Methodenartikel

Fabricage van hoogwaardige fluistergalerijmodus microbubbelresonatoren

DOI:

10.3791/66890

⸱

16 mei 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

In dit artikel

Samenvatting

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

Hier demonstreren we een robuust en gestandaardiseerd protocol voor het fabriceren van hoogwaardige factor (Q-factor) Whispering Gallery Mode (WGM) Microbubble resonatoren (MBR's) met een precisie glasverwerkingsmachine (PGP).

Samenvatting

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

We demonstreren een robuuste en gestandaardiseerde methode voor de fabricage van hoogwaardige factor (Q-factor) Whispering Gallery Mode (WGM) Microbubble resonatoren (MBR's) met een precisie glasverwerkingsmachine (PGP). Microbellenresonatoren zijn een unieke klasse van WGM-apparaten met geïntegreerde vloeistofkanalen, waardoor ze ideaal zijn voor diverse detectietoepassingen. Hierin tonen we een gestandaardiseerd protocol om high-Q microbubbelresonatoren te fabriceren door de optimalisatie van belangrijke prestatiestatistieken, zoals Q-factor en wanddikte. We tonen ook methoden om de gevoeligheid van het platform voor veranderingen in de brekingsindex en andere detectiedoelen te verbeteren door middel van fluorwaterstofzuur (HF) nat etsen. Ten slotte wordt een korte analyse van de weerstand van microbellen tegen vloeistofstroming besproken, waaruit blijkt dat microbellen met een kleinere diameter een grotere weerstand tegen stroming vertonen voor de afgifte van de analyt - een factor waarmee rekening moet worden gehouden bij de afgifte van de analyt. De implementatie van dit verfijnde fabricageprotocol verhoogt niet alleen het slagingspercentage van de productie van apparaten, maar verkort ook de fabricagetijd. Bovendien kan het protocol worden uitgebreid naar andere technieken die worden gebruikt om MBR's te produceren, zoals op CO2 -lasergebaseerde methoden.

Inleiding

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

Whispering Gallery Mode (WGM) microresonatoren zijn een klasse van optische sensoren die een enorm potentieel hebben aangetoond, niet alleen voor de detectie van afzonderlijke moleculen en nanodeeltjes 1,2,3,4,5,6, maar ook voor het detecteren van een breed scala aan fysische verschijnselen zoals magnetisch7 en elektrische velden 8, temperatuur9 en ultrasone golven 10, 11. okt. Onder optische resonantieomstandigheden wordt licht opgesloten in het apparaat, wat leidt tot een aanzienlijke vermogensversterking 12,13. Elke plaatselijke verandering in de resonator (zoals de binding van een biomolecuul of veranderingen in de brekingsindex van de omringende media) veroorzaakt veranderingen in de lokale optische omgeving, waardoor de resonantiefrequentie of golflengte verschuift. Door de verschuivingen in resonantiegolflengte of -frequentie te volgen, kan men analyten in realtime detecteren en karakteriseren.

WGM-microresonatoren kunnen in verschillende geometrieën worden ontworpen. Veelgebruikte geometrieën omvatten, maar zijn niet beperkt tot, microtoroïden14, microringen15 en microbubbel 16-resonatoren (MBR). Hier richten we ons op MBR's vanwege hun grote potentieel in optofluïdische detectietoepassingen. Een belangrijk voordeel van MBR's is hun fluïdische integratie 17,18,19,20, die mogelijk wordt gemaakt door de fabricage van het apparaat uit een microcapillair. In dit ontwerp vergemakkelijkt het inline capillair de gemakkelijke toediening van kleine volumes (d.w.z. microliters) analyten in oplossing aan het detectiegebied zonder dat er externe vloeistofkanalen nodig zijn, zoals weergegeven in figuur 1. Met hun unieke fluidic handling-mogelijkheden zijn MBR's zeer geschikt voor een breed scala aan detectietoepassingen die niet gemakkelijk te bereiken zijn met andere WGM-platforms. MBR's zijn bijvoorbeeld gevuld met magnetische vloeistoffen, waardoor de gevoeligheid voor externe magnetische velden wordt doordrenkt21. Daarnaast zijn MBR's ook gebruikt om de specifieke oriëntatie van gouden nanostaafjes in oplossing te regelen door middel van optische koppels22.

