Summary
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。
Abstract
介绍了在狭缝孔几何中创建和成像毛细金桥的程序。高纵横比疏水柱被制造和功能化，使其顶部表面亲水。物理特征（柱子）与化学边界（柱子顶部的亲水膜）的结合提供了物理和化学异质性，固定三重接触线，这是创建稳定长而窄的毛细管桥的必要特征。带有柱子的基板连接到玻璃滑梯上，并固定在定制支架上。然后，将支架安装在四轴微台上，并定位柱子并行并朝对方。毛细细金桥是在两个基材之间的间隙中引入流体形成的，一旦面柱之间的分离减少到几百微米。然后使用自定义微舞台来改变毛细细桥的高度。CCD 摄像机定位为毛细细桥的长度或宽度，以描述流体界面的形态。宽度低至250μm，长度可达70毫米的柱子是用这种方法制造的，导致毛细桥的纵横比（长度/宽度）超过1001。
Introduction
毛细细桥的形状和产生的力的研究一直是广泛研究的主题2-7。最初，由于其简单性，大多数努力都集中在轴对称毛细桥上。毛细管桥通常发生在自然系统中，例如在颗粒和多孔介质8，9中发现的桥和用于技术应用的桥梁，例如用于翻转芯片技术10-15 的毛细管自组装，与交互表面的非单位式润湿特性不对称。改进的平版印刷技术与简单数值工具的可访问性相结合，可模拟流体接口，从而能够创建和建模日益复杂的毛细细桥。
狭缝孔几何中的毛细管桥提供了一个有趣的妥协：定向润湿特性导致非轴对称桥保留一些对称平面（这简化了分析）。它们作为多孔介质的案例研究，在理论和数字上进行了研究。然而，对狭缝孔几何毛细金桥的系统实验研究受到限制。在这里，我们介绍了一种方法，以创建和描述毛细孔几何毛细桥。简言之，该方法包括1）制造柱子以产生化学和物理异质性;2） 设计微舞台对齐和操纵桥梁;3） 从正面或两侧对毛细管桥进行成像，以描述其形态。桥梁形态的特征，以及表面进化器模拟的比较，在一个单独的出版物1提供。
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Protocol
协议文本分为三个主要部分：1） PDMS （聚二甲基硅氧烷） 柱子的制造，2） 柱子顶部的功能化，以及毛细管桥的形成和特征。
1. PDMS 支柱的制造
本节详细介绍了使用硅/SU-8模具压铸的 PDMS 柱子的制造。
-
硅/SU-8模具的制造
- 将干净的 4 在硅晶圆中放在皮雷克斯培养皿中。
- 在单独的烧嘴中将硫酸与过氧化氢（食人鱼）溶液进行 4：1（按体积）。
注意：在准备和使用食人鱼溶液时需要非常谨慎。反应是高度外热和绝缘手套将需要处理烧嘴。皮兰哈对有机物反应激烈。在处置之前，让食人鱼溶液冷却到室温。只需准备足够的溶液才能将晶圆浸入菜中。 - 将食人鱼溶液缓慢地倒入硅晶片中，直到它完全被淹没。让我们坐15分钟。
- 从培养皿中取出晶圆，在一条溪流下冲洗：除离子（DI）水2分钟，乙醇30秒，乙酮30秒，然后用氮吹干。
注意：如果来自 Atone 的残留物是个问题，则建议使用 IPA 进行额外的冲洗 - 在 150 °C 的热板上干燥晶圆 15 分钟。
- 从热板中取出，冷却至室温。
- 旋转涂层SU-8 2002到晶圆表面40秒在500转速。
- 旋转涂层SU-8 2050到晶圆与两步旋转涂层程序。步骤1：40秒在500转/ 点。第2步：1分钟，1，500转/分钟。
- 从旋转涂层中取出晶圆，放在预热的热板（65 °C）上10分钟。
- 冷却至室温，然后将面罩放在晶圆上。
- 置于紫外线灯下，在200瓦处暴露30秒。
- 取下面膜，将晶圆放在预热的热板（95 °C）上10分钟。
- 放在SU-8开发人员解决方案中，轻轻搅拌，直到所有未开发的SU-8都被移除。然后在异丙醇流中冲洗30秒，用氮吹干。
- 放在预热的热板（95°C）上30分钟，进行最后的硬盘。
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PDMS 柱子的模具铸造
