Artículo de método

Fabricación de resonadores de microburbujas en modo de galería susurrante de alta calidad

DOI:

10.3791/66890

⸱

16 de mayo de 2025

 ,  ,  ,  , 
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

En este artículo

Resumen

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

Aquí, demostramos un protocolo robusto y estandarizado para fabricar resonadores de microburbujas (MBR) de modo de galería susurrante (WGM) de factor de alta calidad con una máquina de procesamiento de vidrio (PGP) de precisión.

Resumen

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

Demostramos un método robusto y estandarizado para la fabricación de resonadores de microburbujas (MBR) de modo de galería susurrante (WGM) de factor (factor Q) de alta calidad con una máquina de procesamiento de vidrio (PGP) de precisión. Los resonadores de microburbujas son una clase única de dispositivos WGM con canales fluídicos integrados, lo que los hace ideales para diversas aplicaciones de detección. En este artículo, mostramos un protocolo estandarizado para fabricar resonadores de microburbujas de alta Q mediante la optimización de métricas clave de rendimiento, como el factor Q y el grosor de la pared. También mostramos métodos para mejorar la sensibilidad de la plataforma a los cambios en el índice de refracción y otros objetivos de detección a través del grabado húmedo con ácido fluorhídrico (HF). Por último, se discute un breve análisis de la resistencia de las microburbujas al flujo de fluido, mostrando que las microburbujas de menor diámetro exhiben una mayor resistencia al flujo para la entrega de analito, un factor que debe tenerse en cuenta para la administración de analito. La implementación de este protocolo de fabricación refinado no solo aumenta la tasa de éxito de la producción de dispositivos, sino que también reduce el tiempo de fabricación. Además, el protocolo puede ampliarse a otras técnicas utilizadas para producir MBR, como los métodos basados en láser de CO2 .

Introducción

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

Los microrresonadores de modo de galería susurrante (WGM) son una clase de sensores ópticos que han demostrado un enorme potencial no solo para la detección de moléculas individuales y nanopartículas 1,2,3,4,5,6, sino también para detectar una amplia gama de fenómenos físicos, como campos magnéticos7 y eléctricos8, temperatura9 y ondas ultrasónicas10, 11 de la Constitución. En condiciones de resonancia óptica, la luz queda atrapada dentro del dispositivo, lo que conduce a una amplificación de potencia significativa12,13. Cualquier cambio localizado en el resonador (como la unión de una biomolécula o cambios en el índice de refracción del medio circundante) induce cambios en el entorno óptico local, por lo tanto, cambia la frecuencia o longitud de onda de resonancia. Al monitorear los cambios en la longitud de onda o frecuencia de resonancia, se pueden detectar y caracterizar analitos en tiempo real.

Los microrresonadores WGM se pueden diseñar en una variedad de geometrías. Las geometrías comunes incluyen, entre otras, microtoroides14, microanillos15 y resonadores de microburbujas16 (MBR). Aquí, nos centramos en los MBR debido a su gran potencial en aplicaciones de detección optofluídica. Una ventaja clave de los MBR es su integración fluídica 17,18,19,20, que es posible gracias a la fabricación del dispositivo a partir de un microcapilar. En este diseño, el capilar en línea facilita la entrega fácil de pequeños volúmenes (es decir, microlitros) de analitos en solución al área de detección sin la necesidad de canales fluídicos externos, como se muestra en la Figura 1. Con sus capacidades únicas de manejo de fluidos, los MBR son adecuados para una amplia gama de aplicaciones de detección que no se pueden lograr fácilmente con otras plataformas WGM. Por ejemplo, los MBR se han llenado de fluidos magnéticos, lo que ha imbuido la sensibilidad a los campos magnéticos externos21. Además, los MBR también se han utilizado para controlar la orientación específica de las nanovarillas de oro en solución a través de pares ópticos22.

