Изготовление и визуализация капиллярных мостов в slit Pore геометрии
9 января 2014 г.
Представлена процедура создания и визуализации капиллярных мостов в геометрии щеле-поры. Создание капиллярных мостов опирается на образование столбов, чтобы обеспечить направленную физическую и химическую неоднородность для того, чтобы закрепить жидкость. Капиллярные мосты образуются и манипулируются с помощью микроступенчат и визуализируются с помощью камеры CCD.
Общая цель данной процедуры заключается в формировании и визуализации капиллярных мостиков в геометрии с узкими зазорами. Это достигается путем первоначального создания подложек с длинными приподнятыми столбиками из ПДМС с использованием стандартных фотолитографических форм. На втором этапе проводится функционализация верхней части столбиков для создания контраста смачиваемости между вершиной и боковыми поверхностями с помощью литографии методом переноса оттиска и самосборных монослоев.
Затем два столбика помещают друг напротив друга в устройство с четырех-осевым микроперемещением. Трансляционные и ротационные степени свободы позволяют исследователю точно выровнять два противоположных столбика и контролировать расстояние между ними в ходе эксперимента. Заключительным этапом является введение жидкости между двумя приподнятыми столбиками и получение изображения образовавшегося капиллярного мостика с помощью CCD-камеры.
Поскольку высота прорези для слива изменилась, в конечном итоге изменение морфологии жидкого мостика при увеличении высоты прорези используется для демонстрации того, что давление Лапласа в жидком мостике меняет знак с притягивающего на отталкивающее по мере увеличения высоты прорези. Хотя данный метод позволяет глубже понять характеристики явления частичного закрепления смачивания, он также может быть применен к таким задачам, как проектирование flip-chip соединений, извлечение нефти из пористых материалов и биомиметическая адгезия.
Перед началом данной процедуры очистите четырехдюймовую кремниевую пластину раствором piha, затем нанесите Spinco SU-8 2002 на поверхность путем центрифугирования в течение 40 секунд при 500 об/мин. Далее нанесите Spinco SU-8 2050 на пластину, используя двухэтапную программу центрифугирования: 40 секунд при 500 об/мин с последующей обработкой в течение одной минуты при 1500 об/мин. После высыхания пластины с нанесенным слоем наложите на нее прозрачную маску, поместите под ультрафиолетовую лампу и подвергните экспозиции в течение 30 секунд при мощности 200 Вт.
После высушивания пластины на нагревательном столе при температуре 95 °C поместите ее в раствор проявителя SU-8 и слегка встряхивайте до полного удаления непроэкспонированного SU-8. Затем промойте пластину струей изопропилового спирта в течение 30 секунд и высушите ее потоком азота. На этом этапе в стакане с помощью одноразовой палочки интенсивно перемешайте PDMS Guard 180 в массовом соотношении основы к отвердителю 10:1. Удалите пузырьки воздуха из PDMS в вакуумной камере до их полного исчезновения.
Поместив изготовленную форму из SU-8 в большую четырехдюймовую пластиковую чашку Петри, залейте её смесью PDMS. После дегазации формы и смеси PDMS поместите всю чашку в печь при температуре 75 °C минимум на два часа. Когда образец остынет до комнатной температуры, аккуратно отделите чашку от PDMS, а PDMS от кремниевой пластины с помощью лезвия бритвы.
Затем вырежьте из массива область PDMS с микростолбиками и поместите ее в чистую чашку Петри. После напыления слоя золота толщиной 20 nanometers непосредственно на чистую кремниевую пластину, поместите ее в плазменный реактор и очистите с помощью кислородной плазмы при давлении 300 milour и мощности 50 watts в течение 10 minutes. По завершении поместите пластину в чашку Петри из Pyrex, наполненную абсолютным этанолом (200 proof ethanol), минимум на 10 minutes.
После извлечения пластины из чашки промойте ее этанолом и просушите потоком азота. Затем нанесите методом центрифугирования предварительно приготовленный раствор MPTS в толуоле на пластину при 500 об/мин в течение 30 секунд, после чего увеличьте скорость до 2 750 об/мин на одну минуту. После промывки и сушки пластины поместите ее в чашку Петри из Pyrex, содержащую достаточное количество 16 мМ раствора соляной кислоты для полного погружения пластины.
После погружения продолжительностью не менее пяти минут извлеките пластину из раствора и просушите ее струей азота. Затем поместите столбики из PDMS в плазменную камеру и проведите обработку кислородной плазмой при давлении 300 milour и мощности 50 watts в течение 30 seconds. После извлечения подложек из PDMS из плазменного реактора прикрепите заднюю сторону каждой из них к чистому предметному стеклу, слегка прижав их.
Переверните подложки из ПДМС на стеклянной основе и прижмите столбики к функционализированным золотыми пленками МПТС. После приложения умеренного давления поместите на предметное стекло груз массой примерно 100 грамм для обеспечения конформного контакта. По прошествии не менее 12 часов отделите каждую подложку из ПДМС от пластины, используя лезвие бритвы. Если подложка из ПДМС прилипла, используйте оптический микроскоп, чтобы убедиться в отсутствии трещин в золотой пленке и в том, что части столбиков не отсутствуют.
