تصنيع واختبار ميكروفلويديك الميكانيكية المذبذبات

الهدف العام من هذا الإجراء هو تصنيع واستعراض مذبذبات كهروضوئية ميكانيكية تعمل بأوساط في الحالة السائلة. يتم تحقيق ذلك أولاً عن طريق تصنيع رنانات كهروضوئية ميكانيكية مائعية دقيقة من خلال تسخين وسحب قوالب شعيرية من زجاج السيليكا المصهور تحت إشعاع ليزر CO2. تتمثل الخطوة الثانية في تركيب الأجهزة المصنعة لغرض الاختبار.

بعد ذلك، يُستخدم ليزر ديود لضخ أنماط معرض الهمس البصري للجهاز المُصنع عن طريق ليف بصري مستدق. وفي النهاية، يُستخدم تحليل الطيف الإلكتروني للإشارات البصرية الناتجة لإظهار التفاعل الميكانيكي البصري والاستشعار من خلال الأنماط الميكانيكية في السوائل. توفر هذه الأجهزة قدرة لم تكن متاحة سابقاً لإجراء تجارب الميكانيكا البصرية باستخدام مواد في الطور السائل.

بشكل عام، سيواجه الأفراد الجدد في هذه الطريقة صعوبة لأن عمليات التصنيع والمعالجة والاحتياجات ومعايير التصنيع يجب تحسينها. ويعد عرض هذه الطريقة أمرًا بالغ الأهمية نظرًا لأن التشغيل وتحديد الوضع الكهرومغناطيسي البصري (optomechanical mode) يصعب إتقانهما. سيتم تصنيع الرنانات الموائعية الدقيقة عن طريق تسخين وسحب أشكال مسبقة من الشعيرات الزجاجية لتحقيق هذا المحاذاة الأولى.

منصتان خطيتان للترجمة يمكن التحكم فيهما برمجياً، بحيث تتحركان على طول الخط نفسه. يجب أن تكونا متباعدتين ببضعة سنتيمترات لتمكين تمديد الشعيرية عبر الفجوة.

يجب محاذاة حوامل العينات الموجودة على المنصات لتمسك بالأنبوب الشعري على المحور. وعلى طول خط حركة المنصات، سيتم التسخين بواسطة ليزرين من نوع CO2 قبل المتابعة. اتخذ احتياطات السلامة المناسبة للعمل مع الليزرات عالية الطاقة.

ثم وجه مخرجات الليزرات بحيث تستهدف نفس النقطة في الفجوة الموجودة بين المنصات الخطية. يجب أن تكون هذه النقطة في الموضع الذي سيتم فيه تعليق الشعيرة. استخدم سدادات الحزمة لإيقاف الحزم بعد نقطة الهدف.

استخدم برنامجاً للتحكم المتزامن في مرحلتي الإزاحة ومستويات القدرة لليزرين CO2. في هذا الإعداد، يتم إنتاج شعيرات موثوقة عندما تتحرك إحدى المرحلتين بسرعة تبلغ حوالي 10 millimeters per second، بينما تتحرك الأخرى ببطء، حوالي 0.5 millimeters per second في الاتجاه نفسه لتغذية منطقة التسخين بمزيد من المادة.

يتم ضبط كلا الليزرين على 4.5 وات لمدة فترة تسخين مسبق تستغرق ثلاث ثوانٍ، ثم خمسة وات أو أكثر أثناء عملية السحب. ولتصنيع الرنان، استخدم مادة السيليكا المنصهرة (قالب شعري)، واقطع طولاً يتراوح بين سنتيمترين إلى أربعة سنتيمترات بحيث يمكنه الوصول بين حاملي العينات على منصة الإزاحة الخطية.

بعد ذلك، قم بتثبيت الشعيرة في حاملات العينات، بحيث تكون منطقة استهداف الليزر في منتصف طول الشعيرة تقريبًا. ثم تابع بتشغيل برنامج التحكم.

يقوم الليزر بالتسخين المسبق للشعيرة لمدة ثلاث ثوانٍ، ثم يتم سحب الشعيرة لمدة 10 ثوانٍ تقريباً. وعند انتهاء العملية، يتم إزالة الشعيرة المسحوبة من خلال الإمساك بالطرف السميك غير المطوي فقط لمنع التلوث.

قم بتعليق الأنبوب الشعري بحيث يكون سطح الرنان النظيف معلقاً في الهواء. قم بإنشاء أنابيب شعرية بأقطار مختلفة عن طريق تغيير معاملات السحب وتكرار عملية التصنيع لضمان أن تكون الأنابيب الشعرية مفتوحة. استخدم وعاءً ضحلاً من الماء ومحقنة.