La fabricación de MBR se puede resumir de la siguiente manera: se aplica presión aerostática dentro del capilar mientras que una pequeña área del capilar se calienta localmente. La combinación de calentamiento localizado y presión interna infla la sección calentada en una geometría esférica capaz de soportar WGM de alta Q , como se ilustra en la Figura 2. Se pueden emplear varios métodos para lograr el calentamiento localizado del capilar, como el uso de un láser de CO2 23, un empalmador de fibra óptica24, una fuente de llama de hidrógeno25 y una máquina de procesamiento de vidrio de precisión (PGP). Los métodos presentados aquí pueden ampliarse a otras fuentes de calor, incluido un láser de CO2 . El PGP es similar a una empalmadora de fibra óptica, pero ofrece un control mejorado sobre el tiempo de calentamiento, el ajuste de la potencia y el posicionamiento de las fibras o capilares26. Los PGP a menudo incluyen microscopios incorporados adyacentes a los elementos calefactores, lo que permite el monitoreo en tiempo real del proceso de fabricación. Por lo general, la luz de un láser de diodo sintonizable se acopla al MBR a través de una fibra óptica cónica que está en contacto con el ecuador del MBR. La fibra es cónica (hasta ~1 μm) para permitir un acoplamiento eficiente de la luz dentro y fuera del MBR. Los espectros de transmisión resultantes del MBR son capturados por un fotodetector a través de la fibra óptica y visualizados en un osciloscopio.

La detección con MBR WGM se basa en la interacción del campo WGM con el analito objetivo. La fuerza de esta interacción es directamente proporcional a la fracción del campo WGM que penetra en la cavidad hueca del MBR donde las muestras en fase líquida o gaseosa pueden fluir a través de27. Como se muestra en la Figura 3, las simulaciones de COMSOL ilustran cómo la penetración del campo WGM en la cavidad interna varía con el espesor de la pared del MBR. La máxima penetración del campo WGM se produce cuando el espesor de la pared se reduce a menos de 1 μm, y estas simulaciones se realizan utilizando luz en la banda de 780 nm. Lograr un espesor de pared tan reducido solo a través del protocolo estándar de fabricación de calor e inflado es un desafío. Para adelgazar aún más las paredes del MBR y hacer que el dispositivo sea más sensible, incorporamos pasos adicionales de grabado húmedo con ácido fluorhídrico (HF).

Utilizando un PGP, nos centraremos en la fabricación de MBRs en línea con un capilar de sílice. También se presentará una descripción detallada del proceso de fabricación y los métodos para mejorar la sensibilidad a los cambios en el índice de refracción a través del grabado húmedo.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Protocolo

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

1. Fabricación de microburbujas

  1. Comience con un capilar de vidrio de sílice recubierto de polímero (250 μm de diámetro interior y 360 μm de diámetro exterior) de ~75 cm de longitud. La longitud del capilar puede variar según las necesidades del usuario; Asegúrese de que la presión descrita a continuación se alcance en longitudes capilares más largas.
  2. Queme ~ 2,5 cm del recubrimiento de polímero en un extremo del capilar con un soplete de butano y limpie el extremo con una toallita delicada y alcohol isopropílico (IPA).
  3. Coloque el extremo limpio del capilar en el PGP y haga clic en el botón de solo empalme en el software para calentar durante 5 s a 180 W para sellar el extremo del capilar. Establezca el tiempo y la duración del calentamiento haciendo clic con el botón derecho en el botón Solo empalme .
  4. Para asegurar un sellado adecuado, examine el extremo capilar sellado, Figura 1B.
  5. A ~25 cm del extremo sellado (o 1/3 de la longitud del capilar desde el extremo sellado), queme una tira de ~2,5 cm de largo de recubrimiento de polímero del capilar y limpie el área resultante con IPA.
    NOTA: La posición descrita anteriormente no es crítica ya que la presión se distribuye uniformemente a lo largo de la longitud del capilar. Si la configuración experimental del usuario justifica una colocación diferente del MBR, esto no debería afectar al resto del procedimiento.
  6. Repita este paso hasta que no haya ningún polímero visible debajo del sistema de imágenes, que muestra una imagen capilar con una resolución submicrónica.
  7. Coloque esta sección recién limpia del capilar en el instrumento del procesador de vidrio sobre el elemento calefactor y bajo el microscopio descrito anteriormente.
  8. Usando una jeringa hermética al gas y una bomba de jeringa, inyecte aire en el capilar de manera que la presión interna alcance 10 bar (es decir, disminuyendo el volumen en una jeringa de 5 mL a 0,5 mL, con las presiones correspondientes calculadas con la Ley de Boyle). Coloque el capilar en una jeringa con un bloqueo Luer en un adaptador de 360 μm. Alternativamente, aplique presión a través de un regulador de presión y aire comprimido/gas inerte.
  9. Calentar el capilar con el PGP utilizando una potencia de filamento de ~100-110 W durante 1,5-2 s.
  10. Realice pasos de calentamiento adicionales con disparos de 90-100 W y 0,1-1 s del filamento. Este método aumentará lenta y controlablemente el diámetro del MBR hasta el rango deseado. Sin embargo, este proceso puede dar lugar a MBR asimétricos. Si se observa un MBR asimétrico (la esfera no es simétrica con respecto al eje capilar), gírela alrededor del eje capilar entre pasos de calentamiento sucesivos para promover la simetría.
  11. Inspeccione el MBR bajo un microscopio para el control de calidad, en busca de cosas como polvo, grietas o deformaciones. Además, utilice el microscopio aquí para estimar el grosor de la pared del MBR.