Затем погрузите подложку из PDMS в предварительно приготовленный 1 мМ раствор MHA в диметилсульфоксиде минимум на 24 часа. После промывки деионизированной водой и высушивания поместите подложку из PDMS в вакуумную камеру при давлении менее 100 мТорр и температуре 25 °C минимум на 12 часов, используя две опорные подложки.
Поместите по одной подложке в верхний и нижний зажимы узла микропозиционера с четырьмя осями. Закрепите подложки с помощью боковых прижимных винтов. После этого соберите устройство, прикрепив верхний держатель подложки к оптическому столу так, чтобы верхняя подложка находилась примерно над нижней.
Используя ручки регулировки по осям x, y и поворота, уменьшите расстояние между двумя противоположными стойками примерно до одного миллиметра. На нижнем предметном столике выровняйте золотые полоски двух подложек так, чтобы они были параллельны.
Затем, используя изображение с камеры в режиме реального времени на экране компьютера, расположите камеру так, чтобы она была направлена вдоль столбика из PDMS; далее отрегулируйте положение нижнего субстрата так, чтобы столбики были параллельны. После этого переместите камеру на противоположную сторону устройства и повторите предыдущие два шага. Используя изображение с камеры в режиме реального времени, уменьшайте расстояние между двумя столбиками до тех пор, пока верхний столбик не коснется нижнего.
Затем обнулите показания цифрового микропереместителя и увеличьте высоту поры примерно до 200 micrometers. С помощью механического зажима закрепите шприц с 80% водным раствором glycerol на XY, Z трансляционном переместителе для шприца. Затем отрегулируйте микрометры на платформе позиционирования шприца так, чтобы игла калибра 30 gauge попала в прорезь поры.
Уменьшите высоту заливки щели так, чтобы верхняя и нижняя поверхности слегка касались иглы после медленного введения жидкости из шприца в отверстие для заливки. Используйте микрометры на платформе позиционирования шприца, чтобы извлечь иглу из поры щели. Экспериментальная установка состоит из четырех основных частей.
Верхний столик для подложки, нижний столик для подложки, шприцевой XY-переводчик, Z-переводчик, а также оптика камеры и держатель камеры. Подробности об экспериментальном устройстве см. в текстовом протоколе. При переносе золота на подложку из PDMS важно отделить устройство из PDMS от кремниевой пластины. Плавно и осторожно показано здесь. На микрофотографии изображен столбец из PDMS с золотом после успешного переноса.
На данном изображении показаны излишки золотой фольги с пластины, которые перенеслись на столбик из-за некачественного переноса. Чтобы облегчить перенос золотой пленки, можно использовать острое лезвие бритвы, чтобы аккуратно приподнять один край столбика из PDMS от кремниевой пластины. Кроме того, подложку из PDMS следует тянуть перпендикулярно поверхности пластины, чтобы предотвратить прилипание дополнительных фрагментов золотой фольги к краю подложки.
На данном изображении показано, как в слое золота после переноса могут образоваться трещины, если подложка из ПДМС подвергается значительному сдвигу или изгибу. После завершения процесса изготовления важно проверить качество монослоя MHA путем измерения краевого угла смачивания водой. Здесь показана капля жидкой воды на золотой подложке из ПДМС после функционализации с помощью MHA.
Низкий краевой угол на PDMS указывает на успешность процесса. На врезке показана капля жидкой воды, помещенная на один из возвышающихся столбиков после завершения процедуры. Краевой угол 140 градусов демонстрирует, что сочетание физической и химической неоднородностей позволяет капле закрепляться на боковых поверхностях столбиков.
После изготовления подложек и их установки в держатели микростолика каналы можно заполнить с помощью шприца. На данном изображении показана заполненная щелевидная пора в проекции, перпендикулярной ширине представленного столбика. Здесь представлена проекция, ортогональная первому изображению и перпендикулярная длине щелевидной поры. Процесс заполнения канала в той же проекции, что и на втором изображении, показан здесь; на этапе заполнения крайне важно дозировать подачу жидкости из шприца.
При слишком высокой скорости потока внезапно возникающая сила может сместить жидкость с вершины столбика, что приведет к ее растеканию по гидрофобным областям PDMS. Если это произойдет, подложки необходимо очистить, высушить и повторить процесс заполнения. После просмотра данного видео вы должны четко понимать процесс формирования столбиков из PDMS.
Функционализируйте их самоорганизующимися монослоями и выровняйте их для формирования капиллярных мостиков. Не забывайте, что работа с пираном может быть чрезвычайно опасной и требует таких мер предосторожности, как использование работающего вытяжного шкафа. Обязательно используйте защитные очки или защитный экран для лица.
При выполнении данной процедуры следует использовать лабораторный халат и неопреновые перчатки.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье представлен метод создания и визуализации капиллярных мостиков в геометрии щелевых пор. Метод основан на формировании столбиков, которые создают направленную физическую и химическую неоднородность для закрепления жидкости, что позволяет манипулировать капиллярными мостиками и визуализировать их.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронаука
- Биофизика
- Гидродинамика
Теоретические основы
- Капиллярные мостики играют важную роль в различных биологических и физических процессах.