De fabricage van MBR's kan als volgt worden samengevat: Aerostatische druk wordt uitgeoefend in het capillair terwijl een klein deel van het capillair lokaal wordt verwarmd. De combinatie van plaatselijke verwarming en interne druk blaast het verwarmde gedeelte op tot een sferische geometrie die in staat is om WGM's met een hoge Q te ondersteunen, zoals geïllustreerd in figuur 2. Er kunnen verschillende methoden worden gebruikt om plaatselijke verwarming van het capillair te bereiken, zoals het gebruik van een CO2 -laser23, een glasvezellasapparaat24, een waterstofvlambron25 en een precisieglasverwerkingsmachine (PGP). De hier gepresenteerde methoden kunnen worden uitgebreid naar andere verwarmingsbronnen, waaronder een CO2 -laser. De PGP is vergelijkbaar met een glasvezellasapparaat, maar biedt verbeterde controle over de verwarmingstijd, de vermogensinstelling en de positionering van vezels of haarvaten26. PGP's bevatten vaak ingebouwde microscopen naast de verwarmingselementen, waardoor het fabricageproces in realtime kan worden gevolgd. Doorgaans wordt het licht van een afstembare diodelaser gekoppeld aan de MBR via een taps toelopende optische vezel die in contact staat met de evenaar van de MBR. De vezel is taps toelopend (tot ~1 μm) om een efficiënte koppeling van licht in en uit de MBR mogelijk te maken. De resulterende transmissiespectra van de MBR worden vervolgens vastgelegd door een fotodetector door de optische vezel en gevisualiseerd op een oscilloscoop.

Detectie met WGM MBR's is afhankelijk van de interactie van het WGM-veld met de doelanalyt. De sterkte van deze interactie is recht evenredig met de fractie van het WGM-veld die de holle holte van de MBR binnendringt waar vloeistof- of gasfasemonsters doorheen kunnen stromen27. Zoals te zien is in figuur 3, illustreren COMSOL-simulaties hoe de penetratie van het WGM-veld in de binnenholte varieert met de wanddikte van de MBR. Maximale veldpenetratie van het WGM-veld treedt op wanneer de wanddikte wordt teruggebracht tot minder dan 1 μm, waarbij deze simulaties worden uitgevoerd met licht in de 780 nm-band. Het is een uitdaging om een dergelijke verminderde wanddikte te bereiken door alleen al het standaard fabricageprotocol voor hitte en opblazen. Om de wanden van de MBR verder te verdunnen en het apparaat gevoeliger te maken, nemen we extra natte etsstappen op met behulp van fluorwaterstofzuur (HF).

Met behulp van een PGP zullen we ons concentreren op de fabricage van MBR's in lijn met een silicacapillair. Een gedetailleerde beschrijving van het fabricageproces en methoden om de gevoeligheid voor veranderingen in de brekingsindex door middel van nat etsen te verbeteren, zal ook worden gepresenteerd.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. Fabricage van microbellen