2. Grabado húmedo con ácido fluorhídrico

PRECAUCIÓN: El ácido fluorhídrico es muy peligroso, tóxico y corrosivo. El gluconato de calcio debe mantenerse cerca, ya que este producto químico puede neutralizar el ácido fluorhídrico. Use el equipo de protección personal adecuado y siga todas las precauciones de seguridad de la Hoja de datos de seguridad del material (MSDS).

  1. Retire el extremo sellado del capilar cortando 2 cm por debajo del extremo sellado.
  2. Coloque un extremo capilar dentro de una punta roma en el adaptador Luer Lock. Asegúrese de que el diámetro interior de la punta roma esté lo más cerca posible del diámetro exterior del capilar y asegúrese de que el capilar aún pueda caber dentro.
    NOTA: El material del adaptador no debe ser reactivo con el ácido HF.
  3. Aplique epoxi curable por UV en el extremo de la punta roma con el capilar adentro para unir los dos, luego cure con luz UV (fuente de luz UV de 50-100 W; una mayor potencia acelerará el curado).
    PRECAUCIÓN: Se debe usar protección ocular adecuada cuando se opera una fuente de luz UV28.
  4. Una vez que el epoxi esté curado, conecte la punta Luer Lock a una jeringa de 25 mL que sea inerte a HF.
  5. Coloque la jeringa en una bomba de jeringa con una tasa de extracción de 50 μL/min.
  6. Con un extremo del capilar conectado a la jeringa, coloque el otro extremo del capilar en agua desionizada (DI).
  7. Configure la bomba de jeringa para extraer agua a través del capilar hacia la jeringa para verificar que se haya establecido el flujo adecuado (es decir, que el sistema esté libre de burbujas de aire y que el líquido fluya constantemente a través del capilar).
  8. Transfiera el extremo capilar del agua desionizada a un recipiente de ácido HF una vez que se haya establecido el flujo adecuado.
  9. Calcule un tiempo de grabado aproximado basado en el espesor de la pared del MBR antes del grabado, considerando una tasa de grabado medida de 8,18 μm/h con ácido fluorhídrico al 12% (p/v). El espesor de la pared se puede medir bajo un sistema de imágenes que muestra MBR con una resolución submicrónica.
    NOTA: La tasa de grabado para ácidos de otras concentraciones se puede determinar empíricamente. Esto se puede hacer midiendo el espesor de la pared capilar antes y después de un tiempo de grabado establecido.
  10. Haga funcionar la bomba de jeringa a 50 μL/min durante el tiempo de grabado calculado.
  11. Enjuague el capilar con agua desionizada durante 10-15 minutos para eliminar todo el ácido del capilar después de que haya transcurrido el tiempo de grabado. Calcule el tiempo de enjuague para enjuagar todo el volumen capilar de 3 a 5 veces.
  12. Mida el grosor de la pared MBR después del grabado. Utilice esta información para actualizar la velocidad de grabado del ácido.
  13. Repita este proceso, se puede repetir hasta lograr el grosor de pared deseado.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Resultados

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

En la Figura 1C se muestra un MBR representativo fabricado con la máquina PGP. Dado nuestro diámetro exterior capilar inicial (OD) de 360 μm, expandimos el capilar ~ 2 veces en el proceso de fabricación. La expansión del capilar a ~700 μm da como resultado espesores de pared entre 5 μm y 15 μm. Se ha demostrado que el espesor de pared óptimo para la biodetección con MBR es del orden de la longitud de onda de la luz utilizada para excitar el WGM27. En teoría, los MBR p...

