פיתוח של חיישני Whispering גלרית Mode פולימריים מייקר אופטי שדה חשמליים
29 בינואר 2013
חיישן מייקרו רגישות גבוהה פוטוניים פותח לגילוי שדה חשמלי. החיישן מנצל את המצבים האופטיים של מרחב דיאלקטרי. שינויים בשדה החשמלי החיצוני מטריד את מורפולוגיה הכדור שהובילה לשינויים במצבים האופטיים שלה. עוצמת השדה החשמלית שנמדדה על ידי ניטור אופטיים המשמרות האלה.
מטרת הניסוי הבא היא למדוד אופטית שדה חשמלי באמצעות מצב Whispering Gallery או תופעת WGM. זה מושג על ידי ריגוש המצבים האופטיים של המיקרוספירה הדיאלקטרית, באמצעות סיב אופטי במצב יחיד. כצעד שני, מופעל שדה חיצוני על המיקרוספרה, הגורם לשינוי ב-WGM של המיקרוספרה.
לאחר מכן, משמרות ה-WGM וגודל השדה החשמלי המופעל נרשמים במחשב. התוצאות שהתקבלו מראות את הקשר בין משמרות ה-WGM לבין השדה החשמלי המופעל. היתרונות העיקריים של טכניקה זו הם שהחיישנים קטנים בהרבה, צורכים הרבה פחות חשמל ויש שיפור משמעותי ברגישות המדידה.
הוא קיבל השראה מההתפתחויות האחרונות בטכנולוגיית התקשורת האופטית, שיטה זו שניתן להשתמש בה במגוון רחב יותר של תחומים, כולל שטח, אבטחה, הגנה, חיזוי ברקים ומדעי המוח הדגמה חזותית של שיטה זו היא קריטית מכיוון שהשגת צימוד אור טוב עם בין הכדור לסיב יכולה להיות קשה ללמידה בגלל הצורך במיקום מדויק בין הכדור לסיב. שלושה סוגים של חיישני מיקרוספרה נחקרים כאן. כדי להכין כדור מסוג אחד, התחל עם בסיס פולי דימתיל סלואן או PDMS וחומר הריפוי S guard 1 8 4 סיליקה ואלסטומר מערבבים בסיס PDMS וחומר הריפוי עם יחס נפח של 60 לאחד.
לאחר מכן, השתמש בחשפנית אופטית כדי להפשיט גדיל של שני סנטימטרים של סיב אופטי סיליקה ממעיל הפלסטיק שלו. מחממים קצה אחד של הסיב בעזרת לפיד בוטאן ומותחים אותו כדי לספק קצה גזע בקוטר של כ-25 עד 50 מיקרומטר. בקצה ליצירת כדור, טובלים את הקצה המתוח של הסיב בתערובת ה-PDMS לעומק של שניים עד ארבעה מילימטרים, ואז שולפים אותו החוצה את העומק הסופי של הסיב בתערובת ואת המהירות שבה הוא מופק, שולט בגודל הכדור, קובר את שני הפרמטרים הללו כדי לקבל קוטר כדור בטווח של 100 עד 1000 מיקרומטר.
לבסוף, הכניסו את מכלול המיקרוספירה והגבעול לתנור בטמפרטורה של כ-90 מעלות צלזיוס למשך ארבע שעות כדי לאפשר ריפוי נכון של החומר הפולימרי עבור כדורי AO משולשים מסוג שני. התחל עם כדור מיקרוספרה A-P-D-M-S, הקלד אחד מתחת למכסה הזרם של למינה, ובאמצעות מסכה הוסף בין 2% לסביבות 10% נפח של בריום טיטאן שמונה ננו-חלקיקים לתערובת PDMS וחומר ריפוי של 60 לאחד המשמשת ליצירת המיקרוספרה. תערובת זו תיצור את השכבה האמצעית.
הכמות המשמשת תקבע את התכונות הדיאלקטריות של הכדור. טובלים את המיקרוספירה PDMS בתערובת טיטנאט בריום PDS כדי לצפות אותה בשכבה בעובי נומינלי של כ-10 מיקרומטר. לאחר מכן מכניסים את כדור שתי השכבות לתנור, כ-90 מעלות צלזיוס למשך ארבע שעות כדי לאפשר ריפוי נכון של השכבה השנייה.
לאחר שהכדור הדו-שכבתי נרפא ומקורר לטמפרטורת החדר, טבלו אותו שוב בתערובת PDMS של 60 לאחד כדי לספק שכבה חיצונית שלישית של כ-10 מיקרומטר. שכבה חיצונית זו תשמש כמדריך אופטי כדורי לסיליקה מסוג שלוש. מיקרוספירות PDMS.
התחל בהכנת אמבטיה של מרחב PDMS טהור. התחל עם סיב אופטי סיליקה במצב יחיד, והשתמש בחשפנית אופטית כדי להפשיט קטע באורך שלושה סנטימטרים מציפוי החיץ הפלסטי שלו מהקצה שלו. השתמש בלפיד כדי להמיס את קצה הסיב, כולל החיפוי והליבה באמצעות מתח פנים וצורת כוח הכבידה.