- Понимание механизмов формирования и манипулирования этими мостиками может дать ценные сведения в области материаловедения и биологии.
- Использование микростоликов обеспечивает точный контроль в ходе экспериментов.
- Визуализация этих мостиков имеет решающее значение для анализа их свойств.
Цель исследования
- Разработать надежный метод формирования капиллярных мостиков.
- Обеспечить возможность визуализации этих структур для последующего анализа.
- Изучить влияние конструкции столбиков на поведение жидкости.
Используемые методы
- Создание подложек с высокими выступающими столбиками из PDMS с помощью фотолитографии.
- Функционализация вершин столбиков для создания контраста смачиваемости.
- Выравнивание столбиков с использованием четырех осевого микропозиционера.
- Введение жидкости между столбиками и получение изображений с помощью CCD-камеры.
Основные результаты
- Успешное формирование капиллярных мостиков между выровненными столбиками.
- Демонстрация контроля над разделением и выравниванием столбиков.
- Визуализация капиллярных мостиков позволяет получить представление о гидродинамике.
- Методология может быть применена к различным экспериментальным установкам.
Выводы
- Данная процедура позволяет эффективно создавать и визуализировать капиллярные мостики.
- Полученные результаты могут углубить понимание поведения жидкостей в ограниченных геометриях.
- Этот метод имеет потенциал применения как в исследовательских, так и в промышленных целях.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Формирование и визуализация капиллярного мостика в геометрии щелевой поры позволяют проводить точное исследование поведения границы раздела фаз жидкости в условиях контролируемой физической и химической неоднородности. Данная возможность имеет стратегическое значение для биофармацевтических исследований и разработок&Для исследовательских групп, изучающих микрофлюидные явления, механизмы адгезии и динамику смачивания в инженерных системах. Данный метод позволяет с высокой степенью достоверности прогнозировать результаты на ранних стадиях прототипирования устройств и оценки материалов для таких областей применения, как биомиметическая адгезия и проектирование микрофлюидных чипов.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях&D
Первичный поиск и валидация мишени
- Позволяет исследовать стабильность границы раздела фаз и явления смачивания, имеющие значение для разработки устройств и методов анализа.
- Способствует снижению механистических рисков путем выяснения роли физической и химической неоднородности в закреплении линии контакта.
- Облегчает прогностическую оценку модификаций материалов и поверхностей для интеграции в функциональные устройства.
Скрининг и разработка анализа
- Предоставляет валидированную платформу для воспроизводимого формирования капиллярных мостиков в микрофлюидных и поверхностных анализах.
- Обеспечивает количественную визуализацию и морфологическую характеристику интерфейсов жидкости для стандартизации анализа.
- Поддерживает масштабируемость и повторное использование платформы за счет возможности контролируемого изменения геометрии и химии поверхности.
Трансляционные и доклинические исследования
- Позволяет глубже понять механизмы адгезии и смачивания, имеющие значение для разработки биомиметических устройств и доклинических модельных систем.
- Обеспечивает преемственность между этапом оценки материалов при первичных исследованиях и прототипированием доклинических устройств.
- Способствует развитию микрофлюидных технологий и технологий на основе адгезии с учетом анализа рисков.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод интегрируется в общий цикл от поиска идей до создания прототипов микрофлюидных устройств, адгезионных платформ и процессов инженерии поверхностей.
- Фундаментальная биология: Разъясняет поведение интерфейса жидкости и механизмы закрепления (пиннинга) для разработки устройств на основе выдвинутых гипотез.
- Скрининг: Обеспечивает воспроизводимые количественные морфологические результаты для сравнительной оценки модификаций поверхности.
- Аналитика: Предоставляет изображения высокого разрешения и измерения морфологии капиллярного мостика для принятия решений на основе данных.
- Трансляционные исследования: Связывает результаты ранних открытий с доклинической валидацией устройств и материалов.
- Корпоративное повторное использование: Создает многоразовую экспериментальную платформу для итерационного тестирования новых материалов и геометрий.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает точность прогнозирования при проектировании межфазных границ жидкостей и выборе материалов для устройств.
- Операционная ценность: Стандартизирует процессы изготовления и визуализации для обеспечения воспроизводимости и масштабируемости.
- Стратегическая ценность: Помогает принимать решения о целесообразности дальнейшей разработки устройств и материалов, снижая технические риски на поздних этапах.
- Влияние на портфель: Поддерживает приоритизацию микрофлюидных и адгезионных технологических платформ с учетом рисков.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области микрофабрикации, химии поверхности и прецизионного совмещения.
- Необходим доступ к оборудованию для фотолитографии, плазменной обработки и визуализации высокого разрешения.
- Для обеспечения воспроизводимости необходима межкомандная стандартизация протоколов изготовления и визуализации.
- Адаптация метода под различные геометрии столбиков и химический состав поверхности может потребовать оптимизации протокола.
- Требуется осторожное обращение во избежание дефектов при переносе золота и формировании монослоя, что подтверждается данными наблюдений.
