JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

هنا ، نعرض بروتوكولا قويا وموحدا لتصنيع رنانات الفقاعات الدقيقة ذات العوامل عالية الجودة (Q-factor) وضع معرض الهمس (WGM) مع آلة معالجة الزجاج الدقيقة (PGP).

Abstract

نحن نظهر طريقة قوية وموحدة لتصنيع رنانات الفقاعات الدقيقة ذات العامل عالي الجودة (Q-factor) (Q-factor) (WGM) مع آلة معالجة الزجاج الدقيقة (PGP). رنانات الفقاعات الدقيقة هي فئة فريدة من أجهزة WGM مع قنوات سائلة متكاملة ، مما يجعلها مثالية لتطبيقات الاستشعار المتنوعة. هنا ، نعرض بروتوكولا موحدا لتصنيع رنانات الفقاعات الدقيقة عالية Q من خلال تحسين مقاييس الأداء الرئيسية ، مثل عامل Q وسمك الجدار. نعرض أيضا طرقا لتحسين حساسية المنصة لتغيرات معامل الانكسار وأهداف الاستشعار الأخرى من خلال النقش الرطب بحمض الهيدروفلوريك (HF). أخيرا ، تمت مناقشة تحليل موجز لمقاومة الفقاعات الدقيقة لتدفق السوائل ، مما يبين أن الفقاعات الدقيقة ذات القطر الأصغر تظهر مقاومة أكبر للتدفق لتوصيل التحليل - وهو عامل يجب مراعاته لتوصيل التحليل لا يؤدي تنفيذ بروتوكول التصنيع المكرر هذا إلى زيادة معدل نجاح إنتاج الجهاز فحسب ، بل يقلل أيضا من وقت التصنيع. علاوة على ذلك ، يمكن توسيع البروتوكول ليشمل تقنيات أخرى تستخدم لإنتاج MBRs ، مثل الطرق القائمة على ليزر ثاني أكسيد الكربون2 .

Introduction

الرنانات الدقيقة لوضع معرض الهمس (WGM) هي فئة من أجهزة الاستشعار البصرية التي أظهرت إمكانات هائلة ليس فقط للكشف عن الجزيئات المفردة والجسيمات النانوية1،2،3،4،5،6 ولكن أيضا لاستشعار مجموعة واسعة من الظواهر الفيزيائية مثل المغناطيسية7 والمجالات الكهربائية8 ودرجة الحرارة9 والموجات فوق الصوتية10 ، 11. في ظل ظروف الرنين البصري ، يتم احتجاز الضوء داخل الجهاز ، مما يؤدي إلى تضخيم كبير للطاقة12،13. يؤدي أي تغيير موضعي في الرنان (مثل ارتباط الجزيء الحيوي أو التغيرات في معامل الانكسار للوسائط المحيطة) إلى حدوث تغييرات في البيئة البصرية المحلية ، وبالتالي تغيير تردد الرنين أو الطول الموجي. من خلال مراقبة التحولات في الطول الموجي أو التردد بالرنين ، يمكن للمرء اكتشاف وتوصيف التحليلات في الوقت الفعلي.

يمكن تصميم الرنانات الدقيقة WGM في مجموعة متنوعة من الأشكال الهندسية. تشمل الأشكال الهندسية الشائعة على سبيل المثال لا الحصر ، الحلقياتالدقيقة 14 ، والحلقاتالدقيقة 15 ، والرنانات microbubble16 (MBR). هنا ، نركز على MBRs نظرا لإمكاناتها الكبيرة في تطبيقات استشعار الموائع الضوئية. تتمثل الميزة الرئيسية ل MBRs في تكاملها السائل17،18،19،20 ، والذي يتم تمكينه من خلال تصنيع الجهاز من الشعيرات الدموية الدقيقة. في هذا التصميم ، تسهل الشعيرات الدموية المضمنة سهولة توصيل الأحجام الصغيرة (أي الميكرولتر) من التحليلات في محلول إلى منطقة الاستشعار دون الحاجة إلى قنوات سائلة خارجية ، كما هو موضح في الشكل 1. بفضل قدراتها الفريدة في معالجة السوائل ، تعد MBRs مناسبة تماما لمجموعة واسعة من تطبيقات الاستشعار التي لا يمكن تحقيقها بسهولة مع منصات WGM الأخرى. على سبيل المثال ، تم ملء MBRs بالسوائل المغناطيسية ، مما يضفي حساسية على المجالات المغناطيسيةالخارجية 21. بالإضافة إلى ذلك ، تم استخدام MBRs أيضا للتحكم في الاتجاه المحدد لقضبان الذهب النانوية في المحلول من خلال عزم الدوران البصري22.

