狭缝孔几何中毛细金香桥的制造和可视化
2014年1月9日
介绍了在狭缝孔几何中创建和成像毛细金桥的程序。毛细管桥的创建依赖于柱子的形成，以提供定向物理和化学异质性来固定流体。 毛细金桥使用微舞台形成和操作，并使用 CCD 摄像机进行可视化。
该程序的总体目标是在狭缝不良的几何形状中形成毛细管桥并对其进行成像。这是通过首先使用标准照相光刻模具制作长凸起的 PDMS 柱基板来实现的。第二步是功能化柱子的顶部，使用压印转移光刻和自组装单层在顶部和侧面之间引入润湿对比。
接下来，将两个支柱面对面放置在四轴微型平台装置中。平移和旋转自由度使研究者能够正确对齐两个相对的柱子，并在实验过程中控制柱子之间的分离。最后一步是在两个凸起的柱子之间引入液体，并使用 CCD 相机对产生的毛细管桥进行成像。
随着狭缝浇注高度的变化，最终随着狭缝浇注高度的增加，液桥形态的变化被用来表明，随着狭缝浇注高度的增加，液桥的 lalo 压力从吸引变为排斥。尽管这种方法可以为理解部分固定润湿现象的特征提供见解。它还可以应用于倒装芯片设计、多孔材料中的石油回收和生物启发的粘附等问题。
在开始此程序之前，按照 Spinco SU eight 2002 将 4 英寸硅片用 piha 溶液清洁到水面上，以 500 RPM 的速度清洁 40 秒。接下来，将 Spinco SU 8 20 50 用两步式旋转编码器程序放在晶圆上，以 500 RPM 的速度运行 40 秒，然后以 1500 RPM 的速度运行一分钟。旋涂晶圆干燥后，在其上放置透明掩膜，然后将其放在紫外线灯下，以 200 瓦的功率照射 30 秒。
在 95 摄氏度的热板上干燥晶片后，将其放入 SU 8 显影液中并轻轻搅拌，直到去除所有未曝光的 SU 8。然后在异丙醇流中冲洗晶片 30 秒，并用氮气吹干。此时，使用一次性搅拌棒将 P-D-M-S-S 防护剂、180 4 碱与固化剂的质量比在烧杯中大力混合，将 PDMS 在真空室中混合，直到所有气泡消失。
将 SU 8 制造的模具放入一个 4 英寸的大塑料 Wang 培养皿中后，将 PDMS 混合物倒在上面。将模具和 PDMS 混合物脱气后，将整个培养皿放入 75 摄氏度的烤箱中至少两个小时。样品冷却至室温后，用直剃须刀片从 PDMS 上切下培养皿，从硅晶片上切下 PDMS。
然后从散装中取出带有柱子的 PDMS 区域，并将其储存在干净的培养皿中。将 20 纳米的金直接蒸发到干净的硅片上后，将其放入等离子体反应器中，并使用氧气等离子体在 300 milour 的压力下以 50 瓦的功率清洁 10 分钟。完成后，将晶片放入装有 200 个标准乙醇的 Pyrex 培养皿中至少 10 分钟。
从培养皿中取出晶片后，用乙醇冲洗，然后用氮气吹干。接下来，将先前制备的 MPTS 甲苯溶液以 500 RPM 的速度旋涂到晶片上 30 秒，然后以 2， 750 RPM 的速度旋涂 1 分钟。晶圆冲洗并干燥后，将其放入 Pyrex 培养皿中，该培养皿含有足够的 16 毫摩尔盐酸溶液，以完全浸没晶圆。
浸泡至少 5 分钟后，从溶液中取出晶片，然后用氮气吹干。然后将 PDMS 柱放入等离子室，在 300 milour 的压力和 50 瓦的功率下进行氧气等离子体 30 秒。从等离子体反应器中取出 PDMS 底物后，通过对每个底物施加轻压，将每个底物的背面绑定到干净的载玻片上。
翻转玻璃背衬 PDMS 基板，将支柱向下压到 MPTS 功能化金膜上。施加适度压力后，将大约 100 克的重物放在载玻片上，以确保保形接触至少 12 小时后，将每个 PDMS 衬底与晶圆分开，并使用直剃须刀片。如果 PDMS 基板卡住，则使用光学显微镜验证金膜没有开裂或沿柱没有缺失部件。
接下来，将 PDMS 底物浸入先前准备好的底物中。毫摩尔 MHA 二甲基亚砜溶液至少 24 小时。用去离子水冲洗并干燥后，使用两个柱状基板将 PDMS 基板放入压力小于 100 milour 的真空室中，在 25 摄氏度下放置至少 12 小时。
将一个放在四轴微型平台组件的顶部和底部支架中。使用侧面张紧螺钉固定基材。此时，通过将顶部基板阶段连接到面包板来组装器件，使顶部基板大致高于底部基板。
使用 x、y 和旋转旋钮将两个朝向的柱子之间的高度降低到大约 1 毫米。在底部基板阶段。对齐两个基材的金条，使它们平行。
然后，使用计算机屏幕上的实时摄像头馈送进一步定位摄像头以向下观察 PDMS 柱的长度，调整底部基板的位置，使柱子平行。然后，将相机移动到设备的另一侧并重复前两个步骤。使用实时摄像机馈送，减小两个支柱之间的间隔，直到顶部支柱与底部支柱接触。
然后将数字微型载物台归零，并将孔高增加到大约 200 微米。用机械夹将含有 80% 甘油水溶液的注射器安装到注射器 XY，Z 平移台上。然后调整注射器定位台上的千分尺，使 30 号针头适合狭缝倾倒。
减小狭缝倾倒高度，以便在将液体从注射器缓慢分配到狭缝倾倒后，顶部和底部表面轻轻接触针头。使用注射器定位台上的千分尺从狭缝孔中取出针头。实验装置可以分为四个主要部分。
顶部基板载物台、底部基板载物台、注射器 XY、Z 平移台以及相机光学元件和相机支架。有关实验装置的详细信息，请参阅文本协议 在将金转移到 PDMS 衬底时，将 PDMS 器件与硅晶片分开很重要。流畅而仔细地显示 这是成功转移后 A-P-D-M-S 柱与黄金的显微镜图像。
