Inkjet printed surface chemistry modification of porous coatings for application as microfluidic analytical platforms
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2021-12-14
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2021
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
214 + app. 78
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 164/2021
Abstract
Printed microfluidic analytical devices can provide simple, mass producible assays, e.g. for medical diagnostics and environmental monitoring. Such devices typically consist of a permeable, porous base substrate, e.g. cellulosic paper, patterned hydrophobically to control flow of liquid samples. Reagents and/or catalysts within the substrate interact with sample, providing information of the contents, e.g. by colorimetric change or spectroscopically observable reaction products. This work explores inkjet printed surface modification of custom-designed pigment coatings intended as analytical device substrates. Pigment coatings, consisting of fine particles attached with binder, are commonly used on commercial printing papers, but have not been significantly studied as an analytical platform. However, suitably designed coatings would provide thin wicking layers, requiring only tiny reagent and sample volumes, with adjustable surface chemistries. Inkjet printing provides a non-contact method to deposit reagents or surface chemistry modifiers. The studied coatings consist of porous functionalised calcium carbonate (FCC) pigments and a variety of mainly organic binders. These coatings were printed with 2 custom-designed hydrophobising inks, controlling liquid flow within the hydrophilic coatings. Additionally, 5 polyelectrolyte inks were formulated to effect chromatographic separation of anionic and cationic compounds. Test patterns were developed for evaluating the effects of printing on coatings. Besides coating interactions, jettability studies were conducted on a series concentration of poly-diallyl dimethyl ammonium chloride (polyDADMAC) polyelectrolyte. Hydrophobic patterning was successfully conducted with the hydrophobising agents, alkyl ketene dimer (AKD) and polystyrene, with a significant amount of agent required to cover the high area pore surfaces sufficiently. Printed polyelectrolyte increased chromatographic separation for oppositely charged molecules, whilst decreasing the separation of similarly charged molecules. This effect depended on both sample concentration and the amount of polyelectrolyte, though saturation effects were observable for the latter. PolyDADMAC inks up to 10 w/w% were jettable under steady conditions, though the printhead nozzles were increasingly affected by evaporation as polyelectrolyte concentration increased. This work demonstrates that specialised pigment coatings can work as printed analytical platforms. Additional research is needed to provide more robust coatings and efficient printing. Inkjet deposited polyelectrolytes can adjust chromatographic separation on the coatings, and likely on other substrates, though possible re-dissolution and transport of non-adsorbed polyelectrolyte by elution needs to be considered.Painotekniikka mahdollistaa mikrofluidisten testien massatuotannon esimerkiksi lääketieteelliseen diagnostiikkaan tai ympäristön seurantaan. Tavallisesti testit koostuvat huokoisesta hydrofiilisesta alustasta, kuten selluloosapaperista, jota on hydrofobisoitu nesteen ohjaamiseksi. Alustaan lisätyt reagenssit ja/tai katalyytit reagoivat näytteen kanssa, antaen tietoa ominaisuuksista esimerkiksi värinmuutoksella tai tuottamalla spektrometrisesti havaittavia yhdisteitä. Työssä käsitellään analyyttisia testejä varten suunniteltujen pigmenttipäällysteiden pintakemian muokkausta mustesuihkutulostuksella. Pigmenttipäällysteet muodostuvat pienistä sideaineella yhteen liitetyistä mineraalihiukkasista. Pigmenttipäällysteitä käytetään yleisesti painopapereissa, mutta niitä ei ole juurikaan tutkittu analytiikkaa varten. Tarkoitukseen suunnitellut päällysteet tarjoavat hyvin ohuen, pintakemialtaan