يمكن تلخيص تصنيع MBRs على النحو التالي: يتم تطبيق الضغط الهوائي داخل الشعيرات الدموية بينما يتم تسخين مساحة صغيرة من الشعيرات الدموية محليا. يؤدي الجمع بين التسخين الموضعي والضغط الداخلي إلى تضخيم القسم المسخن إلى هندسة كروية قادرة على دعم WGMs عالية Q ، كما هو موضح في الشكل 2. يمكن استخدام طرق مختلفة لتحقيق تسخين موضعي للشعيرات الدموية ، مثل استخدام ليزر CO2 23 ، وجهاز الربط بالألياف البصرية24 ، ومصدر لهب الهيدروجين25 ، وآلة معالجة الزجاج الدقيق (PGP). يمكن توسيع الطرق المعروضة هنا لتشمل مصادر تسخين أخرى ، بما في ذلك ليزر CO2 . يشبه PGP جهاز الربط بالألياف الضوئية ولكنه يوفر تحكما محسنا في وقت التسخين وإعداد الطاقة ووضع الألياف أو الشعيراتالدموية 26. غالبا ما تشتمل PGPs على مجاهر مدمجة مجاورة لعناصر التسخين ، مما يتيح المراقبة في الوقت الفعلي لعملية التصنيع. عادة ما يقترن الضوء المنبعث من ليزر الصمام الثنائي القابل للضبط ب MBR عبر ألياف ضوئية مدببة تتلامس مع خط الاستواء في MBR. الألياف مدببة (إلى ~ 1 ميكرومتر) لتمكين الاقتران الفعال للضوء داخل وخارج MBR. ثم يتم التقاط أطياف الإرسال الناتجة من MBR بواسطة كاشف ضوئي من خلال الألياف الضوئية وتصورها على راسم الذبذبات.

يعتمد الاستشعار باستخدام MBRs WGM على تفاعل مجال WGM مع المادة المراد تحليلها الهدف. تتناسب قوة هذا التفاعل طرديا مع جزء حقل WGM الذي يخترق التجويف المجوف ل MBR حيث يمكن أن تتدفق عينات الطور السائل أو الغازي عبر27. كما هو موضح في الشكل 3 ، توضح محاكاة COMSOL كيف يختلف تغلغل مجال WGM في التجويف الداخلي باختلاف سمك جدار MBR. يحدث الحد الأقصى لاختراق المجال لمجال WGM عندما يتم تقليل سمك الجدار إلى أقل من 1 ميكرومتر ، مع إجراء هذه المحاكاة باستخدام الضوء في النطاق 780 نانومتر. يعد تحقيق سمك الجدار المنخفض من خلال بروتوكول تصنيع التسخين والتضخيم القياسي وحده أمرا صعبا. لزيادة ترقق جدران MBR ولجعل الجهاز أكثر حساسية ، نقوم بدمج خطوات حفر رطبة إضافية باستخدام حمض الهيدروفلوريك (HF).

باستخدام PGP ، سنركز على تصنيع MBRs بما يتماشى مع الشعيرات الدموية السيليكا. وسيقدم أيضا وصف مفصل لعملية التصنيع وطرق تعزيز الحساسية لتغيرات معامل الانكسار من خلال النقش الرطب.