下图显示了由于转移不良而从晶圆中转移到支柱上的多余金箔。为了促进金膜的转移，可以使用锋利的安全剃须刀轻轻地从硅晶片上撬开 PDMS 柱的一个边缘。此外，应沿垂直于晶圆表面的方向拉动 PDMS 基板，以防止额外的金箔粘附在基板边缘。显示。
下图显示了如果 PDMS 基材经历显着的剪切或弯曲，则转移后金层中如何形成裂纹。制造过程完成后，通过测试其水接触角来验证 MHA 单层的质量非常重要。这里显示的是用 MHA 功能化后金 PDMS 衬底上的液态水滴。
PDMS 上的低接触角表示该过程成功。插图显示了在完成手术后，将液态水滴放置在其中一个凸起的柱子上。140 度接触角表明，物理和化学异质性的结合允许液滴固定在柱子的侧面。
一旦基板被制造并安装到微型载物台支架中，就可以使用注射器 XY、Z 平移平台填充通道，此处显示的平台是一个填充的狭缝孔，其透视垂直于图中柱的宽度。这是与第一个图像正交的透视，它垂直于狭缝孔的长度。从与第二张图片相同的角度显示填充通道的过程，在填充阶段从注射器中分配液体至关重要。
缓慢地，突然大流速产生的力可以将液体从支柱顶部深深固定，使其扩散到疏水性 PDMS 区域。如果发生这种情况，则必须在重复填充过程中清洁和干燥基材。看完这个视频，你应该对如何形成 PDMS 支柱有了很好的了解。
用自组装的单层将它们功能化，并将它们对齐以形成毛细管桥。不要忘记，使用 piran 可能非常危险，并且需要采取预防措施，例如使用有效的通风橱。护目镜是一种面罩。
执行此程序时，应使用全氯丁橡胶手套的实验室外套。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概览
本文介绍了在狭缝孔隙几何形状中创建和成像毛细桥的程序。该方法涉及形成可以为流体提供方向性物理和化学异质性的支柱，以固定流体，从而允许操纵和可视化毛细桥。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 生物物理学
- 流体动力学
背景
- 毛细桥在各种生物和物理过程中很重要。
- 了解这些桥的形成和操作可以为材料科学和生物学带来见解。
- 使用微舞台允许在实验过程中进行精确控制。
- 可视化这些桥对于分析它们的特性至关重要。
研究目的
- 开发一种可靠的方法来形成毛细桥。
- 能够成像这些结构以进行进一步分析。
- 探索支柱设计对流体行为的影响。
使用的方法
- 使用光刻技术创建长的凸起PDMS支柱基底。
- 功能化支柱顶部以创建湿润对比。
- 使用四轴微舞台设备对齐支柱。
- 在支柱之间引入液体并使用CCD相机进行成像。
主要结果
- 成功形成了对齐支柱之间的毛细桥。
- 展示了对支柱分离和对齐的控制。
- 毛细桥的可视化提供了流体动力学的见解。
- 该方法可以应用于各种实验设置。
结论
- 该程序有效地创建和成像了毛细桥。
- 研究结果可以增强对受限几何形状中流体行为的理解。
- 这种技术在研究和工业中都有潜在应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
Capillary bridge formation and visualization in slit-pore geometry enables precise study of fluid interface behavior under controlled physical and chemical heterogeneity. This capability is strategically relevant for biopharma R&D teams investigating microfluidic phenomena, adhesion mechanisms, and wetting dynamics in engineered systems. The method supports predictive confidence in early-stage device prototyping and materials assessment for applications such as bio-inspired adhesion and microfluidic chip design.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of fluid interface stability and wetting phenomena relevant to device and assay development.
- Supports mechanistic de-risking by clarifying the role of physical and chemical heterogeneity in interface pinning.
- Facilitates predictive assessment of material and surface modifications for functional device integration.
Screening & Assay Development
- Provides a validated platform for reproducible formation of capillary bridges in microfluidic and surface-based assays.