ارفع الشعيرة المكتملة بعناية واغمس أحد طرفيها في الماء. استخدم المحقنة لنفخ الهواء عبر الطرف الآخر. تشير فقاعات الهواء إلى أن الشعيرة مفتوحة.

قبل اختبار الشعريات، يجب صنع حامل لتثبيتها. وللقيام بذلك، يتم قص ثلاث قطع زجاجية مقاس 1 سم × 0.5 سم من شرائح زجاجية. بالإضافة إلى ذلك، يتم قص قطعة واحدة مقاس 3 سم × 0.5 سم من شريحة زجاجية أيضاً.

بعد ذلك، استخدم لاصقاً زجاجياً أو غراءً فائقاً (super glue) لتجميع هذه القطع في وحدة eha. ثم قم بقطع طول مناسب من أنبوب شعري مسحوب بحيث يمكنه تغطية المسافة بين فرعين متجاورين في الحامل الذي يتخذ شكل حرف U والامتداد إلى ما بعدهما. استخدم لاصقاً بصرياً لِلصق الأنبوب الشعري بحيث تمتد نهايتاه إلى ما بعد فرعي الحامل ويكون مركزه معلقاً بينهما.

ثم قم بمعالجة اللاصق الضوئي باستخدام مصباح LED UV للمعالجة بالمدة اللازمة. وبعد حوالي 10 ثوانٍ، استمر في العملية عن طريق إحضار أنابيب بلاستيكية ذات قطر داخلي أكبر قليلاً من قطر الشعيرة. أدخل بعناية أنبوباً فوق كل طرف من طرفي الشعيرة المثبتة.

مرة أخرى، استخدم اللاصق البصري لإحكام الربط بين الشعيرية والقطعة الأخرى، ثم قم بالمعالجة باستخدام الأشعة فوق البنفسجية UV. بعد المعالجة، تصبح المجموعة جاهزة للتثبيت. استخدم الفرع الزجاجي الثالث الحر لتثبيت الهيكل في مكانه.

تستخدم هذه التجربة ليزرًا تحت أحمر مقترنًا بألياف بصرية وقابل للضبط من حيث الطول الموجي، متصلاً بمولد دالات، وذلك لمسح الأطوال الموجية لليزر بشكل دوري. يمر مخرج الليزر أولاً عبر متحكم في الاستقطاب.

ومن هناك، يتم اقترانها بدليل موجي من ليف مستدق لنطاق الاتصالات أحادي النمط يكون قريبًا من مرحلة تحديد مواقع نانوية. وبعد الليف المستدق، يمر الضوء عبر مُخمدات لحماية المحللات الموجودة في المصب. وفي هذه التجربة، يتم توجيه الضوء بعد المُخمد إلى كاشف ضوئي متصل بمحلل طيف كهربائي وراسم إشارات.

ابدأ التجربة بتثبيت الليزر وبدء عمليات مسح لطول موجة شعاع الليزر. بعد ذلك، استخرج حامل الرنان الشعري المثبت وقم بتركيبه على مرحلة تحديد المواقع النانوية بالقرب من الليف المستدق. ثم حرك المرحلة بعناية لجعل الرنان على بعد ميكرون واحد تقريبًا من الليف المستدق لتحقيق الاقتران المتلاشي.

مع مسح الأطوال الموجية، تشير الانخفاضات في نفاذية الليزر كدالة في الزمن عند عرضها على راسم الإشارة (oscilloscope) إلى وجود اقتران متلاشٍ ورنين. استخدم محلل الطيف للبحث عن تداخل زمني بين ضوء الليزر الداخل والضوء المشتت. تحدث نغمة الضرب هذه عند تردد التذبذب الميكانيكي.

في هذا المثال، يتم تحفيز نمط ميكانيكي بتردد 24.94 megahertz في الشعيرية بواسطة ضغط الإشعاع، ومحاولة الربط بالنمط البصري ذي الصلة للتذبذب الميكانيكي عن طريق إيقاف مسح تردد الليزر والتحكم في طول موجة الليزر. في وضع الموجة المستمرة، ستظهر إشارات دورية على راسم الإشارة عند وجود نمط ميكانيكي. وبمجرد إتقان العملية، يمكن إتمام تصنيع الجهاز واختباره في غضون 45 دقيقة تقريبًا إذا تم تنفيذ ذلك بشكل صحيح.

أثناء محاولة تنفيذ هذا الإجراء، من المهم تذكر أنه يجب عدم لمس الرنان والألياف المستدقة يدويًا بأي حال من الأحوال، حتى باستخدام الملاقط؛ وذلك للحفاظ على نظافة الأسطح. ومنذ تطوير هذه التقنية، مهدت الطريق للباحثين في مجال ميكانيكا البصريات التجويفية لاستكشاف تفاعلات جديدة مع السوائل والمحللات الحيوية.