ניתן לעצב את כדורי הסיליקה הכדוריים הנעים בין 200 ל-500 מיקרומטר מהקצה המומס לאחר הייצור. מיקרוספרת הסיליקה טובלת בבסיס ה-PDMS כדי לכסות אותה בשכבה של כ-50 מיקרומטר. שכבה חיצונית זו נשארת כנוזל מתח צמיג מאוד להכנת הסיבים האופטיים.
שוב, התחל באורך של סיב אופטי במצב יחיד והשתמש בחשפנית אופטית כדי להסיר שלושה עד ארבעה סנטימטרים ממאגר הפלסטיק שלו איפשהו באמצע. השתמש בלפיד מיקרו כדי לחמם את קטע הרצועה של הסיב עד שהחיפוי וליבת הסיבים מותכים. כאשר הליבה מותכת, משוך קצה אחד של הסיב האופטי לאורך צירו ליצירת קטע מחודד שאורכו כסנטימטר עד שני סנטימטרים.
קוטר האזור המחודד נקבע על פי משך החימום, מהירות המשיכה ומרחק המשיכה. טווח הקוטרים הוא בין 10 ל -20 מיקרומטר. כדי לחקור את המערכת, חבר את הפלט של לייזר משוב מבוזר מתכוונן באינפרא אדום הקרוב עם אורך גל נומינלי של 1.3 מיקרון לקצה אחד של הסיב האופטי המוכן.
יש לסיים את הקצה השני בדיודת צילום מהירה. פלט דיודת הצילום עובר דיגיטציה ומאוחסן במחשב. השתמש במיקרו-שלב תרגום כדי להביא את אחת המיקרוספירות מסוג 1, 2 או 3 במגע עם החלק המחודד של הסיב האופטי כדי לספק צימוד אופטי בין שני האלמנטים.
עם פלט מחולל פונקציות, מתח מסור של כ -600 מילי-וולט משרעת ותדר קילו-הרץ אחד. זהו קלט לבקר הלייזר DFB. שדה חשמלי אחיד בערך נוצר באמצעות שתי לוחות פליז בגודל שני סנטימטר על שני סנטימטרים, כל אחד בעובי של מילימטר אחד.
אלה מסודרים כקבל לוח מקביל ומחוברים לאספקת מתח. חיישני הכדור ממוקמים במרווח שבין הלוחות. שדה חשמלי גבוה ממושך יכול לשמש גם כדי להגביר את רגישות המדידה של החיישנים.
כדי להגיע למקום זה, הכדורים בשדה חשמלי של מגה וולט למטר במשך שעתיים לפני מודדים את השינוי באורך הגל של האור המועבר. בנתונים המוצגים כאן יש עדות לשינוי בגיאומטריית הכדור מסוג 1 בנוכחות שדה חשמלי. תרשים זה מציג את שינוי מצב הגלריה הלוחשת של כדור מסוג אחד תחת הפרעה בשדה הרמוני ושינוי מצב הגלריה הלוחשת לעומת משרעת השדה החשמלי עבור אותו כדור.
מוצג כאן שינוי מצב הגלריה הלוחשת של כדור מסוג שני והפרעה בשדה הרמוני, ושינוי מצב הגלריה הלוחשת לעומת משרעת השדה החשמלי עבור כדור מסוג שני. שימו לב שיש עלייה ברגישות בהשוואה לכדור מסוג 1. מוצג כאן שינוי מצב הגלריה הלוחשת של כדור מסוג שלוש והפרעה בשדה הרמוני.
ולבסוף, שינוי מצב הגלריה הלוחשת לעומת משרעת השדה החשמלי. עבור סוג שלוש הכדורים מראים לסוג זה יש את הרגישות הגדולה ביותר. מאסטר אחד בטכניקה זו יכול להיעשות תוך מספר שעות, כולל הכנת כדור וסיבים אם היא מבוצעת כראוי.
בעת ביצוע הליך זה, חשוב לא לזהם את משטח הכדור בעקבות הליך זה. ניתן לפתח טכניקות מדידה אחרות המבוססות על תזוזות WGM כגון אלה לגילוי שדה מגנטי.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
המחקר הזה מציג חיישן מיקרו פוטוני ברגישות גבוהה שנועד לגילוי שדה חשמלי. על ידי שימוש במצבים האופטיים של מיכלית דיאלקטרית מיקרוסקופית, החיישן מודד את עוצמת השדה החשמלי באמצעות שינויים במצבים האופטיים הללו הנגרמים על ידי הפרעות שדה חשמלי חיצוניות.
רכיבי מחקר עיקריים
תחום המדע
- מדעי המוח
- חישה אופטית
- מדידת שדה חשמלי
רקע
- תופעות של מצב גלריה לוחשת (WGM) משמשות למדידות אופטיות.
- מיכלית דיאלקטרית מיקרוסקופית יעילה ליישומים של חישה.
