Tutaj demonstrujemy solidny i ustandaryzowany protokół do produkcji wysokiej jakości rezonatorów mikropęcherzykowych (MBR) w trybie Whispering Gallery (WGM) za pomocą precyzyjnej maszyny do obróbki szkła (PGP).
Artykuł metodologiczny
Tutaj demonstrujemy solidny i ustandaryzowany protokół do produkcji wysokiej jakości rezonatorów mikropęcherzykowych (MBR) w trybie Whispering Gallery (WGM) za pomocą precyzyjnej maszyny do obróbki szkła (PGP).
Demonstrujemy solidną i ustandaryzowaną metodę wytwarzania wysokiej jakości rezonatorów mikropęcherzykowych (MBR) w trybie Whispering Gallery (WGM) za pomocą precyzyjnej maszyny do obróbki szkła (PGP). Rezonatory mikropęcherzykowe to wyjątkowa klasa urządzeń WGM ze zintegrowanymi kanałami przepływowymi, dzięki czemu idealnie nadają się do różnych zastosowań czujnikowych. W tym miejscu przedstawiamy ustandaryzowany protokół wytwarzania rezonatorów mikropęcherzykowych o wysokiej jakości Q poprzez optymalizację kluczowych wskaźników wydajności, takich jak współczynnik Q i grubość ścianki. Pokazujemy również metody poprawy czułości platformy na zmiany współczynnika załamania światła i inne cele pomiarowe za pomocą wytrawiania na mokro kwasem fluorowodorowym (HF). Na koniec omówiono krótką analizę odporności mikropęcherzyków na przepływ płynu, pokazującą, że mikropęcherzyki o mniejszej średnicy wykazują większy opór przepływu w przypadku dostarczania analitu - czynnik, który należy wziąć pod uwagę przy dostarczaniu analitu. Wdrożenie tego wyrafinowanego protokołu produkcyjnego nie tylko zwiększa wskaźnik sukcesu produkcji urządzeń, ale także skraca czas wytwarzania. Co więcej, protokół można rozszerzyć na inne techniki stosowane do produkcji MBR, takie jak metody laserowe CO2 .
Mikrorezonatory w trybie Whispering Gallery Mode (WGM) to klasa czujników optycznych, które wykazały ogromny potencjał nie tylko do wykrywania pojedynczych cząsteczek i nanocząstek1,2,3,4,5,6 ale także do wykrywania szerokiego zakresu zjawisk fizycznych, takich jak magneticic7 i pola elektryczne8, temperature9 i fale ultradźwiękowe10,11. W warunkach rezonansu optycznego światło jest uwięzione w urządzeniu, co prowadzi do znacznego wzmocnienia mocy12,13. Każda zlokalizowana zmiana w rezonatorze (taka jak wiązanie biomolekuły lub zmiany współczynnika załamania otaczających ośrodków) wywołuje zmiany w lokalnym środowisku optycznym, przesuwając w ten sposób częstotliwość rezonansową lub długość fali. Monitorując zmiany długości fali rezonansowej lub częstotliwości, można wykrywać i charakteryzować anality w czasie rzeczywistym.
Mikrorezonatory WGM mogą być zaprojektowane w różnych geometriach. Typowe geometrie obejmują między innymi rezonatory microtoroids14, microrings15 i microbubble16 rezonatory (MBR). W tym miejscu skupiamy się na MBR ze względu na ich ogromny potencjał w zastosowaniach czujników optofluidycznych. Kluczową zaletą MBR jest ich płynna integracja17,18,19,20, która jest możliwa dzięki wyprodukowaniu urządzenia z mikrokapilary. W tej konstrukcji kapilara liniowa ułatwia dostarczanie małych objętości (tj. mikrolitrów) analitów w roztworze do obszaru wykrywania bez potrzeby stosowania zewnętrznych kanałów przepływowych, jak pokazano na Rysunek 1. Dzięki unikalnym możliwościom obsługi płynów, MBR doskonale nadają się do szerokiego zakresu zastosowań czujnikowych, które nie są łatwo osiągalne przy użyciu innych platform WGM. Na przykład, MBR zostały wypełnione płynami magnetycznymi, zwiększając w ten sposób wrażliwość na zewnętrzne pola magnetyczne21. Dodatkowo, MBR zostały również wykorzystane do kontrolowania specyficznej orientacji nanoprętów złota w roztworze za pomocą momentów optycznych22.