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Discusión

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

Aquí, describimos el protocolo para fabricar resonadores de microburbujas (MBR) de modo galería susurrante (WGM) de alta calidad utilizando un procesador de vidrio de precisión. Presentamos los pasos críticos en el protocolo de fabricación, incluidos los pasos de calentamiento y expansión. En este caso, una combinación de sobrecalentamiento, calentamiento durante demasiado tiempo o inyección de demasiada presión de aire interna puede provocar un fracaso en la fabricación. Para solucionar estos problemas, pueden ayudar aj...

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Divulgaciones

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

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

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

Este proyecto fue apoyado en parte por R41AI152745. AJQ fue financiado por el Premio de Biología del Cáncer T32 (NIH CA009547) y K08EB033409.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Adaptador de punta roma a luer lockEllsworth Adhesives8001286
Jeringa hermética al gasHamilton81520
Luer Lock to 360 µ m adaptadorIDEXp-662
Capilar de síliceBGB Analytik TSP250350
Bomba de jeringa 
Amazon
Vytran Glass Processor Thorlabs/VytranGPX3000instrumento PGP con software
Pegamento UV universal B09H7BJKT1

Referencias

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Chen, W., Özdemir, ŞK., Zhao, G., Wiersig, J., Yang, L. Exceptional Points enhance sensing in an optical microcavity. Nature. 548 (7666), 192-195 (2017).
  3. Zhu, J., et al. On-chip single nanoparticle detection and sizing by mode splitting in an ultrahigh-Q microresonator. Nat Photonics. 4 (1), 46-49 (2010).
  4. Dantham, V. R., Holler, S., Kolchenko, V., Wan, Z., Arnold, S. Taking whispering gallery-mode single virus detection and sizing to the limit. Appl Phys Lett. 101, 043704(2012).
  5. Vollmer, F., Arnold, S. Whispering-gallery-mode biosensing: Label-free detection down to single molecules. Nat Methods. 5 (7), 591-596 (2008).
  6. Wang, Y., Zeng, S., Humbert, G., Ho, H. P. Microfluidic whispering gallery mode optical sensors for biological applications. Laser Photonics Rev. 14 (12), 2000135(2020).
  7. Li, B. B., Bulla, D., Prakash, V., Forstner, S., Dehghan-Manshadi, A., Rubinsztein-Dunlop, H., Foster, S., Bowen, W. P. Invited Article: Scalable high-sensitivity optomechanical magnetometers on a chip. APL Photonics. 3, 120806(2018).
  8. Ioppolo, T., Ayaz, U., Ötügen, M. V. Tuning of whispering gallery modes of spherical resonators using an external electric field. Opt Express. 17 (19), 16465(2009).
  9. Xu, L., et al. High-Q silk fibroin whispering gallery microresonator. Opt Express. 24 (18), 20825(2016).
  10. Kim, K. H., et al. Air-coupled ultrasound detection using capillary-based optical ring resonators. Sci Rep. 7, 109(2017).
  11. Pan, J., et al. Microbubble resonators combined with a digital optical frequency comb for high-precision air-coupled ultrasound detectors. Photonics Res. 8 (3), 303(2020).
  12. Foreman, M. R., Swaim, J. D., Vollmer, F. Whispering gallery mode sensors. Opt Express. 7 (2), 168-240 (2015).
  13. Sumetsky, M., Dulashko, Y., Windeler, R. S. Optical microbubble resonator. Opt Lett. 35 (7), 898(2010).
  14. Jiang, X. F., Xiao, Y. F., Yang, Q. F., Shao, L., Clements, W. R., Gong, Q. Free-space coupled, ultralow-threshold Raman lasing from a silica microcavity. Appl Phys Lett. 103, 101102(2013).
  15. Xu, Q., Schmidt, B., Pradhan, S., Lipson, M. Micrometre-scale silicon electro-optic modulator. Nature. 435 (7040), 325-327 (2005).