  1. Begin met een met polymeer gecoat capillair van silicaglas (250 μm binnendiameter en 360 μm buitendiameter) met een lengte van ~75 cm. De lengte van het capillair kan variëren afhankelijk van de behoeften van de gebruiker; Zorg ervoor dat de hieronder beschreven druk wordt bereikt bij langere capillaire lengtes.
  2. Brand ~2,5 cm van de polymeercoating aan het ene uiteinde van het capillair af met een butaanbrander en reinig het uiteinde met een delicaat doekje en isopropylalcohol (IPA).
  3. Plaats het schone uiteinde van het capillair in de PGP en klik op de knop voor alleen splitsen op de software om gedurende 5 s te verwarmen op 180 W om het uiteinde van het capillair af te dichten. Stel de opwarmtijd en -duur in met een klik met de rechtermuisknop op de knop voor alleen splitsen .
  4. Om een goede afdichting te garanderen, onderzoekt u het afgedichte capillaire uiteinde, Figuur 1B.
  5. Brand op ~25 cm van het verzegelde uiteinde (of 1/3 van de capillaire lengte vanaf het afgedichte uiteinde) een ~2,5 cm lange strook polymeercoating van het capillair af en reinig het resulterende gebied met IPA.
    OPMERKING: De hierboven beschreven positie is niet kritisch, aangezien de druk gelijkmatig over de capillaire lengte wordt verdeeld. Als de experimentele opstelling van de gebruiker een andere plaatsing van de MBR rechtvaardigt, zou dit geen invloed moeten hebben op de rest van de procedure.
  6. Herhaal deze stap totdat er geen polymeer meer zichtbaar is onder het beeldvormingssysteem, dat een capillair beeld weergeeft met een resolutie van minder dan micron.
  7. Plaats dit pas gereinigde deel van het capillair in het glasprocessorinstrument over het verwarmingselement en onder de eerder beschreven microscoop.
  8. Injecteer met behulp van een gasdichte spuit en een spuitpomp lucht in het capillair zodat de interne druk 10 bar bereikt (d.w.z. het volume in een spuit verlagen van 5 ml naar 0,5 ml, met overeenkomstige drukken berekend met de wet van Boyle). Plaats het capillair op een spuit met een luer-lock op een 360 μm-adapter. U kunt ook druk uitoefenen via een drukregelaar en perslucht/inert gas.
  9. Verwarm het capillair met de PGP met behulp van een filamentvermogen van ~100-110 W gedurende 1,5-2 s.
  10. Voer extra verwarmingsstappen uit met 90-100 W en 0,1-1 s afvuren van de gloeidraad. Deze methode zal de diameter van de MBR langzaam en controleerbaar vergroten tot het gewenste bereik. Dit proces kan echter leiden tot asymmetrische MBR's. Als een asymmetrische MBR wordt waargenomen (de bol is niet symmetrisch om de capillaire as), draai deze dan om de capillaire as tussen opeenvolgende verwarmingsstappen om de symmetrie te bevorderen.
  11. Inspecteer de MBR onder een microscoop voor kwaliteitscontrole, op zoek naar zaken als stof, scheuren of vervormingen. Gebruik hier bovendien de microscoop om de wanddikte van de MBR te schatten.

2. Nat etsen met fluorwaterstofzuur

LET OP: Fluorwaterstofzuur is zeer gevaarlijk, giftig en bijtend. Calciumgluconaat moet in de buurt worden gehouden, omdat deze chemische stof fluorwaterstofzuur kan neutraliseren. Draag geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen en volg alle veiligheidsmaatregelen in het veiligheidsinformatieblad (MSDS).