Wytwarzanie MBR-ów można podsumować w następujący sposób: Ciśnienie aerostatyczne jest stosowane wewnątrz kapilary, podczas gdy mały obszar kapilary jest lokalnie podgrzewany. Połączenie miejscowego ogrzewania i ciśnienia wewnętrznego napełnia podgrzewaną sekcję do sferycznej geometrii zdolnej do obsługi WGM o wysokim Q, jak pokazano na Rysunek 2. W celu uzyskania miejscowego ogrzewania kapilary można zastosować różne metody, takie jak użycie lasera CO2 23, spawarki światłowodowej24, źródła płomienia wodorowego25 oraz precyzyjnej maszyny do obróbki szkła (PGP). Przedstawione tutaj metody można rozszerzyć na inne źródła ogrzewania, w tym laser CO2 . PGP jest podobny do spawarki światłowodowej, ale oferuje lepszą kontrolę nad czasem nagrzewania, ustawianiem mocy i położeniem światłowodów lub kapilarni26. PGP często zawierają wbudowane mikroskopy przylegające do elementów grzejnych, umożliwiające monitorowanie procesu produkcyjnego w czasie rzeczywistym. Zazwyczaj światło z przestrajalnego lasera diodowego jest sprzężone z MBR za pomocą stożkowego światłowodu, który styka się z równikiem MBR. Włókno jest zwężane (do ~1 μm), aby umożliwić efektywne sprzężenie światła do i z MBR. Powstałe widma transmisyjne z MBR są następnie przechwytywane przez fotodetektor przez światłowód i wizualizowane na oscyloskopie.
Wykrywanie za pomocą MBR WGM opiera się na interakcji pola WGM z docelowym analitem. Siła tej interakcji jest wprost proporcjonalna do frakcji pola WGM, która przenika przez pustą wnękę MBR, przez którą mogą przepływać próbki fazy ciekłej lub gazowej27. Jak pokazano na Rysunek 3, symulacje COMSOL ilustrują, jak przenikanie pola WGM do wewnętrznej wnęki zmienia się wraz z grubością ścianki MBR. Maksymalna penetracja pola WGM następuje, gdy grubość ścianki jest zmniejszona do mniej niż 1 μm, przy czym symulacje te przeprowadza się przy użyciu światła w paśmie 780 nm. Osiągnięcie tak zmniejszonej grubości ścianki za pomocą samego standardowego protokołu produkcyjnego z użyciem ciepła i nadmuchiwania jest wyzwaniem. Aby jeszcze bardziej rozrzedzić ścianki MBR i zwiększyć czułość urządzenia, wprowadzamy dodatkowe etapy trawienia na mokro przy użyciu kwasu fluorowodorowego (HF).
Korzystając z PGP, skupimy się na wytwarzaniu MBR-ów zgodnie z kapilarą krzemionkową. Przedstawiony zostanie również szczegółowy opis procesu wytwarzania oraz metod zwiększania wrażliwości na zmiany współczynnika załamania światła poprzez trawienie na mokro.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Wytwarzanie mikropęcherzyków
2. Trawienie na mokro kwasem fluorowodorowym
UWAGA: Kwas fluorowodorowy jest bardzo niebezpieczny, toksyczny i. Glukonian wapnia powinien być przechowywany w pobliżu, ponieważ ta substancja chemiczna może neutralizować kwas fluorowodorowy. Nosić odpowiednie środki ochrony osobistej i przestrzegać wszystkich środków ostrożności zawartych w Karcie Charakterystyki Substancji Niebezpiecznej (MSDS).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Reprezentatywny MBR wyprodukowany za pomocą maszyny PGP jest pokazany w Rysunek 1C. Biorąc pod uwagę naszą początkową średnicę zewnętrzną kapilary (OD) wynoszącą 360 μm, rozszerzamy kapilarnę ~2x w procesie wytwarzania. Rozszerzenie kapilary do ~700 μm powoduje uzyskanie grubości ścianki od 5 μm do 15 μm. Wykazano, że optymalna grubość ścianki do biodetekcji za pomocą MBR jest rzędu długości fali światła użytego do wzbudzenia WGM27. MBR mogą teoretycznie osiągnąć wspó...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
W tym miejscu opisaliśmy protokół wytwarzania wysokiej jakości rezonatorów mikropęcherzykowych (MBR) w trybie szeptanej galerii (WGM) przy użyciu precyzyjnego szklanego procesora. Przedstawiamy krytyczne etapy w protokole produkcyjnym, w tym etapy podgrzewania i rozszerzania. W tym przypadku połączenie przegrzania, zbyt długiego ogrzewania lub wtryskiwania zbyt dużego ciśnienia powietrza wewnętrznego może prowadzić do nieudanej produkcji. Aby rozwiązać te problemy, pomocne mogą być korekty, takie jak obniżenie mocy grzew...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Ten projekt był częściowo wspierany przez R41AI152745. AJQ został ufundowany przez T32 Cancer Biology Award (NIH CA009547) i K08EB033409.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| końcówka do adaptera luer lock | Ellsworth Adhesives | 8001286 | |
| Strzykawka gazoszczelna | Hamilton | 81520 | |
| Luer Lock do 360 µ m adapter | IDEX | p-662 | |
| Kapilara krzemionkowa | BGB Analytik | TSP250350 | |
| Pompa strzykawkowa | Uniwersalny | na | |
| klej UV | Amazon | B09H7BJKT1 | |
| Vytran Glass Processor | Instrument PGP Thorlabs/Vytran | GPX3000 | z oprogramowaniem |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie