Методическая статья

Изготовление высококачественных микропузырьковых резонаторов с режимом шепчущей галереи

DOI:

10.3791/66890

⸱

16 мая 2025 г.

 ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

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

В этой статье мы демонстрируем надежный и стандартизированный протокол для изготовления микропузырьковых резонаторов (MBR) с высоким фактором качества (Q-фактор) в режиме шепчущей галереи (WGM) с помощью прецизионного станка для обработки стекла (PGP).

Аннотация

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

Мы демонстрируем надежный и стандартизированный метод изготовления микропузырьковых резонаторов (MBR) с высоким коэффициентом качества (Q-фактор) в режиме шепчущей галереи (WGM) с помощью прецизионного станка для обработки стекла (PGP). Микропузырьковые резонаторы — это уникальный класс устройств WGM со встроенными жидкостными каналами, что делает их идеальными для различных областей применения. В данной работе мы демонстрируем стандартизированный протокол изготовления высокодобротных микропузырьковых резонаторов за счет оптимизации ключевых показателей производительности, таких как добротность и толщина стенки. Мы также показываем методы повышения чувствительности платформы к изменениям показателя преломления и другим чувствительным мишеням с помощью влажного травления фтористоводородной кислотой (HF). Наконец, обсуждается краткий анализ сопротивления микропузырьков потоку жидкости, показывающий, что микропузырьки меньшего диаметра проявляют большее сопротивление потоку для доставки аналита - фактор, который следует учитывать при доставке аналита. Внедрение этого усовершенствованного протокола изготовления не только повышает вероятность успешного производства устройств, но и сокращает время изготовления. Кроме того, протокол может быть расширен на другие методы, используемые для производства МБР, такие как методы на основе лазера CO2 .

Введение

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

Микрорезонаторы Whispering Gallery Mode (WGM) представляют собой класс оптических датчиков, которые продемонстрировали огромный потенциал не только для обнаружения одиночных молекул и наночастиц 1,2,3,4,5,6, но и для восприятия широкого спектра физических явлений, такихкак магнитные 7 и электрические поля8, температура9 и ультразвуковые волны10. 11. В условиях оптического резонанса свет задерживается внутри устройства, что приводит к значительному увеличению мощности12,13. Любое локализованное изменение в резонаторе (например, связывание биомолекулы или изменение показателя преломления окружающей среды) вызывает изменения в локальной оптической среде, тем самым смещая резонансную частоту или длину волны. Отслеживая сдвиги в резонансной длине волны или частоте, можно обнаруживать и характеризовать аналиты в режиме реального времени.

Микрорезонаторы WGM могут быть спроектированы в различных геометриях. Общие геометрии включают, помимо прочего, микротороиды14, микрокольца15 и микропузырьковые резонаторы (MBR)16. Здесь мы сосредоточимся на MBR из-за их большого потенциала в приложениях оптофлюидного зондирования. Ключевым преимуществом МБР является их гидродинамическая интеграция 17,18,19,20, которая обеспечивается за счет изготовления устройства из микрокапилляра. В этой конструкции встроенный капилляр облегчает подачу небольших объемов (т. е. микролитров) аналитов в растворе в зону чувствительности без необходимости использования внешних жидкостных каналов, как показано на рисунке 1. Обладая уникальными возможностями работы с жидкостями, MBR хорошо подходят для широкого спектра сенсорных задач, которые нелегко достижимы с помощью других платформ WGM. Например, МБР были заполнены магнитными жидкостями, тем самым усиливая чувствительность к внешним магнитнымполям21. Кроме того, МБР также используются для управления специфической ориентацией золотых наностержней в растворе с помощью оптических крутящих моментов22.

Изготовление МБР можно резюмировать следующим образом: аэростатическое давление прикладывается внутри капилляра, в то время как небольшая область капилляра нагревается локально. Сочетание локального нагрева и внутреннего давления раздувает нагретую секцию до сферической геометрии, способной поддерживать высокодобротные рабочие машины, как показано на рисунке 2. Для достижения локального нагрева капилляра могут быть использованы различные способы, такие как использование лазера23 CO2, оптоволоконного сплайсера24, источника водородного пламени25 и прецизионной машины для обработки стекла (PGP). Представленные здесь методы могут быть распространены на другие источники нагрева, в том числе на лазер CO2. PGP похож на сварочный аппарат для оптического волокна, но обеспечивает улучшенный контроль над временем нагрева, настройкой мощности и расположением волокон или капилляров26. PGP часто включают в себя встроенные микроскопы, расположенные рядом с нагревательными элементами, что позволяет контролировать процесс изготовления в режиме реального времени. Как правило, свет от перестраиваемого диодного лазера подключается к МБР через коническое оптическое волокно, которое находится в контакте с экватором МБР. Волокно сужается (до ~1 мкм) для обеспечения эффективной связи света внутри и из MBR. Полученные спектры пропускания из МБР затем захватываются фотодетектором через оптическое волокно и визуализируются на осциллографе.

