ייצור ובדיקה של מתנדים optomechanical Microfluidic
29 במאי 2014
עירורים אופטו-מכניים פרמטריים הודגמו לאחרונה בניסוי בתהודה אופטומכנית מיקרופלואידית באמצעות לחץ קרינה אופטי ופיזור ברילואין מגורה. מאמר זה מתאר את הייצור של מהודים מיקרופלואידיים אלה יחד עם מתודולוגיות ליצירה ואימות של תנודות אופטומכניות.
המטרה הכוללת של הליך זה היא לייצר ולהדגים מתנדים אופטומכניים הפועלים עם מדיה בשלב נוזלי. הדבר מושג תחילה על ידי ייצור של רזונטורים אופטומכניים מיקרופלואידיים באמצעות חימום ומתיחה של קדם-צורות (preforms) של קפילרות זכוכית סיליקה מותכת תחת הקרה של לייזר CO2. השלב השני הוא הרכבת המכשירים שיוצרו לצורך בדיקה.
בשלב הבא, נעשה שימוש בלייזר דיודה כדי להגביר מודים אופטיים של "גלשי לחישה" (whispering gallery modes) במכשיר המיוצר, באמצעות סיב אופטי מוצר. לבסוף, ניתוח ספקטרום אלקטרוני של האותים האופטיים הפלט משמש להצגת אינטראקציה אופטומכנית וחשיפה באמצעות מודים מכניים בנוזלים. מכשירים אלה מספקים יכולת, שלא הייתה זמינה בעבר, לביצוע ניסויים באופטומכניקה עם חומרים בשלב נוזלי.
בדרך כלל, אנשים שאינם מנוסים בשיטה זו יתקשו בתהליך הייצור, שכן יש צורך בתרגול ובאופטימיזציה של פרמטרי הייצור והתהליך. הדגמה של שיטה זו היא קריטית, מכיוון שההפעלה וזיהוי המוד האופטומכני הם קשים לשליטה. הרזונטורים המיקרופלואידיים ייוצרו על ידי חימום ומתיחה של מוקדי קפילריות מזכוכית כדי להשלים את השלב הראשון זה.
שתי במות העברה לינאריות הנשלטות באמצעות תוכנה, כך שהן נעות לאורך אותו קו. עליהן להיות מופרדות על ידי מספר סנטימטרים כדי שהנימיול (capillary) יוכל להתרחב לרוחב הרווח.
יש ליישר את מחזיקי הדגימות על הבמות כך שיחזיקו את הנימים על הציר. לאורך קו התנועה של הבמות, החימום יבוצע באמצעות שני לייזרי CO2 לפני ההמשך. יש לנקוט באמצעי בטיחות מתאימים לעבודה עם לייזרים בעלי הספק גבוה.
לאחר מכן, כוון את פלט הלייזרים כך שיתמקדו באותה נקודה במרווח שבין הבמות הליניאריות. נקודה זו צריכה להיות במיקום שבו תיתלה קפילרית. השתמש בחסמי קרן כדי לעצור את הקרניים לאחר נקודת המטרה.
השתמשו בתוכנה לשליטה סימולטנית בשתי שלבי ההזזה וברמות ההספק של שני לייזרי ה-CO2. עבור הגדרה זו, קפילריים אמינים מיוצרים כאשר שלב אחד נע במהירות, כ-10 מילימטרים לשנייה, והשני לאט, כ-0.5 מילימטרים לשנייה, באותו כיוון, כדי להזין חומר נוסף לאזור החימום.
שני הלייזרים מכוונים ל-4.5 watts למשך תקופת חימום מקדימה של שלושה שניות. לאחר מכן, מכוונים אותם ל-five watts או יותר במהלך תהליך הרישום. כדי לייצר את הרזונטור, השתמשו ב-fused silica, capillary preform, וחתכו אורך של כ-שני עד ארבעה סנטימטרים, כך שיוכל להגיע בין שני מחזיקי הדגימות על במה התרגול הליניארית (linear translation stage).
בשלב הבא, חברו את הנימים למחזיקי הדגימות, כך שאתר היעד של הלייזר יהיה בקירוב במרכז אורך הנימה. המשיכו בהפעלת תוכנת הבקרה.
הלייזר מחמם מראש את הקפילריה למשך שלוש שניות. לאחר מכן, הקפילריה נמשכת למשך כ-10 שניות. עם סיום התהליך, הוציאו את הקפילריה שנמשכה תוך אחיזה בקצה העבה שאינו פתוח בלבד, כדי למנוע זיהום.
תלו את הקפילריה כך שפני השטח של הרזונטור הנקי יהיו תלויים באוויר. צרו קפילריות בקטרים שונים על ידי שינוי פרמטרי המתיחה וחזרה על תהליך הייצור כדי להבטיח שהקפילריות פתוחות. השתמשו במכל מים רדוד ובמזרק.
הרים בזהירות קפילרית מוכנה וטבול קצה אחד שלה במים. השתמש במזרק כדי לנשוף אוויר דרך הקצה השני. בועות אוויר מעידות על כך שהקפילרית פתוחה.
לפני בדיקת הקפילרות, יש לבנות מחזיק להרכבתן. לשם כך, חתכו שלוש פיסות זכוכית בגודל 1 סנטימטר על 0.5 סנטימטר מתוך שקופיות זכוכית. בנוסף, חתכו פיסה אחת בגודל 3 סנטימטר על חצי סנטימטר, גם היא משקופית זכוכית.
לאחר מכן, השתמשו בדבק להדבקת זכוכית או בדבק מהיר כדי להרכיב את החלקים הללו ל-eha. לאחר מכן, חיתכו מקפילריה משוכה קטע שיוכל לגשר על המרחק בין שני ענפים סמוכים במחזיק בצורת U ושיבלוט מעבר להם. השתמשו בדבק אופטי כדי להדביק את הקפילריה כך שקצותיה יבלטו מעבר לשני הענפים של המחזיק ומרכזה יהיה תלוי ביניהם.
לאחר מכן, הרपीאו את הדבק האופטי באמצעות מנורת UV LED למשך הזמן הדרוש. לאחר כ-10 שניות, השגיו צינור פלסטי בעל קוטר פנימי הגדול במעט מקוטר הנימי. הכניסו בזהירות צינור מעל כל אחד מקצוות הנימי המותקן.
שוב, השתמשו בדבק אופטי כדי לאטום את החיבור בין הנימיאל לבין הרכיב והקשיחו בעזרת אור UV. לאחר ההקשחה, המכלול מוכן להרכבה. השתמשו בענף הזכוכית החופשי השלישי כדי להצמיד את המבנה למקומו.
ניסוי זה עושה שימוש בלייזר אינפרא-אדום עם סיב אופטי בעל אורך גל ניתן לכיוון, המחובר למחולל פונקציות המשמש לסריקה מחזורית של אורכי הגל של הלייזר. פלט הלייזר מועבר תחילה דרך בקר קיטוב.
משם, האור מוזנק למוליך גלים של סיב תחוש (tapered fiber) בתדר תקשורת במצב יחיד, הנמצא סמוך לבמה למיקום ננומטרי. לאחר הסיב התחוש, האור עובר דרך ממתנים (attenuators) כדי להגן על האנליזים במורד הזרם. בניסוי זה, לאחר הממתן, האור מופנה לגלאי פוטו המחובר לאנליזר ספקטרום חשמלי ולאוסצילוסקופ.
התחילו את הניסוי על ידי ייצוב הלייזר וביצוע סריקות של אורך הגל של קרן הלייזר. לאחר מכן, השג את תושבת רזונטור הנימי המורכבת והניחו את תושבת רזונטור הנימי על במה המיקרו-מיקום בסמוך לסיב המצומצם (tapered fiber). לאחר מכן, העבירו בזהירות את הבמה כדי לקרב את הרזונטור למרחק של כ-one micron מהסיב המצומצם כדי להשיג צימוד אבבנסי (evanescent coupling).
