Mikro Kabartma: Nanoselüloz Kağıt Bazlı Mikroakışkanlar Üzerinde Mikrokanalların Üretilmesi İçin Uygun Bir İşlem

Özet

Bu protokol, nanofibrillenmiş selüloz kağıt üzerinde mikro kanallar üretmek için basit mikro kabartma işlemleri için uygun plastik mikro kalıpları kullanan ve minimum 200 μm genişliğe ulaşan basit bir işlemi açıklar.

Özet

Nanofibrillenmiş selülozdan elde edilen nanokağıt, mikroakışkan uygulamalar için umut verici bir malzeme olarak büyük ilgi görmüştür. Çekiciliği, son derece pürüzsüz bir yüzey, olağanüstü optik şeffaflık, nano ölçekli gözenekliliğe sahip tek tip bir nanofiber matris ve özelleştirilebilir kimyasal özellikler dahil olmak üzere bir dizi mükemmel özellikte yatmaktadır. Nanokağıt bazlı mikroakışkanların hızlı büyümesine rağmen, pratik uygulamalar için çok önemli olan 3D baskı, sprey kaplama veya manuel kesme ve montaj gibi nanokağıt üzerinde mikrokanallar oluşturmak için kullanılan mevcut teknikler, özellikle kontaminasyona duyarlılık gibi belirli sınırlamalara sahiptir. Ayrıca, bu yöntemler milimetre boyutundaki kanalların üretimi ile sınırlıdır. Bu çalışma, nanokağıt üzerinde mikro kanallar üretmek için basit mikro kabartma işlemleri için uygun plastik mikro kalıpları kullanan ve minimum 200 μm genişliğe ulaşan basit bir süreç sunmaktadır. Geliştirilen mikro kanal, mevcut yaklaşımlardan daha iyi performans göstererek dört kat iyileştirme sağlıyor ve 45 dakika içinde üretilebiliyor. Ayrıca, üretim parametreleri optimize edilmiştir ve uygulama geliştiricileri için uygun bir hızlı referans tablosu sağlanmıştır. Yüzeyde geliştirilmiş Raman spektroskopisi kullanılarak Rhodamine B algılaması için tasarlanmış bir laminer karıştırıcı, damlacık üreteci ve fonksiyonel nanokağıt tabanlı analitik cihazlar (NanoPAD'ler) için kavram kanıtı gösterildi. Özellikle, NanoPAD'ler, gelişmiş algılama sınırları ile olağanüstü performans sergiledi. Bu olağanüstü sonuçlar, nanokağıdın üstün optik özelliklerine ve NanoPAD'lerin entegrasyonunu ve ince ayarını sağlayan yakın zamanda geliştirilen doğru mikro kabartma yöntemine bağlanabilir.

Giriş

Son zamanlarda, nanofibrillenmiş selüloz (NFC) kağıdı (nanokağıt), esnek elektronik, enerji cihazları ve biyomedikal 1,2,3,4 gibi çeşitli uygulamalar için oldukça umut verici bir substrat malzemesi olarak ortaya çıkmıştır. Doğal bitkilerden elde edilen nano kağıt, uygun maliyetli, biyouyumlu ve biyolojik olarak parçalanabilir, bu da onu geleneksel selüloz kağıda ^5,6 çekici bir alternatif haline getirir. İstisnai özellikleri arasında, 25 nm'den daha az yüzey pürüzlülüğüne sahip ultra pürüzsüz bir yüzey ve yüksek düzeyde yapılandırılmış nanoyapıların^{oluşturulmasına} izin veren yoğun bir selüloz matris yapısı bulunur 7. Nanokağıdın bol hidroksil grupları, kompakt ve sıkıca paketlenmiş nanoselüloz yapısına^{katkıda bulunur 8}. Nanopaper, mükemmel optik şeffaflık ve minimum optik bulanıklık sergiler, bu da onu optik sensörler için çok uygun hale getirir. Ek olarak, doğal hidrofilikliği, kalın yapısıyla bile pompasız akış sağlar ve otonom akışkan hareketi^{sağlar 9,10}. Nanoselüloz, biyolojik sensörlerde, iletken elektronik cihazlarda, hücre kültürü platformlarında, süper kapasitörlerde, pillerde ve daha fazlasında çeşitli uygulamalara sahiptir ve çok yönlülüğünü ve potansiyelini sergiler^11,12. Özellikle nanoselüloz, kağıt bazlı analitik mikroakışkan cihazlar (μPAD'ler) için umut vericidir ve geleneksel kromatografi kağıdına göre benzersiz avantajlar sunar.