Зондирование с помощью МБР WGM основано на взаимодействии поля WGM с анализируемым веществом мишени. Сила этого взаимодействия прямо пропорциональна той доле поля WGM, которая проникает в полую полость МБР, через которую могут протекать образцы жидкой или газообразной фазы27. Как показано на рисунке 3, моделирование в COMSOL показывает, как проникновение поля WGM во внутреннюю полость изменяется в зависимости от толщины стенки MBR. Максимальное проникновение поля WGM происходит при уменьшении толщины стенки до менее чем 1 мкм, при этом моделирование проводится с использованием света в диапазоне 780 нм. Достижение такой уменьшенной толщины стенки только с помощью стандартного протокола изготовления с нагревом и надуванием является сложной задачей. Чтобы еще больше утончить стенки MBR и сделать устройство более чувствительным, мы включаем дополнительные этапы мокрого травления с использованием фтористоводородной (HF) кислоты.

Используя PGP, мы сосредоточимся на изготовлении МБР на линии с кремнеземным капилляром. Также будет представлено подробное описание процесса изготовления и методов повышения чувствительности к изменениям показателя преломления с помощью мокрого травления.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Изготовление микропузырьков

  1. Начните с капилляра из кварцевого стекла с полимерным покрытием (внутренний диаметр 250 мкм и внешний диаметр 360 мкм) длиной ~75 см. Длина капилляра может варьироваться в зависимости от потребностей пользователя; Убедитесь, что описанное ниже давление достигается при большей длине капилляров.
  2. Сожгите ~2,5 см полимерного покрытия на одном конце капилляра бутановой горелкой и очистите конец деликатной рабочей салфеткой и изопропиловым спиртом (IPA).
  3. Поместите чистый конец капилляра в PGP и нажмите кнопку «Только сращивание» в программном обеспечении для нагрева в течение 5 с при 180 Вт, чтобы запечатать конец капилляра. Установите время и продолжительность нагрева с помощью щелчка правой кнопкой мыши по кнопке «Только стык».
  4. Чтобы убедиться в правильном уплотнении, осмотрите запаянный конец капилляра (рисунок 1B).
  5. На расстоянии ~25 см от запаянного конца (или на 1/3 длины капилляра от запаянного конца) сожгите от капилляра полосу полимерного покрытия длиной ~2,5 см и очистите полученный участок с помощью IPA.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Описанное выше положение не является критичным, так как давление равномерно распределяется по длине капилляра. Если экспериментальная настройка пользователя требует другого расположения MBR, это не должно повлиять на остальную часть процедуры.
  6. Повторяйте этот шаг до тех пор, пока под системой визуализации не будет видно полимера, которая отображает капиллярное изображение с субмикронным разрешением.
  7. Поместите этот только что очищенный участок капилляра в стеклопроцессоре над нагревательным элементом и под микроскопом, описанным ранее.
  8. С помощью газонепроницаемого шприца и шприцевого насоса нагнетайте воздух в капилляр таким образом, чтобы внутреннее давление достигло 10 бар (т. е. уменьшив объем шприца с 5 мл до 0,5 мл с соответствующим давлением, рассчитанным по закону Бойля). Установите капилляр на шприц с люэровским замком на адаптер 360 мкм. В качестве альтернативы можно подать давление через регулятор давления и сжатый воздух/инертный газ.
  9. Нагрейте капилляр с помощью PGP, используя мощность нити ~100-110 Вт в течение 1,5-2 с.
  10. Проведите дополнительные этапы нагрева с мощностью 90-100 Вт и 0,1-1 с обжига нити накаливания. Этот метод позволит медленно и контролируемо увеличивать диаметр МБР до нужного диапазона. Однако этот процесс может привести к асимметричным МБР. Если наблюдается асимметричная МБР (сфера не симметрична относительно капиллярной оси), поверните ее вокруг капиллярной оси между последовательными шагами нагрева, чтобы обеспечить симметрию.
  11. Осмотрите MBR под микроскопом для контроля качества на наличие пыли, трещин или деформаций. Кроме того, используйте микроскоп для оценки толщины стенки МБР.