  1. Verwijder het afgedichte uiteinde van het capillair door 2 cm onder het afgedichte uiteinde te snijden.
  2. Plaats een capillair uiteinde in een stompe punt op de luer lock-adapter. Zorg ervoor dat de binnendiameter van de stompe punt zo dicht mogelijk bij de buitendiameter van het capillair ligt, terwijl het capillair er nog in past.
    NOTITIE: Het adaptermateriaal mag niet reactief zijn met HF-zuur.
  3. Breng UV-uithardende epoxy aan op het uiteinde van de stompe punt met het capillaire uiteinde aan de binnenkant om de twee samen te voegen en hard vervolgens uit met UV-licht (50-100 W UV-lichtbron; hoger wattage versnelt de uitharding).
    LET OP: Bij het gebruik van een UV-lichtbron28 moet de juiste oogbescherming worden gedragen.
  4. Zodra de epoxy is uitgehard, bevestigt u de luer lock-tip aan een spuit van 25 ml die inert is voor HF.
  5. Plaats de spuit in een spuitpomp met een opzuigsnelheid van 50 μl/min.
  6. Met het ene uiteinde van het capillair aangesloten op de spuit, plaatst u het andere uiteinde van het capillair in gedeïoniseerd (DI) water.
  7. Stel de spuitpomp zo in dat er water door het capillair in de spuit wordt opgezogen om te controleren of de juiste doorstroming tot stand is gebracht (d.w.z. dat het systeem vrij is van luchtbellen en dat er constant vloeistof door het capillair stroomt).
  8. Breng het capillaire uiteinde van het DI-water over naar een container met HF-zuur zodra de juiste doorstroming tot stand is gebracht.
  9. Bereken een geschatte etstijd op basis van de MBR-wanddikte vóór het etsen, rekening houdend met een gemeten etssnelheid van 8,18 μm/h met 12% (w/v) fluorwaterstofzuur. De wanddikte kan worden gemeten onder een beeldvormingssysteem dat MBR's met een resolutie van minder dan micron weergeeft.
    OPMERKING: De etssnelheid voor zuren van andere concentraties kan empirisch worden bepaald. Dit kan door de capillaire wanddikte voor en na een ingestelde etstijd te meten.
  10. Laat de spuitpomp draaien op 50 μL/min gedurende de berekende etstijd.
  11. Spoel het capillair gedurende 10-15 minuten met DI-water om al het zuur uit het capillair te verwijderen nadat de etstijd is verstreken. Bereken de spoeltijd om het gehele capillaire volume 3-5 keer te spoelen.
  12. Meet de MBR wanddikte na het etsen. Gebruik deze informatie om de etssnelheid van het zuur bij te werken.
  13. Herhaal dit proces en herhaal dit totdat de gewenste wanddikte is bereikt.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Een representatieve MBR die met de PGP-machine is vervaardigd, wordt weergegeven in figuur 1C. Gezien onze beginnende capillaire buitendiameter (OD) van 360 μm, breiden we het capillaire ~2x uit in het fabricageproces. Door het capillair uit te breiden tot ~700 μm ontstaan wanddiktes tussen 5 μm en 15 μm. Het is aangetoond dat de optimale wanddikte voor biosensing met MBR's in de orde van grootte ligt van de golflengte van het licht dat wordt gebruikt om de ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

Hier hebben we het protocol beschreven om hoogwaardige whispering gallery mode (WGM) microbellenresonatoren (MBR's) te fabriceren met behulp van een precisieglasprocessor. We presenteren kritieke stappen in het fabricageprotocol, inclusief de stappen voor opwarmen en uitbreiden. Hier kan een combinatie van oververhitting, te lang verwarmen of te veel interne luchtdruk injecteren leiden tot een mislukte fabricage. Om deze problemen aan te pakken, kunnen aanpassingen zoals het verlagen van...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

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

Dit project werd mede mogelijk gemaakt door R41AI152745. AJQ werd gefinancierd door de T32 Cancer Biology Award (NIH CA009547) en K08EB033409.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Blunt tip to luer lock adapterEllsworth Adhesives8001286
Gas-tight syringeHamilton81520
Luer Lock to 360 µm adapterIDEXp-662
Silica CapillaryBGB AnalytikTSP250350
Syringe Pump Universalna
UV GlueAmazonB09H7BJKT1
Vytran Glass Processor Thorlabs/VytranGPX3000PGP instrument met software

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

High Q resonatorenglasbewerkingrefractie indexsensingnat etsenfluorwaterstofzuuroptimalisatie van wanddikteflu dische kanalenCO2 laserfabricage
Video binnenkort beschikbaar

Gerelateerde artikelen