Son on yılda, μPAD'ler satın alınabilirlikleri, biyouyumlulukları, pompasız çalışmaları ve üretim kolaylıkları nedeniyle önemli bir ilgi görmüştür^13,14. Bu cihazlar, özellikle kaynakların sınırlı olduğu ortamlarda etkili bakım noktası teşhis araçları olarak ortaya çıkmıştır^15,16,17. Bu alandaki önemli bir ilerleme, George Whitesides¹⁸ ve Bingcheng Lin grubu^19'un öncülük ettiği ve kromatografi kağıdına mikrokanallar ekleyerek fonksiyonel μPAD'lerin oluşturulmasını sağlayan mum baskının geliştirilmesiydi. Daha sonra, μPAD'ler hızla gelişti ve elektrokimyasal yöntemler 20, kemilüminesans²¹ ve enzime bağlı immünosorbent testi (ELISA)22,23,24 dahil olmak üzere çeşitli biyoalgılama teknikleri, proteinler 25,26, DNA'lar 27,28, RNA'lar ^29,30 ve Eksozomlar³¹. Bu başarılara rağmen, μPAD'ler hala yavaş akış hızları ve solvent buharlaşması gibi zorluklarla karşı karşıyadır.

Nanokağıt^32,33,34 üzerinde mikrokanallar oluşturmak için çeşitli yöntemler önerilmiştir. Bir yaklaşım, kurban malzemelerin malzemeye 3D yazdırılmasını içerir, ancak pompasız çalışmayı sınırlayan hidrofobik bir kaplama gerektirir³³. Başka bir teknik, emek yoğun olan yapıştırıcı kullanarak nano kağıt tabakaları arasında kanal katmanlarını manuel olarak istiflemeyi içerir³². Alternatif olarak, nanoselüloz liflerin önceden desenlenmiş kalıplara püskürtülerek kaplanması mikro kanallar oluşturabilir, ancak zaman alıcı ve pahalı kalıp hazırlığı gerektirir³⁴. Özellikle, bu yöntemler milimetre ölçekli mikrokanallarla sınırlıdır ve mikroakışkan cihazların reaktif hacim tüketimi ve entegrasyonu ile ilgili avantajlarından ödün verir. Mikrometre ölçeğinde çözünürlüğe sahip basit bir nanokağıt mikrokanal modelleme işlemi geliştirmek bir zorluk olmaya devam etmektedir.

Bu çalışma, pratik mikro kabartmaya dayalı benzersiz bir nanokağıt mikrokanal modelleme yöntemi sunmaktadır. Yaklaşım, pahalı veya özel ekipman gerektirmediği, basit, uygun maliyetli ve son derece doğru olduğu için mevcut yöntemlere göre çeşitli avantajlar sunar. Dışbükey bir mikrokanal kalıbı, kimyasal eylemsizliği ve yapışmaz özellikleri ile bilinen bir politetrafloroetilen (PTFE) filmin lazerle kesilmesiyle üretilir. Bu kalıp daha sonra mikrokanalları bir nanokağıt jel membran üzerine kabartmak için kullanılır. Kapalı içi boş kanallar oluşturmak için üstüne ikinci bir nano kağıt jel tabakası uygulanır. Bu modelleme tekniğini kullanarak, bir laminer karıştırıcı ve damlacık üreteci dahil olmak üzere nanokağıt üzerinde temel mikroakışkan cihazlar geliştirilmiştir. Ek olarak, yüzeyde geliştirilmiş Raman mikroskobu (SERS) NanoPAD'lerin üretimi gösterilmiştir. Gümüş nanopartikül bazlı bir SERS substratının yerinde oluşturulması, kanallara iki kimyasal reaktifin (_AgNO3 ve NaBH₄) eklenmesiyle elde edilir ve bu da düşük tespit limitleri (LOD'ler) ile dikkate değer bir performansla sonuçlanır.