בזמן סריקת אורכי הגל, ירידות בתמסירות הלייזר כפונקציה של הזמן, כפי שנצפות באוסצילוסקופ, מעידות על קיום של צימוד נעלם (evanescent coupling) ותהודה. השתמשו במנתח הספקטרום כדי לחפש התערבות זמנית בין אור הלייזר הנכנס לבין האור המפוזר. תדר ההבייה (beat note) זה מתרחש בתדר התנודה המכנית.
בדוגמה זו, מוד מכני בתדר של 24.94 megahertz מעורר בנימים על ידי לחץ קרינה. נעשה ניסיון לסנכרן למוד האופטי הרלוונטי עבור תנודה מכנית באמצעות השבתה של סריקת תדרי הלייזר ובקרת אורך הגל של הלייזר. במצב של גל רציף (continuous wave), אותים מחזוריים יופיעו באוסצילוסקופ כאשר קיים מוד מכני. לאחר רכישת מיומנות, ניתן להשלים את ייצור המכשיר ואת הבדיקות תוך כ-45 דקות, אם הדבר נעשה בצורה נכונה.
בעת ביצוע פרוצדורה זו, חשוב לזכור כי אין לגעת ידנית ברזונטור ובסיב המצר (tapered fiber), אפילו לא באמצעות פינצטה. זאת על מנת לשמור על ניקיון המשטחים. מאז פיתוחה, סללה טכניקה זו את הדרך עבור חוקרים בתחום האופטיקה מכנית של חלליות (cavity optic mechanics) לחקור אינטראקציות חדשניות עם נוזלים ואנליטים ביולוגיים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מתמקד בייצור ובהדגמה של מתנדים אופטומכניים המשתמשים במדיום פאזה נוזלית. המחקר מדגיש את יצירתם של רזונטורים אופטומכניים מיקרופלואידיים ואת המתודולוגיות ששימשו ליצירה ואימות של תנודות אופטומכניות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- אופטומכניקה
- מיקרופלואידיקה
- פיזיקה ניסויית
רקע
- עוררות אופטומכניות הודגמו ברזונטורים מיקרופלואידיים.
- לחץ קרינה אופטי ופיזור ברילואן מעורר הם מנגנוני מפתח.
- מכשירים אלו מאפשרים ביצוע ניסויים עם חומרים בשלב נוזלי.
- הייצור כולל חימום ומתיחה של קפילרות מזכוכית סיליקה מותכת.
מטרת המחקר
- לייצר רזונטורים אופטומכניים מיקרופלואידיים.
- להדגים תנודות אופטומכניות בתווכי נוזל.
- לבחון את האינטראקציה בין אותות אופטיים לאורכי תנודה מכניים בנוזלים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- ייצור רזונטורים באמצעות הקרנת לייזר CO2.
- התקנת התקנים לבדיקה.
- הזרקת אנרגיה למסלולי גלריה לוחשת (whispering gallery modes) אופטיים באמצעות לייזר דיודה.
- ניתוח ספקטרום אלקטרוני של אותות אופטיים פלט.
תוצאות עיקריות
- ייצור מוצלח של רזונטורים אופטומכניים מיקרופלואידיים.
- הדגמה של אינטראקציה אופטומכנית במדיה בפאזה נוזלית.
- אימות של תנודות אופטומכניות באמצעות ניתוח אלקטרוני.
- יכולות חדשות לביצוע ניסויי אופטומכניקה עם נוזלים.
מסקנות
- המחקר מציג גישה חדשנית לאופטומכניקה באמצעות מדיום נוזלי.
- ההתקנים המיוצרים יכולים לסייע בהקמת מערכי ניסוי מתקדמים.
- הממצאים עשויים להוביל ליישומים חדשים בתחומי החישה ומחקרי חומרים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למסמך ניהולי
מתנדים אופטומכניים מיקרופלואידיים מאפשרים בחינה ברמת דיוק גבוהה של תופעות מכניות ואופטיות בסביבות נוזליות, ובכך הם מתגברים על מגבלות קודמות של מערכות הפועלות בשלב מוצק בלבד. יכולת זו תומכת בתיקוף מתקדמים של מטרות ובצמצום סיכונים מכניסטיים בשלבים מוקדמים של הגילוי, במיוחד עבור אנליטים בשלב נוזלי ומערכות רלוונטיות ביולוגית. גישה זו מגבירה את הביטחון החזוי בנקודות תפנית קריטיות בשרשראות הפיתוח של תחומי הביו-פארמה.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח ביו-פרמצבטיים
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר מחקר ישיר של אינטראקציות אופטומכניות בדגימות ביולוגיות או כימיות בשלב נוזלי.