muokattavan testialustan. Ohuen rakenteen takia testeihin tarvitaan vain pieniä määriä reagensseja ja näytettä. Mustesuihkutulostuksella pintakemiaa voidaan muokata ja reagensseja annostella ilman painoyksikön ja alustan välistä kosketusta.Tutkitut pigmenttipäällysteet koostuivat funktionalisoidusta kalsiumkarbonaatista ja joukosta lähinnä orgaanisia sideaineita. Nesteen virtausta hallittiin tulostamalla kahta hydrofobisoivaa mustetta. Lisäksi tulostettiin viittä polyelektrolyytti-mustetta, jotka vaikuttivat anionisten ja kationisten yhdisteiden kromatografiseen erottumiseen. Tulostusta arvioitiin tarkoitusta varten suunnitelluilla testikuvioilla. Poly-diallyylidimetyyliammoniumkloridi (polyDADMAC) –pohjaisten musteiden tulostettavuutta analysoitiin polyelektrolyyttipitoisuuden suhteen. Nestettä ohjattiin tulostetuilla polystyreeni- ja alkyyliketeenidimeeri (AKD) -pohjaisilla musteilla onnistuneesti, joskin päällysteen huokosten peittämiseen tarvittiin suuria määrä hydrofobista ainetta. Polyelektrolyytit vaikuttivat kromatografisiin ominaisuuksiin lisäten vastakkaisesti varattujen molekyylien sekä vähentäen samankaltaisesti varattujen molekyylien erottumista. Erottumiseen vaikutti sekä testimolekyylien konsentraatio, että polyelektrolyyttien määrä, joskin jälkimmäisessä oli havaittavissa saturaatiota. PolyDADMAC-pohjaiset musteet olivat tulostettavissa 10 paino-% asti, mutta polyelektrolyytti-pitoisuuden noustessa korostuivat haihtumisen vaikutukset tulostinpään suuttimien toimintaan. Työssä osoitetaan, että pigmenttipäällysteet voivat toimia analytiikka-alustoina. Lisätutkimusta tarvitaan kestävämpien päällysteiden ja tehokkaampien painomenetelmien kehittämiseksi. Polyelektrolyyteillä voidaan muokata päällysteiden, ja todennäköisesti muiden alustojen, kromatografisia ominaisuuksia. Tosin uudelleen kostuessaan polyelektrolyytit voivat liueta ja siirtyä virtauksen mukana.Description
Defence is held on 29.3.2022 12:00 – 15:00
https://aalto.zoom.us/j/68609201115
Supervising professor
Gane, Patrick, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, FinlandThesis advisor
Gane, Patrick, Prof., Aalto University, FinlandBollström, Roger, Dr., Omya International AG, Switzerland
Keywords
inkjet printing, functional printing, functional coatings, capillary transport, hydrophobicity, microfluidics, polyelectrolytes, chromatography, mustesuihkutulostus, funktionaalinen painatus, funktionaaliset päällysteet, kapillaarivirtaus, hydrofobisuus, mikrofluidinen, polyelektrolyytit, kromatografia
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Koivunen, Risto; Jutila, Eveliina; Bollström, Roger; Gane, Patrick. 2016. Hydrophobic patterning of functional porous pigment coatings by inkjet printing. Microfluidics and Nanofluidics, volume 20, issue 6, article 83, 21 pages.
DOI: 10.1007/s10404-016-1747-9 View at publisher
-
[Publication 2]: Koivunen, Risto; Jutila, Eveliina; Bollström, Roger; Gane, Patrick. 2017. Inkjet printed polyelectrolyte patterns for analyte separation on inherently porous microfluidic analytical designs. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, volume 522, issue 1, pages 218-232.
DOI: 10.1016/j.colsurfa.2017.03.001 View at publisher
-
[Publication 3]: Koivunen, Risto; Jutila, Eveliina; Bollström, Roger; Gane, Patrick. 2019. Investigating chromatographic interactions in porous pigment coatings between inkjettable polyelectrolytes and model colorant solutions. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, volume 579, issue 1, article 123676, 13 pages.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201908154725DOI: 10.1016/j.colsurfa.2019.123676 View at publisher
-
[Publication 4]: Koivunen, Risto; Bollström, Roger; Gane, Patrick. 2020. Inkjet jettability and physical characterisation of water-ethanol solutions of low molecular weight sodium polyacrylate and poly-diallyl dimethyl ammonium chloride (polyDADMAC). AIP Advances, volume 10, issue 5, article 055309, 16 pages.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202008214844DOI: 10.1063/5.0006634 View at publisher