Protokol

1. Nanokağıt üzerinde mikrokanal desenleme için mikro kabartma işlemi

1. Kalıp hazırlama
   NOT: Kalıp hazırlama ile ilgili ayrıntılar için Yuan ve ^ark.12'ye bakın.
   1. Malzeme Tablosunda belirtildiği gibi bir PTFE filmi hazırlayın.
   2. Dışbükey bir mikrokanal kalıbı yapmak için hazırlanan PTFE filmi lazerle kesin (Şekil 1A-I).
      NOT: PTFE kalıbının boyutları, doğrusal birinci dereceden fonksiyon ilişkisinde mikrokanal boyutlarını (Şekil 2E,F) belirler.
2. Nano kağıt hazırlama
   1. 4.0 g (2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1-il)oksil (TEMPO)-oksitlenmiş NFC jeli (bkz. Malzeme Tablosu) damıtılmış suda (ağırlıkça %0.1 nihai konsantrasyon) dağıtın.
   2. Süspansiyonu, selüloz topakları görünmeyene kadar oda sıcaklığında 30 dakika boyunca 120.8 x g'da yoğun bir şekilde karıştırın.
   3. Bir nanokağıt jel elde etmek için şeffaf süspansiyonu vakumla filtreleyin (Şekil 1A-II).
      NOT: Bu örnekte elde edilen nanokağıt jelin çapı 4 cm'dir. NanoPAD'ler, farklı yarıçaplara sahip emme filtrasyon cihazları seçilerek çeşitli uygulamalar için uyarlanabilir ve NanoPAD'lerin farklı ölçeklerde tasarlanmasını sağlar.
3. Nanokağıt jelin kabartılması
   1. PTFE kalıbını nanokağıt jelin yüzeyine yerleştirin.
   2. Nanokağıt jeli (Şekil 1A-III) PTFE kalıbını kullanarak optimize edilmiş basınç ve sıcaklık altında her seferinde 10 dakika boyunca sıcak presle kabartın (Şekil 2A-D).
      NOT: Daha yüksek kabartma basıncı (250 kPa ila 1000 kPa) imalat doğruluğunu artırır ancak selüloz yapısına zarar vermemek için 1000 kPa'yı geçmemelidir. Daha yüksek kabartma sıcaklıkları (25-100 °C), dehidrasyonu ve dekarbürizasyonu teşvik ederek mikrokanal doğruluğunu artırır, ancak jel kırışmasını ve ışık geçirgenliğinin azalmasını önlemek için sıcaklıklar 75 °C'yi geçmemelidir⁷. Bu örnekte, optimize edilmiş kabartma parametreleri 750 kPa ve 75 °C idi.
4. Kalıp ayırma
   1. Filtre membranından ek bir filtre nanokağıt jel tabakası soyun (Şekil 1A-IV).
5. Yapıştırma
   1. Soyulmuş tabakayı, içi boş bir mikrokanal yapısı oluşturmak için iki tabakayı istifleyerek kabartmalı nanokağıt jel tabakasının üzerine yapıştırın (Şekil 1A-V).
      NOT: Elyaf süspansiyonu ve kurutulmuş nanokağıda kıyasla 'jel benzeri' nanokağıttaki daha güçlü hidrojen bağı, nanoselüloz elyafların dolaşmasını ve yapışmasını arttırır. Sonuç olarak, iki kat 'jel benzeri' nano kağıt, dış kuvvet olmadan kendi kendine difüzyon yoluyla sıkıca bağlanabilir.
6. Kurutma
   1. İki kat nanokağıt jeli yaklaşık 30 dakika boyunca 75 °C'de bir kurutma fırınına yerleştirin (Şekil 1A-VI).