- תומך בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי שמירה על מקדמי איכות מכניים ואופטיים גבוהים בסביבות נוזליות.
- מקל על תיקוף תפקודי של מטרות הרגישות לתנאי פאזה נוזלית.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מספק פלטפורמה למדידה כמותית של תגובות אופטומכניות במערכות מיקרופלואידיות.
- תומך בפיתוח בדיקות הדירות באמצעות ניצול ביצועי רזונטור בעל Q גבוה במיוחד.
- מאפשר הכנה של מערכות מיקרופלואידיות מתוקפות לצורך סריקת תרכובות או אנליטים בשלבים הבאים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מאפשר חקירה של אינטראקציות בשלב הנוזלי הרלוונטיות למחלה, שאינן נגישות במערכות במצב מוצק.
- משפר את הרציפות התרגומית על ידי התאמת התנאים הניסיוניים לסביבות פיזיולוגיות.
- תומך בהחלטות קידום מותאמות סיכונים באמצעות קריאות אופטומכניות כמותיות ואמינות.
שילוב בצינור עיבוד ובזרימת עבודה
שיטה זו משתלבת ברצף הגילוי, החל מבדיקת השערות ראשונית, דרך פיתוח בדיקה ומחקר תרגומי, ובמיוחד במקרים בהם נדרש ניתוח של פאזה נוזלית.
- ביולוגיה של גילוי: מאפשרת בדיקת היפותזות והבהרת מסלולים במערכות פאזה נוזלית.
- סריקה: מספקת מדידות אופטומכניות כמותיות הניתנות לשחזור לצורך מוכנות של בדיקה (assay).
- אנליטיקה: מספקת פלטים של ניתוח ספקטרום אלקטרוני להשוואה ישירה בין תנאים ניסיוניים.
- מחקר טרנסלציונלי: מגשרת בין שלבי הגילוי לעבודה הפרה-קלינית על ידי תמיכה במחקרי ביומרקרים בפאזה נוזלית.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת פלטפורמה לשימוש חוזר עבור ניתוח אופטומכני ביישומים פלואידיים מגוונים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי ומפחית עמימות מכניסטית בתיקוף מטרות בשלב הנוזלי.
- ערך תפעולי: מבצע סטנדרטיזציה של הייצור והבדיקה של רזונטורים מיקרופלואידיים בעלי Q גבוה עבור תהליכי עבודה ניתנים להרחבה.
- ערך אסטרטגי: מאפשר קבלת החלטות משופרת לגבי המשך או הפסקת הפיתוח (go/no-go) באמצעות אספקת נתונים אופטומכניים כמותיים ואמינים.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתיעדוף מותאם סיכונים של מטרות ובדיקות בשלב הנוזלי.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בייצור מיקרופלואידי ובבדיקות אופטומכניות.
- דורש גישה למערכות לייזר CO2, במה של תרגום מדויק ומכשור לניתוח ספקטרום.
- דורש סטנדרטיזציה קפדנית בין צוותים למען שחזוריות וניקיון.
- התאמה בין מערכות מודל שונות של פאזה נוזלית עשויה לדרוש אופטימיזציה של פרמטרים.
- טיפול זהיר ובקרה על זיהומים הם קריטיים לשמירה על ביצועי המכשיר.
שאלות נפוצות בביופארמה
Chapters in this video
0:05
Title
1:25
The Capillary Manufacturing Setup
3:12
Fabrication of Microfluidic Optomechanical Resonators
4:38
Mounting the Fabricated Device for Testing
6:11
Taper-coupling to Whispering Gallery Resonances and Searching for Electronic Signals Indicating Mechanical Vibration
8:23
Conclusion