  16. Henze, R., Seifert, T., Ward, J., Benson, O. Tuning whispering gallery modes using internal aerostatic pressure. Opt Lett. 36 (23), 4536(2011).
  17. Wade, J. H., Jones, J. D., Lenov, I. L., Riordan, C. M., Sligar, S. G., Bailey, R. C. Microfluidic platform for efficient nanodisc assembly, membrane protein incorporation, and purification. Lab Chip. 17 (17), 2951-2959 (2017).
  18. Zhu, H., White, I. M., Suter, J. D., Zourob, M., Fan, X. Opto-fluidic micro-ring resonator for sensitive label-free viral detection. Analyst. 133 (3), 356-360 (2008).
  19. White, I. M., Gohring, J., Sun, Y., Yang, G., Lacey, S., Fan, X. Versatile waveguide-coupled optofluidic devices based on liquid core optical ring resonators. Appl Phys Lett. 91, 241104(2007).
  20. Wang, Z., et al. Monitoring and identifying pendant droplets in microbottle resonators. Photonics Res. 10 (3), 662(2022).
  21. Liu, W., et al. Magnetic sensor based on WGM hollow microbubble resonator filled with magnetic fluid. Opt Commun. 497, 127148(2021).
  22. Hogan, L. T., Horak, E. H., Ward, J. M., Knapper, K. A., Nic Chormaic, S., Goldsmith, R. H. Toward real-time monitoring and control of single nanoparticle properties with a microbubble resonator spectrometer. ACS Nano. 13 (11), 12743-12757 (2019).
  23. Yu, J., et al. A tellurite glass optical microbubble resonator. Opt Express. 28 (22), 32858-32868 (2020).
  24. Guo, W., Liu, J., Liu, J., Wang, G., Wang, G., Huang, M. A single-ended ultra-thin sphericalmicrobubble based on the improved critical-state pressure-assisted arc discharge method. Coatings. 9 (2), 144(2019).
  25. Jiang, J., et al. Wall-thickness-controlled microbubble fabrication for WGM-based application. Appl Opt. 59 (16), 5052(2020).
  26. Wang, B., Mies, E. Review of fabrication techniques for fused fiber components for fiber lasers. Fiber Lasers VI Technol Syst Appl. 7195, 71950A(2009).
  27. Yang, Y., Ward, J., Chormaic, S. N. Quasi-droplet microbubbles for high resolution sensing applications. Opt Express. 22 (6), 6881(2014).
  28. University of Rochester Ultraviolet Light Safety Guidelines. , University of Rochester. At https://www.safety.rochester.edu/ih/guidelines/pdf/Ultraviolet_Light_Guidelines.pdf (2021).
  29. Sun, Y., Shopova, S. I., Frye-mason, G., Fan, X. Rapid chemical-vapor sensing using optofluidic ring resonators. Opt. Lett. 33 (8), 788-790 (2008).
  30. Giannetti, A., et al. Optical micro-bubble resonators as promising biosensors. Proc SPIE 9506, Optical Sensors. 2015, 950617(2015).
  31. Guo, Z., Lu, Q., Zhu, C., Wang, B., Zhou, Y., Wu, X. Ultra-sensitive biomolecular detection by external referencing optofluidic microbubble resonators. Opt Express. 27 (9), 12424(2019).
  32. Berneschi, S., et al. High Q silica microbubble resonators fabricated by arc discharge. Opt Lett. 36 (17), 3521(2011).
  33. Yang, Y., Saurabh, S., Ward, J. M., Nic Chormaic, S. High-Q, ultrathin-walled microbubble resonator for aerostatic pressure sensing. Opt Express. 24 (1), 294-299 (2016).
  34. Jiang, X., Qavi, A. J., Huang, S. H., Yang, L. Whispering-gallery sensors. Matter. 3 (2), 371-392 (2020).
  35. Yu, D., Humar, M., Meserve, K., Bailey, R. C., Chormaic, S. N., Vollmer, F. Whispering-gallery-mode sensors for biological and physical sensing. Nat Rev Methods Prim. 1, 83(2021).

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Reimpresiones y permisos

Solicitar permiso para reutilizar el texto o las figuras de este artículo de JoVE

Solicitar permiso

Etiquetas

Resonadores de alto Qprocesamiento de vidriodetecci n del ndice de refracci ngrabado h medocido fluorh dricooptimizaci n del espesor de paredcanales flu dicosfabricaci n mediante l ser de CO2
Video próximamente

Artículos relacionados