2. Temel mikroakışkan cihazların yapımı

1. Laminer karıştırıcı yapımı
   1. NanoPAD'leri düz ve kavisli kanallara sahip hazırlayın (Şekil 3A) 1. adımı izleyerek.
      NOT: Bu örnekte kanalların boyutları 1 mm genişlik ve 50 μm derinliktir.
   2. Giriş bölgelerine aynı anda kırmızı ve mavi damlacıklar ekleyerek içi boş kanaldan otomatik olarak akışa izin verin.
      NOT: Kırmızı ve mavi çözeltilerin düz bir kanalda başarılı bağımsız akışı ve eğri kanalın sonunda karıştırılması, mikroakışkan cihazlardaki katmanların düşük Reynolds sayısına ve kesme gerilimi³⁵ tarafından indüklenen radyal akışa bağlanabilir.
2. Damlacık jeneratörü yapımı
   1. İki girişli NanoPAD'leri bir T-bağlantı kanalıyla hazırlayın (Şekil 3D) adım 1'e göre.
   2. Damlacıklar oluşturmak için T-bağlantı kanalının iki giriş bölgesine iki karışmayan sıvı olan su ve heksadekan (yağ) verin (Şekil 3E).
      NOT: Bu örnekte, T-bağlantı kanalının boyutları 1 mm genişlik, 25 mm uzunluk ve 50 μm derinliktir.
   3. Q_1'in hızını 6 μL/dk'ya ve Q_2'nin hızını n × Q 1'e (n =_1-6 ) sabitleyin. İki şırınga pompası kullanın ve su ve yağ enjekte etmek için bunları yukarıdaki hıza ayarlayın. Bu davranış, basit bir ölçeklendirme denklemi (aşağıda verilmiştir) tarafından yönetilir.
      NOT: Bu örnekte^{kanal 36'ya} yağ ve renkli su dökülmüştür.
      
      α = 1, β = 1 olduğunda, L uzunluk, W damlacık genişliği ve Q₁ ve Q₂ sırasıyla su ve heksadekanın akış hızlarıdır^37,38.

3. Yerinde AgNP büyümesi

1. NanoPAD'lerin hazırlanması
   1. Adım 4'e göre yakınsak bir algılama bölgesine sahip iki girişli NanoPAD'leri hazırlayın (Şekil 1A).
2. Ardışık iyonik tabaka adsorpsiyonu ve reaksiyon süreci
   1. 20 mM_AgNO3 çözeltisi ve 20 mM NaBH₄ çözeltisi hazırlayın (Malzeme Tablosuna bakın).
   2. 20 mM_AgNO3 çözeltisinin 5 μL'sini akış kanalının sol giriş bölgesine bırakın.
   3. _AgNO3 çözeltisinin reaksiyon bölgesinde 30 saniye kalmasına izin verin.
      NOT: 3.2.2 adımlarını tekrarlayın. ve 3.2.3. AgNP'lerin aglomerasyon olmadan düzgün dağılımını sağlamak için beş kez, bu da daha yüksek bant yoğunluğunu açıklayabilir.
   4. Durulama için akış kanalının sol giriş bölgesine 5 μL damıtılmış su damlatın.
      NOT: 3.2.4 adımını tekrarlayın. aşırı, adsorbe edilmemiş Ag iyonlarının yıkama yoluyla uzaklaştırılmasını sağlamak için üç kez.
   5. Akış kanalının sağ giriş bölgesine 5 μL 20 mM NaBH₄ çözeltisi ekleyin.
      NOT: Adım 3.2.5'i tekrarlayın. AgNP'ler reaksiyon bölgesinde eşit olarak üretilene kadar. 3. adımda yer alan kimyasal reaksiyonlar aşağıdaki formül³⁹ ile temsil edilir:
      
      
      Bu örnekte, NanoPAD'ler üzerinde yoğun, tekdüze, iyi yapılandırılmış AgNP dizileri oluşturulmuştur (Şekil 4B). AgNP'lerin ortalama çapı 55 nm idi (Şekil 4C).

