Microembossing: عملية ملائمة لتصنيع القنوات الدقيقة على الموائع الدقيقة القائمة على ورق النانو سليلوز

في الآونة الأخيرة ، ظهر ورق السليلوز النانوي (NFC) (nanopaper) كمادة ركيزة واعدة للغاية لمختلف التطبيقات مثل الإلكترونيات المرنة وأجهزة الطاقة والطبية الحيوية¹،^2،3،4. مشتق من النباتات الطبيعية ، الورق النانوي فعال من حيث التكلفة ، ومتوافق حيويا ، وقابل للتحلل البيولوجي ، مما يجعله بديلا جذابا لورق السليلوز التقليدي ^5,6. تشمل خصائصه الاستثنائية سطحا أملسا للغاية مع خشونة سطح أقل من 25 نانومتر وهيكل مصفوفة السليلوز الكثيف ، مما يسمح بإنشاء هياكل نانوية عالية التنظيم⁷. تساهم مجموعات الهيدروكسيل الوفيرة من الورق النانوي في بنية النانو سليلوز المدمجة والمعبأة بإحكام⁸. يعرض Nanopaper شفافية بصرية ممتازة والحد الأدنى من الضباب البصري ، مما يجعله مناسبا تماما لأجهزة الاستشعار البصرية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المحبة للماء المتأصلة تتيح التدفق بدون مضخة ، حتى مع هيكلها السميك ، مما يوفر حركة سائلة مستقلة ^9,10. يحتوي Nanocellulose على تطبيقات متنوعة في أجهزة الاستشعار البيولوجية ، والأجهزة الإلكترونية الموصلة ، ومنصات زراعة الخلايا ، والمكثفات الفائقة ، والبطاريات ، وأكثر من ذلك ، مما يعرض تعدد استخداماته وإمكاناته^11,12. على وجه الخصوص ، يعد النانوسليلوز واعدا لأجهزة الموائع الدقيقة التحليلية الورقية (μPADs) ، مما يوفر مزايا فريدة على ورق الكروماتوغرافيا التقليدي.

في العقد الماضي ، حققت μPADs اهتماما كبيرا بسبب قدرتها على تحمل التكاليف ، والتوافق الحيوي ، والتشغيل الخالي من المضخات ، وسهولة الإنتاج^13,14. ظهرت هذه الأجهزة كأدوات تشخيصية فعالة في نقاط الرعاية ، لا سيما في البيئات المحدودة الموارد¹⁵،^16،17. كان التقدم الكبير في هذا المجال هو تطوير الطباعة بالشمع ، الذي ابتكره جورج وايتسايد¹⁸ ومجموعة Bingcheng Lin¹⁹ ، مما مكن من إنشاء μPADs وظيفية من خلال دمج القنوات الدقيقة على ورق الكروماتوغرافيا. بعد ذلك ، تطورت μPADs بسرعة ، وتم تنفيذ تقنيات الاستشعار الحيوي المختلفة ، بما في ذلك الطرق الكهروكيميائية 20 ، والتلألؤ الكيميائي 21 ، ومقايسة الممتز المناعي المرتبط بالإنزيم (ELISA) ²²،23،24 ، بنجاح للكشف عن المؤشرات الحيوية المتنوعة مثل البروتينات 25،26 ، الحمض النووي 27،28 ، الحمض النووي^{الريبي 29}،^{30 ،} و إكسوسومات³¹. على الرغم من هذه الإنجازات ، لا تزال μPADs تواجه تحديات ، بما في ذلك سرعات التدفق البطيئة وتبخر المذيبات.

تم اقتراح عدة طرق لإنشاء قنوات دقيقة على الورق^{النانوي 32}،^33،34. يتضمن أحد الأساليب طباعة المكونات القربانية ثلاثية الأبعاد في المادة ، ولكنه يتطلب طلاءا كارها للماء يحد من التشغيل بدون مضخة³³. تتضمن تقنية أخرى تكديس طبقات القناة يدويا بين صفائح الورق النانوي باستخدام الغراء ، وهو أمر كثيف العمالة³². بدلا من ذلك ، يمكن لألياف نانوسليلوز المطلية بالرش على قوالب منقوشة مسبقا إنشاء قنوات دقيقة ، ولكنها تنطوي على تحضير قالب مكلف^{ويستغرق وقتا طويلا 34}. والجدير بالذكر أن هذه الطرق تقتصر على القنوات الدقيقة على نطاق المليمتر ، مما يضر بمزايا أجهزة الموائع الدقيقة فيما يتعلق باستهلاك حجم الكاشف وتكامله. لا يزال تطوير عملية نقش القنوات الدقيقة البسيطة للورق النانوي بدقة مقياس ميكرومتر يمثل تحديا.

تقدم هذه الدراسة طريقة فريدة لنقش القنوات الدقيقة للورق النانوي تعتمد على النقش الدقيق العملي. يوفر هذا النهج العديد من المزايا مقارنة بالطرق الحالية ، لأنه لا يتطلب معدات باهظة الثمن أو متخصصة ، وهو بسيط وفعال من حيث التكلفة ودقيق للغاية. يتم تصنيع قالب محدب microchannel عن طريق قطع فيلم polytetrafluoroethylene (PTFE) بالليزر ، والمعروف بخموله الكيميائي وخصائصه غير اللاصقة. ثم يتم استخدام هذا القالب لنقش القنوات الدقيقة على غشاء هلام نانووري. يتم تطبيق طبقة ثانية من هلام الورق النانوي في الأعلى لإنشاء قنوات مجوفة مغلقة. باستخدام تقنية الزخرفة هذه ، يتم تطوير أجهزة الموائع الدقيقة الأساسية على الورق النانوي ، بما في ذلك الخلاط الصفحي ومولد القطيرات. بالإضافة إلى ذلك ، تم إثبات تصنيع مجهر رامان المعزز بالسطح (SERS) NanoPADs. يتم تحقيق إنشاء ركيزة SERS القائمة على الجسيمات النانوية الفضية في الموقع من خلال إدخال اثنين من الكواشف الكيميائية (AgNO₃ و NaBH₄) في القنوات ، مما يؤدي إلى أداء رائع مع حدود منخفضة للكشف (LODs).