高品质 whispering gallery mode 微泡谐振器的制备

Maxwell R. Adolphson; Jie Liao; Abraham Qavi; Gaya Amarasinghe; Lan Yang

doi:10.3791/66890

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方法文章

高品质 whispering gallery mode 微泡谐振器的制备

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DOI：

10.3791/66890

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2025年5月16日

Maxwell R. Adolphson¹ , Jie Liao¹ , Abraham Qavi¹^,² , Gaya Amarasinghe³ , Lan Yang¹

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

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

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

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。

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方案

1. 微泡制备

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。
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。
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。
为确保密封良好，检查已密封的毛细管末端，参见 图 1B。
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。
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。
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。
使....

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结果

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，微泡谐振器用于生物传感时，其最佳壁厚应与用于激发回音壁模式（WGM）的光波波长相当²⁷。理论上，微泡谐振器可实现高达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.......

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讨论

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、加热时间过长或注入过高的内部气压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参数。然而，这并非制备MBRs的唯一方法。文献中还存在多种其他制备方案，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实时监测加热过程。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激光束从相反方向汇聚于微毛细管上，从而实现对微毛.......

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

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 Adhesives	8001286
气密性注射器	Hamilton	81520
鲁尔锁转 360 µm 适配器	IDEX	p-662
石英毛细管	BGB Analytik	TSP250350
注射泵	Universal	na
紫外胶	Amazon	B09H7BJKT1
Vytran 玻璃加工仪	Thorlabs/Vytran	GPX3000	PGP 仪器及配套软件

参考文献

Dantham, V. R., Holler, S., Barbre, C., Keng, D., Kolchenko, V., Arnold, S. Label-free detection of single protein using a nanoplasmonic-photonic hybrid microcavity. Nano Lett. 13 (7), 3347-3351 (2013).
Chen, W., Özdemir, ŞK., Zhao, G., Wiersig, J., Yang, L. Exceptional Points ....

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