方法文章

高品质 whispering gallery mode 微泡谐振器的制备

DOI：

10.3791/66890

⸱

2025年5月16日

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1Department of Electrical and Systems Engineering, Washington University in Saint Louis, 2Department of Pathology and Laboratory Medicine, University of California, Irvine, 3Department of Pathology and Immunology, Washington University School of Medicine

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本文展示了一种利用精密玻璃加工设备（PGP）制备高品质因子（Q因子）回音壁模式（WGM）微泡谐振器（MBR）的可靠且标准化的方案。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

我们展示了一种利用精密玻璃加工设备（PGP）制备高品质因数（Q值）回音壁模式（WGM）微泡谐振器（MBR）的可靠且标准化的方法。微泡谐振器是一类具有集成流体通道的独特WGM器件，因此非常适合多种传感应用。本文中，我们提供了一种通过优化关键性能指标（如Q值和壁厚）来制备高Q值微泡谐振器的标准方案。我们还展示了通过氢氟酸（HF）湿法刻蚀提高该平台对折射率变化及其他传感目标灵敏度的方法。最后，简要分析了微泡对流体流动的阻力，表明小直径微泡在分析物输送过程中对流动具有更强的抗性——这是分析物输送时应考虑的因素。该优化制备方案的实施不仅提高了器件制备的成功率，还缩短了制备时间。此外，该方案还可拓展至其他用于制备MBR的技术，例如基于CO2激光的方法。

引言

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回音壁模式（Whispering Gallery Mode, WGM）微谐振器是一类光学传感器，不仅在单分子和纳米颗粒的检测方面展现出巨大潜力1,2,3,4,5,6，还可用于感知多种物理现象，如磁场7和电场8、温度9以及超声波10,11。在光学共振条件下，光被限制在器件内部，从而产生显著的功率增强12,13。谐振器的任何局部变化（例如生物分子的结合或周围介质折射率的改变）都会引起局部光学环境的变化，进而导致共振频率或波长发生偏移。通过监测共振波长或频率的变化，可实现对分析物的实时检测与表征。

回音壁模式微谐振腔可设计成多种几何结构。常见的几何结构包括但不限于微环形腔14、微环腔15和微泡谐振腔（MBR）16。本文聚焦于MBR，因其在光流体传感应用中具有巨大潜力。MBR的一个关键优势是其流体集成能力17,18,19,20，这得益于器件由微毛细管制成。在此设计中，串联的毛细管可方便地将微量（即微升级）分析物溶液直接输送至传感区域，无需外接流体通道，如图1所示。凭借其独特的流体操控能力，MBR适用于多种其他回音壁模式平台难以实现的传感应用。例如，MBR已被注入磁性流体，从而赋予其对外部磁场的敏感性21。此外，MBR还被用于通过光扭矩控制溶液中金纳米棒的特定取向22。

微球谐振腔（MBR）的制备过程可概括如下：在毛细管内部施加气压的同时，对毛细管的局部区域进行加热。局部加热与内部压力的共同作用使受热区域膨胀形成球形结构，该结构能够支持高Q值的回音壁模式（WGM），如图2所示。实现毛细管局部加热的方法有多种，例如使用CO2激光器23、光纤熔接机24、氢焰光源25以及精密玻璃加工设备（PGP）。本文介绍的方法可扩展应用于其他加热源，包括CO2激光器。PGP设备与光纤熔接机类似，但对加热时间、功率设置以及光纤或毛细管位置的控制更为精确26。PGP通常配备有紧邻加热元件的内置显微镜，可实现对制备过程的实时监测。通常情况下，可调谐二极管激光器发出的光通过一根与MBR赤道区域接触的锥形光纤耦合进入谐振腔。该光纤被拉锥至约1 μm，以实现光在MBR中高效地输入和输出。随后，MBR产生的透射光谱通过同一根光纤被光电探测器采集，并在示波器上显示。