- 大力混合 PDMS sylgard-184 碱基与烧嘴固化剂的 10：1 质量比。
- 在真空室中除气 PDMS，直到所有气泡都消失。
- 将在第 1.1 节中制造的模具放在塑料称重盘的大 4 中，然后倒入 PDMS。
- 将带有 PDMS 的菜肴和模具放回真空室。再次德加斯，直到所有的泡沫都消失了。
- 将整个菜放入烤箱（预热至75°C）至少2小时。然后让冷却到室温。
- 用直剃刀刀片将盘子从 PDMS 和硅晶片中切开。
- 用散装的柱子切出 PDMS 区域，并存放在干净的培养皿中。
2. 支柱顶部的功能化
这一三步过程首先涉及在硅晶片上蒸发金膜，然后将金膜的印记将16 号光刻传输到 PDMS 柱子上（在第 1 节中制作），最后使用自组装的单层金膜功能化，使其具有亲水性。
- 硅晶片上用于印记转移光刻的黄金制造
- 使用玻璃切割机将 4 个圆形硅晶圆切成 4 个大小相等的碎片。注意：可以使用步骤 1.1.2-1.1.4 清洁晶圆并重复使用。
- 将20纳米的黄金直接蒸发到硅晶片上。
- 将晶圆留在蒸发室（或干燥器中），直到下面的第 3 节完成。这将保持晶圆尽可能清洁。
- 准备一个8μl：20毫升，（3-甲基丙基）-三氧西兰（MPTS）：在干净的玻璃瓶中的甲苯溶液。
- 在清洁烧嘴中准备 200 毫升 16 m 盐酸 （HCl）。
- 将含金膜的晶圆放入等离子反应器中。
- 使用氧气等离子体在300mTorr的压力下清洁晶圆，功率为50W，功率为10分钟。
注：对于此过程，使用了自建等离子反应堆。 - 将晶圆放入装满 200 种证明乙醇的 Pyrex 培养皿中至少 10 分钟。
注意：此步骤旨在去除因氧等离子体而在黄金上形成的任何不稳定氧化物。 - 用乙醇冲洗晶圆，然后用氮气吹干。
- 在 500 rpm 的 30 秒内将 MPTS 解决方案旋转到晶圆上，然后以 2，750 rpm 的速度旋转 1 分钟。
注意：MPTS 用作 PDMS 和金层16之间的粘附层。 - 将晶圆从旋转涂层中取下，在乙醇流下冲洗。然后，用DI水冲洗，用氮气吹干。
注意：轻轻冲洗以避免从硅晶片上剥落金层。 - 将晶圆放入包含足够 16 mM HCl 解决方案的 Pyrex 培养皿中，以完全淹没晶圆。在HCl中离开至少5分钟。
注意：轻轻地放入溶液中，以防止金子剥落。
注意：这样做是为了改善PDMS和金层16之间的粘附性。 - 从 HCl 溶液中取出晶圆，用氮气吹干。
注意：此步骤完成后，晶圆的使用应不超过 15-20 分钟。
- 将黄金的印记从晶圆转为 PDMS 柱子
- 通过用乙醇、DI 水冲洗，为每个 PDMS 样品准备一个 25 mm x 75 mm 玻璃滑梯，用氮气吹干。
- 将 PDMS 柱子放入等离子室中，在 300 mTorr 的压力下执行氧等离子体，功率为 50 W，时间为 30 秒。
注意：PDMS过度暴露在氧血浆中会导致开裂。相应地调整等离子体条件。 - 将 PDMS 基板的背面与清洁的玻璃滑梯绑定，使其施加光压。玻璃滑梯可促进 PDMS 柱子的操作，并安装在第 3 步所述设备上。
- 翻转玻璃背 PDMS 基板，将柱子压到 MPTS 功能化的金膜上（第 2.1 步）。首先施加中等压力，然后在玻璃滑梯上放置重量（约 100 克），以确保符合性接触。
- 将基板与硅晶片接触至少 12 小时。
- 将 PDMS 基板与晶圆分离。如果 PDMS 基板卡住，请使用直剃须刀刀片小心地撬开晶圆上的 PDMS 边缘。
- 此时，PDMS 柱子顶部应有统一的金膜。使用光学显微镜验证金膜未破裂或柱子沿线没有缺失部件。
- PDMS 柱子顶部的黄金功能化
- 在二甲基硫氧化物 （DMSO） 中准备足够的 1 mM 甲基酸 （MHA），以充分浸入 PDMS 柱子顶部的黄金。
注意：DMSO 用于其低 PDMS 膨胀因子17。 - 将 PDMS 基板放置在 MHA 解决方案中，并将其保存在那里至少 24 小时。
- 从 MHA 溶液中取出基板，用 DI 水冲洗，然后用氮气吹干。
