얻습니다(그림 1A-II).
      참고: 이 예에서 얻어진 나노페이퍼 겔의 직경은 4cm입니다. NanoPAD는 반경이 다른 흡입 여과 장치를 선택하여 다양한 응용 분야에 맞게 조정할 수 있으므로 다양한 규모의 NanoPAD를 설계할 수 있습니다.
3. 나노 페이퍼 젤의 엠보싱
   1. PTFE 몰드를 나노페이퍼 겔 표면에 놓습니다.
   2. PTFE 몰드를 사용하여 최적화된 압력과 온도에서 매번 10분 동안 열간 프레스로 나노페이퍼 겔(그림 1A-III)을 엠보싱합니다(그림 2A-D).
      알림: 엠보싱 압력이 높을수록(250kPa - 1000kPa) 제조 정확도가 향상되지만 셀룰로오스 구조의 손상을 방지하기 위해 1000kPa를 초과해서는 안 됩니다. 엠보싱 온도(25-100°C)가 높을수록 탈수 및 탈탄을 촉진하여 마이크로채널 정확도가 향상되지만, 겔 주름 및 광선 투과율 감소를 방지하기 위해 온도가 75°C를 초과해서는 안 된다^7. 이 예에서 최적화된 엠보싱 파라미터는 750kPa 및 75°C였습니다.
4. 곰팡이 방출
   1. 필터 멤브레인에서 필터 나노페이퍼 겔의 추가 층을 벗겨냅니다(그림 1A-IV).
5. 접합
   1. 나노페이퍼 겔의 엠보싱 레이어 위에 박리된 레이어를 부착하고 두 레이어를 적층하여 속이 빈 마이크로채널 구조를 만듭니다(그림 1A-V).
      참고: 섬유 현탁액 및 건조된 나노페이퍼에 비해 '겔 같은' 나노페이퍼의 더 강한 수소 결합은 나노셀룰로오스 섬유의 얽힘과 접착력을 향상시킵니다. 결과적으로, 두 층의 '젤 같은' 나노페이퍼는 외력 없이 자기 확산을 통해 단단히 결합될 수 있습니다.
6. 건조
   1. 두 겹의 나노페이퍼 겔을 75°C의 건조 오븐에 약 30분 동안 넣습니다(그림 1A-VI).

2. 기본 미세유체 소자 구축

1. 층류 믹서의 건설
   1. 1단계에 따라 직선 및 곡선 채널이 있는 NanoPAD를 준비합니다(그림 3A).
      참고: 이 예에서 채널의 치수는 너비 1mm, 깊이 50μm입니다.
   2. 입구 영역에 빨간색과 파란색 물방울을 동시에 추가하여 중공 채널을 통해 자동으로 흐를 수 있습니다.
      참고 : 직선 채널에서 적색 및 청색 용액의 성공적인 독립적 인 흐름과 곡선 채널 끝에서의 혼합은 미세 유체 장치에서 층의 낮은 레이놀즈 수와 전단 응력³⁵에 의해 유도 된 방사형 흐름에 기인 할 수 있습니다.
2. 액적 발생기 건설
   1. 1단계에 따라 T-접합 채널(그림 3D)이 있는 2-입구 NanoPAD를 준비합니다.
   2. 물과 두 개의 혼합되지 않는 액체인 헥사데칸(오일)을 T-접합 채널의 두 입구 영역에 주입하여 액적을 생성합니다(그림 3E).
      참고: 이 예에서 T-접합 채널의 치수는 너비 1mm, 길이 25mm, 깊이 50μm입니다.
   3. Q₁ 의 속도를 6μL/min으로 고정하고 Q₂ 의 속도를 n × Q 1(n =_1-6 )로 고정합니다. 두 개의 주사기 펌프를 사용하여 위의 속도로 설정하여 물과 오일을 주입합니다. 이 동작은 하나의 간단한 스케일링 방정식(아래 제공)에 의해 제어됩니다.
      알림: 이 예에서ample, 기름과 착색된 물을 채널³⁶에 부었다.
      
      여기서 α = 1, β = 1, L은 길이, W는 액적의 너비, Q₁ 및 Q₂는 물과 헥사 데칸의 유속입니다 (각각^37,38).