利用回音壁模式微谐振器（WGM MBR）进行传感依赖于WGM场与目标分析物之间的相互作用。该相互作用的强度与WGM场渗透到MBR空心腔体部分的比例成正比，在该腔体内可通入液相或气相样品27。如图3所示，COMSOL模拟展示了WGM场进入内腔的程度随MBR壁厚变化的情况。当壁厚减小至1 μm以下时，WGM场的穿透达到最大，这些模拟使用的是780 nm波段的光。仅通过标准的加热膨胀法制备工艺难以实现如此薄的壁厚。为了进一步减薄MBR的壁厚并提高器件的灵敏度，我们引入了使用氢氟酸（HF）的额外湿法刻蚀步骤。

使用PGP，我们将重点介绍与石英毛细管集成的MBR的制备。还将详细描述制备过程，以及通过湿法刻蚀提高对折射率变化灵敏度的方法。

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方案

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1. 微泡制备

  1. 使用一根聚合物涂层石英玻璃毛细管（内径 250 μm，外径 360 μm），长度约为 75 cm。毛细管长度可根据用户需求调整；若使用更长的毛细管，需确保能达到下文所述的压力。
  2. 用丁烷喷灯烧除毛细管一端约 2.5 cm 的聚合物涂层，并用精密擦拭纸和异丙醇（IPA）清洁该端。
  3. 将清洁后的毛细管端放入等离子体玻璃处理器（PGP）中，点击软件上的 仅熔接 按钮，以 180 W 功率加热 5 秒，以密封毛细管末端。通过右键点击 仅熔接 按钮来设置加热时间和持续时间。
  4. 为确保密封良好，检查已密封的毛细管末端，参见 图 1B。
  5. 从密封端起约 25 cm 处（或距密封端约毛细管长度的 1/3 处），烧除一段长约 2.5 cm 的聚合物涂层，并用异丙醇（IPA）清洁暴露区域。
    注意：由于压力在毛细管长度方向上均匀分布，上述位置并非关键。若用户的实验装置需要将微球形腔（MBR）置于不同位置，也不会影响后续操作步骤。
  6. 重复此步骤，直至在成像系统下观察不到任何残留聚合物，该成像系统可提供亚微米分辨率的毛细管图像。
  7. 将新清洁的毛细管段置于玻璃处理器仪器中，位于加热元件上方，并在前述显微镜下对准位置。
  8. 使用气密性注射器和注射泵向毛细管内注入空气，使内部压力达到 10 bar（例如，将注射器体积从 5 mL 减小至 0.5 mL，相应压力可通过玻意耳定律计算）。将毛细管通过鲁尔锁紧接头连接至 360 μm 适配器。或者，也可通过压力调节器和压缩空气/惰性气体施加压力。
  9. 使用 PGP 以约 100–110 W 的灯丝功率对毛细管加热 1.5–2 秒。
  10. 随后采用 90–100 W 功率、持续 0.1–1 秒的多次短时加热。该方法可缓慢且可控地将 MBR 直径扩大至目标范围。然而，此过程可能导致 MBR 不对称。若观察到不对称现象（即球体相对于毛细管轴线不对称），应在连续加热步骤之间绕毛细管轴线旋转毛细管，以促进对称性。
  11. 在显微镜下检查 MBR 的质量，注意是否存在灰尘、裂纹或形变等缺陷。此外，可利用显微镜估算 MBR 的壁厚。

2. 氢氟酸湿法刻蚀

警告：氢氟酸具有极强的危险性、毒性和腐蚀性。应将葡萄糖酸钙置于附近，因为该化学品可中和氢氟酸。请穿戴适当的个人防护装备，并严格遵守材料安全数据表（MSDS）中的所有安全预防措施。