- 放置在真空室（压力<100 mTorr在25°C）至少12小时。
- 在二甲基硫氧化物 （DMSO） 中准备足够的 1 mM 甲基酸 （MHA），以充分浸入 PDMS 柱子顶部的黄金。
注意：为了验证功能化过程是否成功，第 2 步可以在大量 PDMS（无柱子）上执行，并且可以在气压计中测试润湿角度。MHA 金膜应分别具有<15°和+0°的水接触角度。18
3. 毛细金桥的形成和特征
本节详细介绍了如何在两个基材之间引入液态桥，然后通过不同高度和流体体积的成像进行特征描述。
- 使用两个支柱基板（按步骤 1-2 制成），将一个放在顶部，一个放在底部支架中。使用侧张力螺丝固定基板。
注意：有关设备详细信息，请参阅 图 1 和具有代表性的结果。 - 通过将顶部基板阶段连接到面包板上来组装设备，使顶部基板大致高于底部基板。将两个面柱之间的高度降低到约 1mm。
- 粗对齐：使用底部基板舞台上的 x、y 和旋转旋钮（通过眼睛）对齐两个基材的金条，以便它们平行（通过顶部基板自上而下看）。
- 精细对齐：定位摄像机以向下看 PDMS 柱的长度。使用计算机屏幕上的实时摄像机馈送，进一步调整底部基板的位置，使支柱平行。
- 将相机移到设备的对面，然后重复步骤 3.4。
- 减少两根柱子之间的分离，直到顶部柱子与底部柱子接触（使用现场摄像机馈送）。数字微舞台为零。这将被定义为零孔高。
- 将孔隙高度增加到约 200 μm。
- 用80%甘油、20%水溶液的1-5μl准备注射器。将 30 G 针连接到注射器的末端，确保没有气泡卡在针内。
注意：水/甘油混合物用于减少实验期间的蒸发。也可以用水。 - 用机械夹将注射器安装到注射器 xyz 翻译阶段。
- 调整注射器定位台上的微米，使针头适合狭缝孔（与柱子的长度平行）。
- 降低狭缝孔高，使顶部和底部表面轻轻接触针头。这将确保液体会接触两个表面，并自发地形成毛细桥。
- 将注射器中的液体慢慢分配到狭缝孔中。
- 使用注射器定位台上的微米将针头从狭缝孔中取出。
注意：此时，狭缝孔的高度可以变化，液桥可以成像。
注意：图片可以使用开源软件包 ImageJ 进行分析。
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Representative Results
实验装置的描述
实验装置可分为四个主要部分：1）顶部基板阶段，2）底部基板阶段，3）注射器/注射器xyz转换阶段，4）相机/光学和相机支架。每个细节如下：
- 顶部基板阶段。 数字翻译阶段通过自定义机接件连接到 P 系列安装夹。安装夹连接到可变高度 P 柱，通过 P 系列夹叉固定在面包板上。定制连接件连接到翻译阶段的定制加工玻璃滑梯支架上，在 z 方向上提供 1μm 位移分辨率。
- 底部基板阶段。 带θ轴旋转阶段的 xy 线性翻译通过 8 个后扩展件连接到面包板上。定制的加工基板支架连接到具有θ轴旋转阶段的 xy 线性翻译顶部，使底部基板定位为 10μm 的转化分辨率，并以 1° 分辨率旋转。
- 注射器/注射器xyz翻译阶段。 对于用于填补柱子间隙的注射器的 xyz 定位，xy 翻译阶段将带有 30 G 针的 5 μl 注射器连接到 xy 转换阶段。然后，xy 阶段通过 90° 连接器部分连接到 z 转换阶段。
- 相机/光学和相机支架。 用于对液体桥进行成像，CCD 摄像机连接到可变变焦光学件上。在最大变焦下，分辨率为 3.3μm/像素。摄像机连接到实验室剪刀插孔上，可定位为从不同角度对液桥进行成像。
将 Au 箔转移到 PDMS 支柱
在将黄金转移到 PDMS 基板时，必须平稳而仔细地将 PDMS 设备与硅晶片分离（参见步骤 2.2.6）。 图 3a 显示了成功转移后带有黄金的 PDMS 柱子的显微镜图像。 图 3b 显示由于转移不良而转移到柱子的晶圆中多余的金箔。为了方便金膜的转移，可以使用锋利的安全剃须刀从硅晶片中轻轻撬动 PDMS 柱的一个边缘。此外，PDMS 基板应以正常方向拉至晶圆表面（避免横向运动），以防止额外的金箔粘附在基板边缘。 图 3c 显示如果 PDMS 基板发生重大剪切或弯曲，则转移后金层中如何形成裂缝。