3. 현장 AgNP 성장

1. NanoPAD 준비
   1. 1단계에 따라 수렴 검출 영역(그림 4A)이 있는 2-inlet NanoPAD를 준비합니다.
2. 연속적인 이온층 흡착 및 반응 과정
   1. 20mM_AgNO3 용액 및 20mM NaBH4 용액을 준비합니다(재료 표 참조).
   2. 5 μL의 20 mM AgNO₃ 용액을 유동 채널의 왼쪽 입구 영역에 떨어뜨립니다.
   3. AgNO₃ 용액을 30초 동안 반응 영역에 유지합니다.
      참고: 3.2.2단계를 반복합니다. 및 3.2.3. 더 높은 밴드 강도를 설명할 수 있는 응집 없이 AgNP의 균일한 분포를 보장하기 위해 5번.
   4. 헹굼을 위해 5μL의 증류수를 유동 채널의 왼쪽 입구 영역에 떨어뜨립니다.
      알림: 3.2.4단계를 반복합니다. 세척을 통해 과도하고 흡착되지 않은 Ag 이온을 제거하기 위해 세 번.
   5. 20mM NaBH₄ 용액 5μL를 유동 채널의 오른쪽 입구 영역에 추가합니다.
      알림: 3.2.5단계를 반복합니다. AgNP가 반응 영역에서 고르게 생성될 때까지. 단계 3에 수반되는 화학 반응은 하기 화학식³⁹로 나타내어진다:
      
      
      이 예에서는 조밀하고 균일하며 잘 구조화된 AgNP 어레이가 NanoPAD에 형성되었습니다(그림 4B). AgNP의 평균 직경은 55nm였습니다(그림 4C).

4. SERS 측정

1. Raman 분광기 시스템 준비
   1. 레이저를 켜고 라만 분광기와 함께 제공되는 소프트웨어를 실행합니다( 재료 표 참조).
   2. 라만 신호의 초점을 맞추고 수집하기 위해 50x 대물렌즈를 사용하고 여기(excitation)를 위해 532nm 레이저를 사용합니다.
   3. 정확한 측정을 위해 스펙트럼 분해능을 ^2cm-1로 설정합니다. 라만 스펙트럼 측정 범위를 400cm-1에서 ^600cm-1로 설정합니다.
   4. 실리콘 웨이퍼¹²를 사용하여 라만 분광계를 보정합니다.
      참고: 4.1단계를 수행합니다. 4.2 단계.
2. 로다민 B(RhB) 측정
   1. 4.7mg의 RhB( 재료 표 참조)를 에탄올 10mL에 용해시켜 1mM RhB 용액을 제조합니다.
   2. 1mM RhB 용액을 에탄올에 희석하여 10μM에서 0.1pM 범위의 농도를 가진 일련의 RhB 용액을 준비합니다.
   3. RhB 용액 5μL를 NanoPAD 채널의 입구 영역에 추가하고 건조시킵니다.
      참고: 4.2.3단계를 반복합니다. 4.2.2 단계에 표시된 농도가 다른 RhB 용액의 경우.
   4. 여기 시간을 10초로, 격자를 ^2cm-1로, 사이클 수를 1로 설정합니다. 라만 스펙트럼 측정 범위를 500cm-1에서 1800cm-1로 설정합니다.
   5. 거친 초점 나사와 미세 초점 나사를 개별적으로 조정하여 적절한 초점을 얻은 다음 중지 를 클릭하여 위치를 저장합니다.
   6. 시작을 클릭하여 측정을 시작합니다.
   7. 측정을 7번 반복하고 수집된 데이터를 저장합니다.
   8. 레이저를 끕니다.
3. 데이터 분석
   1. 저장된 데이터를 데이터 분석 소프트웨어로 가져옵니다( 재료 표 참조).
   2. 저장된 데이터에서 평균 스펙트럼을 계산합니다.
   3. 선 구배 옵션을 선택하여 라만 스펙트럼을 플로팅합니다.
   4. 피크 분석기 도구를 사용하여 스펙트럼의 기준선을 설정합니다.
   5. 신호 프로세스 - 스무딩 기능을 적용하여 스펙트럼을 평활화하여 최종 결과를 얻을 수 있습니다.

결과

나노 페이퍼에 마이크로 채널 패턴을 만드는 독특한 방법은 편리한 마이크로 엠보싱 기술을 통해 실용적인 플라스틱 마이크로 몰드를 활용하여 고안되었습니다. 특히, 이 방법은 200μm의 작은 스케일에서 마이크로채널 패터닝을 달성하는데, 이는 기존 방법에 비해 4배 개선된 것이다(^32,33,34). 패터닝 매개변수를 미세 조정한 후...

토론

이 연구의 주요 초점은 나노 페이퍼에 마이크로 채널을 제조하는 간단한 방법을 개발하는 것입니다. 이 문제를 해결하기 위해 PTFE를 금형으로 사용하여 효율적인 엠보싱 기술이 고안되었습니다¹². 온도와 엠보싱 압력을 최적화하여 NanoPAD에 대한 신뢰할 수 있는 제조 공정을 확립하기 위해 일련의 실험을 수행했습니다. 또한 다양한 분야에서 NanoPAD의 응용 분야를 조정하기 위해 ?...

자료

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