  1. 将毛细管密封端剪去，剪切位置在密封端下方约 2 cm 处。
  2. 将毛细管一端插入钝头接头的鲁尔锁适配器内。确保钝头接头的内径尽可能接近毛细管的外径，同时仍能容纳毛细管插入。
    注意：适配器材料不得与氢氟酸（HF）发生反应。
  3. 在装有毛细管的钝头末端涂上紫外光固化环氧树脂，将两者连接固定，然后用紫外光照射固化（使用 50–100 W 的紫外光源；功率越高，固化速度越快）。
    警告：操作紫外光源时必须佩戴适当的眼部防护装备28。
  4. 待环氧树脂完全固化后，将鲁尔锁接头连接至一支耐氢氟酸的 25 mL 注射器。
  5. 将注射器安装在注射泵上，设置回吸速率为 50 μL/min。
  6. 将毛细管一端连接至注射器，另一端浸入去离子水（DI 水）中。
  7. 启动注射泵，使水从毛细管中被吸入注射器，以检查是否建立稳定的流动（即系统内无气泡，液体在毛细管中持续流动）。
  8. 当流动稳定后，将毛细管末端从去离子水中转移至盛有氢氟酸的容器中。
  9. 根据刻蚀前微泡反应器（MBR）的壁厚估算大致的刻蚀时间，使用 12%（w/v）氢氟酸时，实测刻蚀速率为 8.18 μm/h。壁厚可在具有亚微米分辨率的成像系统下测量。
    注意：其他浓度酸液的刻蚀速率可通过实验测定，方法是在设定的刻蚀时间前后分别测量毛细管壁厚。
  10. 按计算所得的刻蚀时间，以 50 μL/min 的速率运行注射泵。
  11. 刻蚀结束后，用去离子水冲洗毛细管 10–15 分钟，以彻底清除管内残余酸液。冲洗时间应确保整个毛细管体积被冲洗 3–5 次。
  12. 刻蚀后测量 MBR 的壁厚，并利用该数据更新当前酸液的刻蚀速率。
  13. 重复此过程，直至达到目标壁厚。

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结果

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使用PGP设备制备的典型微泡谐振器如图1C所示。鉴于我们起始毛细管的外径（OD）为360 μm，在制备过程中将毛细管膨胀约2倍。将毛细管膨胀至约700 μm时，管壁厚度介于5 μm至15 μm之间。已有研究表明，微泡谐振器在生物传感应用中的最佳壁厚约为用于激发回音壁模式（WGM）的光波长量级27。理论上，微泡谐振器可达到1×109的品质因数，但对于大多数生物传感应用而言，1×106已足够29,30,31。

为了验证图3中的模拟结果，我们评估了不同壁厚的微球谐振器（MBR）对不同浓度氯化钠溶液的响应。图4证实了模拟结果，显示当MBR...

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讨论

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本文介绍了使用精密玻璃加工仪制备高质量回音壁模式（WGM）微泡谐振器（MBRs）的实验方案。我们阐述了制备过程中的关键步骤，包括加热和膨胀步骤。在此过程中，过热、加热时间过长或内部气压注入过高均可能导致制备失败。为解决这些问题，可通过调整精密玻璃加工仪软件用户界面中的加热功率或加热时长来优化工艺。然而，这并非制备MBRs的唯一方法。文献中还存在多种其他方案，但大多数方法均包含相同的基本步骤——加热与膨胀。其他制备方法采用不同的热源，例如熔接机的电弧放电或CO2激光系统，而精密玻璃加工仪则使用石墨加热元件。电弧放电法32与精密玻璃加工仪（PGP）类似，两者均配备内置显微镜以监测加热过程。电弧放电法的一个主要缺点是，这类设备对微毛细管位置的控制能力有限，难以精确调节毛细管的位置。

使用CO2激光器33作为加热元件具有若干优势。在此配置中，两束功率相等的反向传播CO2激光束从相对方向汇聚于微毛细管上，从而实现对微毛细管的均匀加热...

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披露

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作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

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本项目部分得到了 R41AI152745 的支持。AJQ 获得了 T32 癌症生物学奖（NIH CA009547）和 K08EB033409 的资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
钝头转鲁尔锁适配器Ellsworth Adhesives8001286
气密性注射器Hamilton81520
鲁尔锁转 360 µm 适配器IDEXp-662
石英毛细管BGB AnalytikTSP250350
注射泵 Universalna
紫外胶AmazonB09H7BJKT1
Vytran 玻璃加工仪 Thorlabs/VytranGPX3000PGP 仪器及配套软件

参考文献

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