- Enables quantitative imaging and morphological characterization of fluid interfaces for assay standardization.
- Supports scalability and platform reuse by allowing controlled variation of geometry and surface chemistry.
Translational & Preclinical Research
- Offers insight into adhesion and wetting relevant to bio-inspired device design and preclinical model systems.
- Facilitates continuity from discovery-stage material evaluation to preclinical device prototyping.
- Supports risk-adjusted advancement of microfluidic and adhesion-based technologies.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery-to-prototyping continuum for microfluidic devices, adhesion platforms, and surface engineering workflows.
- Discovery Biology: Clarifies fluid interface behavior and pinning mechanisms for hypothesis-driven device design.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative morphological outputs for comparative evaluation of surface modifications.
- Analytics: Provides high-resolution imaging and measurement of capillary bridge morphology for data-driven decision making.
- Translational Research: Bridges early discovery findings to preclinical device and material validation.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable experimental platform for iterative testing of new materials and geometries.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in fluid interface engineering and device material selection.
- Operational Value: Standardizes fabrication and imaging workflows for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions for device and material advancement, reducing late-stage technical risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of microfluidic and adhesion-based technology platforms.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfabrication, surface chemistry, and precision alignment.
- Demands access to photolithography, plasma treatment, and high-resolution imaging infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization of fabrication and imaging protocols for reproducibility.
- Adaptation across different pillar geometries and surface chemistries may require protocol optimization.
- Careful handling is needed to avoid defects in gold transfer and monolayer formation, as supported by source observations.