MHA 单层的特征
制造过程（第 2 步）完成后，通过测试其水接触角度来验证 MHA 单层的质量非常重要。 图 2 显示使用 MHA 功能化后，Au/PDMS 基板上的液态水下降。PDMS 上的低接触角度表示该过程是成功的。 图 2 的插图显示，完成程序后，将液态水滴放在一个凸起的柱子上。140° 接触角度表明，物理和化学异质性的组合允许将落点固定在柱子的两侧。
毛细细桥的可视化
一旦基板被制造并安装到微舞台支架中，通道就可以使用注射器/注射器 xyz 翻译阶段进行填充。 图 4a 显示了一个填充的狭缝孔，其透视垂直于柱子的宽度（向下看通道的"桶"）。 图4b 显示了图 4a的正交视角，即垂直于狭缝孔的长度。 图4c 显示从与 图4b相同的角度填充通道的过程。在灌装阶段，缓慢地从注射器中分配液体至关重要。突然大流量产生的力可以从柱子顶部去固定液体，导致其扩散到疏水的 PDMS 区域。如果发生这种情况，基板必须清洁和干燥，并重复填充过程。
图1。完整的实验设置的图片。 PDMS 基板通过 x、y、z 和旋转阶段的组合，在可变距离内保持距离。另一组微舞台（最右侧）将注射器引入狭窄的缝隙中，在狭缝孔几何形状中形成毛细金桥。随着孔隙分离的改变，CCD 摄像机（左图）用于对由此产生的毛细金桥进行成像。然后，可以在开源图像分析软件 ImageJ 中分析生成的图像。 单击此处查看更大的图像。
图2。PDMS 基板，20 nm Au 层由 MHA 自组装单层机功能化。 低水接触角度表明手术成功。插图显示凸起的功能化 PDMS/Au 柱上的下降。 单击此处查看更大的图像。
图3。转移 20 nm Au 层后，提升的 PDMS 支柱。a） 成功转移。 b） 在转移过程中由于 PDMS 基板的横向运动而撕裂。 c） 在转移过程中 PDMS 基板弯曲引起的开裂。 单击此处查看更大的图像。
图4。实验装置支柱上毛细细桥的图像。a） 视场与柱子的长度平行。b） 视场垂直于柱子的长度。c） 显示狭缝孔的填充过程（与b的视角相同）。尺子在b） 和c）的轻微毕业是 500μm.点击这里查看更大的图像。
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Discussion
这里介绍的方法提供了在狭缝孔几何中创建毛细金桥的方法，也是成像这些桥梁的方法，以便分析它们的形态，并将其与模拟和理论进行比较。
该方法结合了物理缓解和选择性化学模式，以创建不对称的润湿特性。如果只存在化学异质性，液体滴将保持在异质性上，直到接触角度超过湿度较低的（低表面能量）区域。当 PDMS 是低表面能量区域时，亲水/疏水边界的最大可实现接触角度约为 100° 。在柱子形式中添加物理异质性，使柱子边缘的水接触角度显著增加（>140°），如 图2 所见（Ferraro等人提出了创建类似基材的替代方法 ）。19） 更高的接触角度意味着液体滴或桥梁可以局限于特定区域，并承受比纯化学异质性更高的压力。
由于 PDMS 柱子顶部的黄金使用自组装的单层机功能化，因此使用不同的硫醇前体可能会实现不同的功能化。此外，除了能够调整狭缝孔的高度外，微舞台的组合还允许对横向和旋转偏移进行实时调整。此功能将使这种设备成为成像动态毛细细线桥系统（如与喷墨或重力打印相关的系统）的理想之选。
协议中的关键步骤
为了获得可重复的毛细管桥形态，在准备化学和物理异质性时必须采取预防措施。例如，具有厚度梯度的柱子通向位于孔隙末端的桥梁，而 PDMS 较厚。如果在成型步骤中持有液体 PDMS 的塑料称重盘没有完全平放，则可能会产生厚度梯度。孔沿孔长度的高度变化也可能导致液体曲率的变化，扭曲图像数据。当零点设置在第 3.6 步时，可以评估此厚度变化的程度。通过在顶部基板支架和基板支架-z 舞台连接器件之间放置软垫片（几层遮蔽或泡沫胶带对此效果良好），可以降低顶部基板支架的倾斜度。通过改变将连接器件连接到基板支架上的螺钉上的张力，可以从系统中消除倾斜。