4. SERS ölçümü

1. Raman spektroskopi sistemi hazırlığı
   1. Lazeri açın ve Raman spektrometresi için beraberindeki yazılımı başlatın (Malzeme Tablosuna bakın).
   2. Raman sinyallerini odaklamak ve toplamak için 50x objektif ve uyarma için 532 nm lazer kullanın.
   3. Doğru ölçüm için spektral çözünürlüğü 2 ^cm-1 olarak ayarlayın. Raman spektrum ölçüm aralığını 400 ^cm-1 ila 600 cm⁻¹ arasında ayarlayın.
   4. Raman spektrometresini bir silikon gofret¹² kullanarak kalibre edin.
      NOT: Adım 4.1'i gerçekleştirin. Adım 4.2 için.
2. Rhodamine B (RhB) ölçümü
   1. 1 mM RhB çözeltisi hazırlamak için 4.7 mg RhB'yi ( Malzeme Tablosuna bakınız) 10 mL etanol içinde çözün.
   2. 1 mM RhB çözeltisini etanol içinde seyrelterek 10 μM ila 0.1 pM arasında değişen konsantrasyonlarda bir dizi RhB çözeltisi hazırlayın.
   3. NanoPAD kanalının giriş bölgesine 5 μL RhB çözeltisi ekleyin ve kurumasını bekleyin.
      NOT: Adım 4.2.3'ü tekrarlayın. adım 4.2.2'de belirtilen farklı konsantrasyonlardaki RhB çözeltileri için.
   4. Uyarma süresini 10 s'ye, ızgarayı 2 ^cm-1'e ve döngü sayısını 1'e ayarlayın. Raman spektrum ölçüm aralığını 500 ^cm-1 ila 1800 cm⁻¹ arasında ayarlayın.
   5. Doğru odağı elde etmek için kaba odak vidasını ve ince odak vidasını ayrı ayrı ayarlayın, ardından konumu kaydetmek için durdur'a tıklayın.
   6. Ölçüme başlamak için başlat'a tıklayın.
   7. Ölçümleri yedi kez tekrarlayın ve toplanan verileri kaydedin.
   8. Lazeri kapatın.
3. Veri analizi
   1. Kaydedilen verileri veri analiz yazılımına aktarın (bkz.
   2. Kaydedilen verilerden ortalama spektrumu hesaplayın.
   3. Raman spektrumlarını çizmek için çizgi taslağı seçeneğini seçin.
   4. Spektrumların taban çizgisini ayarlamak için Peak analizör aracını kullanın.
   5. Nihai sonuçlar için spektrumları yumuşatmak için Sinyal işlemi - Pürüzsüz işlevini uygulayın.

Sonuçlar

Nanokağıt üzerinde mikrokanal desenleri oluşturmak için benzersiz bir yöntem, uygun mikro kabartma tekniği ile pratik plastik mikro kalıplar kullanılarak geliştirilmiştir. Özellikle, bu yöntem, mevcut yöntemlere kıyasla dört kat iyileşmeyi temsil eden 200 μm kadar küçük bir ölçekte mikrokanal modelleme gerçekleştirir^32,33,34. Desenleme parametrelerinde ince ayar yapıldıktan sonra, sağlanan yönergeler...

Tartışmalar

Bu çalışmanın ana odak noktası, nanokağıt üzerinde mikrokanallar üretmek için basit bir yöntem geliştirmektir. Bu zorluğun üstesinden gelmek için kalıp olarak PTFE kullanılarak etkili bir kabartma tekniği geliştirildi¹². Sıcaklık ve kabartma basıncını optimize ederek, NanoPAD'ler için güvenilir bir üretim süreci oluşturmak için bir dizi deney yapıldı. Ek olarak, NanoPAD'lerin farklı alanlardaki uygulamalarını ayarlamak için bir hızlı referans tablosunun kullan...

Malzemeler

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