日期：
2023-03-06 22:07:22
来源：化学与材料科学收集 编辑：化学与材料科学
纳米纤维素纸 (nanopaper，后文简称“纳米纸”) 是一种具有广阔前景的新兴纸基微流体基底材料。由于其具有超光滑表面、高光学透明度、纳米级孔隙率和可调的化学性质而备受关注。近年来，基于纳米纸的微流体研究进展迅速。然而，在纳米纸上制造微通道图案的技术（如 3D 打印、喷涂、手动切割和粘贴）仍存在一定局限性且通道尺度仅限于毫米级。 近期，西交利物浦大学宋鹏飞课题组在《ACS Applied Materials &
Interfaces》期刊上发表了题为"Facile Microembossing Process for
Microchannel Fabrication for Nanocellulose-Paper-Based Microfluidics" 的文章。
该课题组首次报道了一种利用微型塑料模具进行微压印工艺的简单操作，将纳米纸微通道图案化至200 μm，优于现有方法4倍且节约时间（<45分钟）。此外，该课题组还优化了图案化参数，并提供了一个快速查找表作为应用开发指南。作为概念验证，该组首先展示了两种功能性纳米纸基分析装置（NanoPAD），其分别基于葡萄糖光学比色和表面增强拉曼光谱（SERS）,并表现出优异的性能和检测限（葡萄糖为 2 mM，RhB 为 19fM）。 图1：在纳米纸上图案化微通道的微压印工艺示意图。（a） 微压印工艺包括六个步骤：模具准备、纳米纸过滤、压印、脱模、粘合和干燥。（b） 微压印工艺的横截面图。 文章展示的微压印工艺如图1所示，主要包括六个步骤：（i）以聚四氟乙烯（Teflon，“特氟龙”）薄膜为材料，通过激光切割制作凸面微通道模具。(ii) 将TEMPO-NFC凝胶悬浮液进行真空过滤，获得纳米纸凝胶。(iii 和 iv)在优化的压印压力和温度下使用特氟龙模具将纳米纸凝胶压印一段时间，并进行脱模。(v 和 vi) 为了形成功能性 NanoPAD的中空微通道，从滤膜上剥离一层额外的纳米纸凝胶，并使其附着在压纹纳米纸凝胶层上。两层纳米纸凝胶在干燥箱中通过纳米纤维扩散自发结合。NanoPAD具有良好的密封性能，可以有效避免侧向流体泄漏。整个制作过程小于 45 分钟（包括 30 分钟的干燥时间）。 图2：微通道压印的优化。（a，b）压印压力和（c，d）干燥温度分别对宽度和深度上制造精度的影响。纳米纸基微流体装置的（e）通道宽度和（f）深度的设计指南（n=5）。（目标：预期的微通道宽度和深度；获得：制造的微通道宽度和深度；设计：特氟龙模具的宽度和深度。） 在制造中，有许多参数影响压印微通道的尺寸精度。其中，压印压力和干燥温度是两个主要的加工参数。该课题组对其进行了研究和优化，以提高所获得的微通道的尺寸精度。首先，如图2a, b所示，该组研究了压印压力，发现较高的压印压力 (250–1000 kPa) 在宽度和深度的系列设计上提供了更好的制造精度。此外，他们还发现较高的干燥温度(25–100 °C) 具有更好制造精度，结果如图2c,
d所示。然而，一旦温度超过75°C，凝胶就会起皱并且透光率降低，这损害了其光学传感表现。因此，经以上研究，优化后的压印参数确定为750 kPa 和 75 °C。为方便应用开发，该组还提供了一个快速查找表（设计与获得的尺寸参数）作为指南。该表数据涵盖了微流控器件的常见宽度（200-2000 μm）和深度（10-50
μm）组成。如图2e, f所示，可以看出设计和获得的尺寸遵循线性一阶函数关系。这为设计和制造预期尺寸的中空通道提供了参考。 图3：葡萄糖比色检测。（a） 葡萄糖比色检测原理示意图。（b） 作为葡萄糖浓度函数的比色灰度强度的校准曲线（n=5）。（c）照片显示了在不同浓度的葡萄糖下反应10分钟后中空通道中的比色信号。 图4：基于SERS的罗丹明B和三聚氰胺检测。（a）浓度为100 fM至10μM的罗丹明B的拉曼光谱。（b） 罗丹明B的校准曲线。（c） 浓度为0.5μg/mL至50μg/mL的三聚氰胺的拉曼光谱。（d）三聚氰胺的校准曲线。 该课题组开发了光学比色传感器和表面增强拉曼光谱的NanoPADs。葡萄糖比色检测利用双酶系统（葡萄糖氧化酶和I型过氧化物酶）放大颜色信号。经测算，葡萄糖检测的最低检测限为 2 mM。这不仅证明了开发的NanoPADs在比色传感应用中具有可行性，而且其与传统的以玻璃或聚二甲硅氧烷（PDMS）等为透明基板的微流控设备相比具有相同的灵敏度，并保持了成本效益和环境友好的优势。 为了展示开发的NanoPADs在实际中的应用，该课题组选择了常见的环境污染物和低毒性有机化学物质——罗丹明B和三聚氰胺作为传感示例。将罗丹明B分子直接与乙醇混合，三聚氰胺与奶粉混合。经测算，罗丹明B和三聚氰胺的最低检测限分别为19fM和0.38 μg/mL，拉曼增强因子计算为1.34×109 。这与以玻璃或 PDMS
(拉曼增强因子>106 ) 等为透明基板的微流控设备相比，在高灵敏度光学传感应用方面更胜一筹。该课题组希望这些新的微通道制造方法将在纳米纸基微流体化学和生物医学传感等新兴领域激发新的设计和应用。 本文的主要作者为在读博士研究生袁文雯，以及在读本科生苑航，通讯作者为西交利物浦大学宋鹏飞助理教授与林永义教授，以及多伦多大学Xinyu Liu院士；西交利物浦大学宋鹏飞课题组的主要研究方向为微纳米自动化与机器人、微流体纳米生物传感器、纸基微流体芯片等。 化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：chem@chemshow.cn
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