同样重要的是，确保在 24 小时 DMSO/MHA 浸泡后，基板上不会留下多余的 DMSO。即使用 DI 水进行严格冲洗，也可以在基板上存在少量残留的 DMSO。如果此时使用基板，多余的 DMSO 可能会渗入毛细金桥。多余的 DMSO 可以通过将其放置在真空室（压力< 100 mTorr，25 °C）中至少 12 小时从样品中蒸发。
技术的局限性
在成像过程中，使用凸起的柱子形成高纵横比毛细细桥的主要局限性变得很明显。当孔隙的高度以恒定体积变化时，液体会从末端向孔隙1的中心消退。因此，当成像正常到条带的宽度时，桥可能会失去对焦。当狭缝孔末端和液桥之间的距离超过相机的深度时，就会发生对焦损失。因此，使用给定实验所需的尽可能短的狭缝孔长度非常重要。通过改变光学元件或降低放大倍数可以扩展字段的深度，但这些扩展会以分辨率为代价。
PDMS 柱子的顶部可功能化，具有高地表能量（低水接触角度）。因此，它们容易受到污染，要么来自环境环境，要么来自流体。我们的实验是在洁净室（1000级）进行的，这使我们能够在表面的任何退化明显之前对样品进行5-10次测试。污染导致与柱子宽度平行的接触线的润湿角度固定。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
作者感谢国家科学基金会在"第1号赠款"下给予的支持。CMMI-00748094和 ONR N000141110629。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 99.999% Gold wire | Kurt J. Lesker | EVMAU40040 | |
| Acetone | Pharmco-AAPER | C1107283 | |
| Dimethyl sulfoxide | Fisher | D128-500 | |
| Ethanol (200 proof) | Pharmco-AAPER | 111000200 | |
| Hydrochloric acid | EMD | HX0603-4 | |
| Hydrogen peroxide (30%) | EMD | HX0635-3 | |
| Isopropyl alcohol | Fisher | L-13597 | |
| Mercapto hexadecanoic acid (90%) | Sigma-Aldrich | 448303-1G | |
| Mercapto-propyl-trimethoxy-silane (MPTS) | Gelest | Sim6476-O-100GM | |
| Milli-Q DI water | Millipore | Milli-Q | |
| Nitrogen (gas) | Airgas | UN1066 | |
| Oxygen (gas) | Airgas | UN1072 | |
| Silicon wafers (4 in) | WRS Materials | CC8506 | |
| SU-8 2002 (negative photo resist) | MicroChem | SU82002 | |
| SU-8 2050 (negative photoresist) | MicroChem | SU82050 | |
| SU-8 Developer solution | MicroChem | Y020100 4000L1PE | |
| Sulfuric acid | J.T. Baker | 9681-03 | |
| Poly dimethy sulfoxide (PDMS) | Dow Corning | Sylgard -184 | |
| Toluene | Omnisolv | TX0737-1 |
References
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