- שדות חשמליים חיצוניים יכולים לגרום לשינויים נמדדים במצבים אופטיים.
- רגישות גבוהה וצריכת חשמל נמוכה הם קריטיים לעיצוב החיישן.
מטרת המחקר
- לפתח חיישן שיכול למדוד בדיוק שדות חשמליים.
- להדגים את הקשר בין שינויי WGM לשדות חשמליים מופעלים.
- לשפר את רגישות המדידה ולהקטין את גודל החיישן.
שיטות ששימשו
- עירור של מצבים אופטיים באמצעות סיב אופטי חד-מצבי.
- יישום של שדה חשמלי חיצוני על מיכלית המיקרוסקופ.
- הקלטת שינויי WGM ועוצמת השדה החשמלי במחשב.
- ניתוח של הקשר בין שינויי WGM לעוצמת השדה החשמלי.
תוצאות עיקריות
- החיישן הפגין שיפורים משמעותיים ברגישות.
- התוצאות אישרו את הקשר בין שינויי WGM לעוצמת השדה החשמלי.
- חיישן המיכלית היה קטן ויעיל יותר באופן משמעותי.
- צריכת החשמל הופחתה באופן משמעותי בהשוואה לשיטות מסורתיות.
מסקנות
- החיישן שפותח הוא כלי מבטיח לגילוי שדה חשמלי.
- הוא מציע יתרונות בגודל, צריכת חשמל ורגישות.
- טכניקה זו יכולה לקדם יישומים של חישה אופטית בתחומים שונים.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
This work introduces a photonic microsphere sensor for electric field detection, offering a label-free, high-sensitivity approach to monitor electrophysiological activity. The technology enables non-invasive measurement of weak electric fields, supporting early-stage target validation in neuroscience and neuromodulation research. By providing quantitative, real-time readouts of field-induced WGM shifts, it enhances predictive confidence in mechanistic studies of ion channel function and neuronal signaling.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by correlating electric field dynamics with biological responses in neuronal models.
- Operational Value: Provides a reproducible, label-free readout for functional target validation without genetic or chemical perturbation.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking by linking applied field strength to quantifiable optical shifts, improving target engagement assessment.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Generates standardized, quantitative WGM shift outputs suitable for high-throughput screening of compounds affecting electrophysiological properties.
- Reproducibility: Enables consistent sensor fabrication and coupling, reducing variability in electrophysiological measurements across assay runs.
- Scalability: Compatible with tapered fiber coupling and parallel plate field application, supporting multi-well or array-based configurations for compound screening.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Bridges discovery-phase electrophysiology measurements with preclinical validation by providing a scalable, sensor-based readout of neuronal activity.
- Disease-Relevant System: Applicable to models of neurological disorders where aberrant electric field patterns indicate pathophysiological states.
- Risk-Adjusted Advancement: Enables early detection of off-target electrophysiological effects, improving safety profiling in lead optimization.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery-to-preclinical continuum, supporting hypothesis testing in early discovery, assay development for screening, and translational validation in preclinical models of neurological function.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing of ion channel modulators by measuring resultant shifts in cellular electric fields via WGM perturbations.
- Screening: Delivers assay-ready, quantitative optical outputs that enable comparison of test compounds on electrophysiological phenotypes.
- Analytics: Provides precise wavelength shift measurements that correlate with applied field strength, enabling dose-response and kinetic analysis.
- Translational Research: Supports continuity from in vitro neuronal models to preclinical validation by offering a consistent, sensor-based electrophysiology readout.
- Enterprise Reuse: Represents a reusable photonic platform adaptable to various dielectric microsphere configurations for multi-parameter sensing.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances target validation confidence through direct, label-free measurement of electrophysiological dynamics.
- Operational Value: Improves reproducibility and throughput via standardized microsphere preparation and fiber-coupled interrogation.
- Strategic Value: Reduces biological false positives by enabling early detection of electrophysiological liabilities in lead candidates.
- Portfolio Impact: Informs risk-adjusted prioritization by identifying compounds with unwanted effects on neuronal excitability.
Implementation Considerations
- Requires expertise in optical fiber tapping, microsphere fabrication, and optical coupling techniques.
- Depends on access to tunable DFB lasers, photodiodes, and precision translation stages for signal acquisition.
- Necessitates standardization of poling protocols and field application parameters across sensor batches.
- Involves adaptation considerations when transitioning between PDMS, barium titanate-doped, and silica-core microsphere configurations.
- Limited by the need for clean, controlled environments to prevent surface contamination during sphere-fiber coupling.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:21
Sphere type I: PDMS Microsphere Preparation
2:37
Sphere type II: PDMS-based Triple Layer Sphere Preperation
3:47
Sphere type III: Silica/PDMS Microsphere Preperation
5:26
Opto-electronic Set-up
6:19
Electric Field Generation
4:39
Optical Fiber Preparation
8:00
Conclusion
6:59
Results: Measurement of Whispering Gallery Mode Shifts Using Polymeric Micro-optical Sensors