2. Мокрое травление фтористоводородной кислотой

ВНИМАНИЕ: Фтористоводородная кислота очень опасна, токсична и вызывает коррозию. Глюконат кальция следует держать поблизости, так как это химическое вещество может нейтрализовать фтористоводородную кислоту. Носите соответствующие средства индивидуальной защиты и соблюдайте все меры предосторожности, указанные в Паспорте безопасности материала (MSDS).

  1. Удалите запечатанный конец капилляра, разрезав на 2 см ниже запаянного конца.
  2. Поместите один капиллярный конец внутрь тупого наконечника адаптера замка Люэра. Убедитесь, что внутренний диаметр тупого кончика максимально близок к внешнему диаметру капилляра, при этом убедитесь, что капилляр все еще может поместиться внутри.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Материал адаптера не должен вступать в реакцию с HF-кислотой.
  3. Нанесите УФ-отверждаемую эпоксидную смолу на конец тупого кончика капилляром внутри, чтобы соединить их, затем отверждите с помощью ультрафиолетового света (источник ультрафиолетового света 50-100 Вт; более высокая мощность ускорит отверждение).
    ВНИМАНИЕ: При работе с источником ультрафиолетового излучения необходимо носить соответствующие средства защиты глаз28.
  4. Как только эпоксидная смола отверждится, прикрепите наконечник замка Люэра к шприцу объемом 25 мл, который инертен к HF.
  5. Поместите шприц в шприцевую помпу со скоростью забора 50 мкл/мин.
  6. Подсоединив один конец капилляра к шприцу, поместите другой конец капилляра в деионизированную (DI) воду.
  7. Настройте шприцевой насос на забор воды через капилляр в шприц, чтобы убедиться, что установлен надлежащий поток (т. е. в системе нет пузырьков воздуха, а жидкость постоянно протекает через капилляр).
  8. Переведите капиллярный конец из деионизированной воды в емкость с HF-кислотой, как только настанет надлежащий поток.
  9. Рассчитайте приблизительное время травления на основе толщины стенки МБР до травления, учитывая измеренную скорость травления 8,18 мкм/ч с 12% фтористоводородной кислоты. Толщина стенки может быть измерена с помощью системы визуализации, которая отображает МБР с субмикронным разрешением.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Скорость травления для кислот других концентраций может быть определена опытным путем. Это можно сделать, измерив толщину стенки капилляра до и после заданного времени травления.
  10. Запустите шприцевой насос со скоростью 50 мкл/мин для расчета времени травления.
  11. Промойте капилляр деионизированной водой в течение 10-15 минут, чтобы удалить всю кислоту из капилляра по истечении времени травления. Рассчитайте время полоскания, чтобы промыть весь объем капилляра 3-5 раз.
  12. Измерьте толщину стенки МБР после травления. Используйте эту информацию для обновления скорости травления для кислоты.
  13. Повторять этот процесс можно до тех пор, пока не будет достигнута желаемая толщина стенки.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Репрезентативная МБР, изготовленная с помощью станка PGP, показана на рисунке 1C. Учитывая, что наш начальный внешний диаметр капилляра (OD) составляет 360 мкм, мы расширяем капилляр в ~2 раза в процессе изготовления. Расширение капилляра до ~700 мкм приводит к толщине стенки от 5 мкм до 15 мкм. Было показано, что оптимальная толщина стенки для биозондирования с помощью МБР составляет порядка длины волны света, используемого для возбуждения WGM27. МБР теоретически мог...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

В этой статье мы описали протокол изготовления высококачественных микропузырьковых резонаторов (MBR) с использованием прецизионного стеклянного процессора. Мы представляем важнейшие этапы в протоколе изготовления, включая этапы нагрева и расширения. В этом случае сочетание перегрева, слишком длительного нагрева или слишком большого внутреннего давления воздуха может привести к неудачному изготовлению. Для решения этих проблем могут помочь такие корректировки, как снижение мощности нагрева или продолжительности нагрева в ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

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

Этот проект был частично поддержан компанией R41AI152745. AJQ финансировался премией T32 Cancer Biology Award (NIH CA009547) и K08EB033409.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Тупой наконечник к люэровскому замку адаптерEllsworth Adhesives8001286
газонепроницаемый шприцHamilton81520
Luer Lock to 360 &микро; m адаптерIDEXp-662
Кремнеземный капиллярныйBGB AnalytikTSP250350
Шприцевой насос Универсальный
УФ-клейAmazonB09H7BJKT1
Vytran Glass Processor Thorlabs/VytranGPX3000PGP-прибор с программным обеспечением

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

CO2
Видео скоро будет доступно

Похожие статьи