Protocol

1. تصنيع الفقاعات الدقيقة

  1. ابدأ بالشعيرات الدموية المصنوعة من زجاج السيليكا المطلي بالبوليمر (القطر الداخلي 250 ميكرومتر والقطر الخارجي 360 ميكرومتر) بطول ~ 75 سم. يمكن أن يختلف طول الشعيرات الدموية حسب احتياجات المستخدم. تأكد من الوصول إلى الضغط الموصوف أدناه بأطوال شعرية أطول.
  2. احرق ~ 2.5 سم من طلاء البوليمر في أحد طرفي الشعيرات الدموية بشعلة البوتان ونظف النهاية بمسح دقيق وكحول الأيزوبروبيل (IPA).
  3. ضع الطرف النظيف للشعيرات الدموية في PGP وانقر فوق زر لصق فقط في البرنامج للتسخين لمدة 5 ثوان عند 180 واط لإغلاق نهاية الشعيرات الدموية. اضبط وقت التسخين ومدته بالنقر بزر الماوس الأيمن على زر لصق فقط .
  4. لضمان الختم المناسب ، افحص الطرف الشعري المغلق ، الشكل 1 ب.
  5. على بعد ~ 25 سم من الطرف المغلق (أو 1/3 الطول الشعري من الطرف المختوم) ، احرق شريطا بطول ~ 2.5 سم من طلاء البوليمر من الشعيرات الدموية ونظف المنطقة الناتجة باستخدام IPA.
    ملاحظة: الموضع الموصوف أعلاه ليس حرجا حيث يتم توزيع الضغط بالتساوي على طول الشعيرات الدموية. إذا كان الإعداد التجريبي للمستخدم يستدعي وضعا مختلفا ل MBR ، فلا ينبغي أن يؤثر ذلك على بقية الإجراء.
  6. كرر هذه الخطوة حتى لا يظهر بوليمر تحت نظام التصوير ، الذي يعرض صورة شعرية بدقة دون ميكرون.
  7. ضع هذا الجزء الذي تم تنظيفه حديثا من الشعيرات الدموية في أداة المعالج الزجاجي فوق عنصر التسخين وتحت المجهر الموضح سابقا.
  8. باستخدام حقنة محكمة الغلق ومضخة حقنة ، قم بحقن الهواء في الشعيرات الدموية بحيث يصل الضغط الداخلي إلى 10 بار (أي تقليل الحجم في المحقنة من 5 مل إلى 0.5 مل ، مع الضغوط المقابلة المحسوبة وفقا لقانون بويل). ضع الشعيرات الدموية على حقنة بقفل لور على محول 360 ميكرومتر. بدلا من ذلك ، قم بالضغط عبر منظم الضغط والهواء المضغوط / الغاز الخامل.
  9. قم بتسخين الشعيرات الدموية باستخدام PGP باستخدام قوة خيوط ~ 100-110 واط لمدة 1.5-2 ثانية.
  10. قم بإجراء خطوات تسخين إضافية مع إطلاق 90-100 واط و 0.1-1 ثانية من الفتيل. ستعمل هذه الطريقة على زيادة قطر MBR ببطء وتحكم إلى النطاق المطلوب. ومع ذلك ، قد تؤدي هذه العملية إلى MBRs غير متماثلة. إذا لوحظ MBR غير متماثل (الكرة ليست متماثلة حول المحور الشعري) ، فقم بتدويرها حول المحور الشعري بين خطوات التسخين المتتالية لتعزيز التماثل.
  11. افحص MBR تحت المجهر لمراقبة الجودة ، وابحث عن أشياء مثل الغبار أو الشقوق أو التشوهات. بالإضافة إلى ذلك ، استخدم المجهر هنا لتقدير سمك جدار MBR.

2. النقش الرطب بحمض الهيدروفلوريك

تنبيه: حمض الهيدروفلوريك خطير للغاية وسام ومسبب للتآكل. يجب الاحتفاظ بغلوكونات الكالسيوم في مكان قريب لأن هذه المادة الكيميائية يمكنها تحييد حمض الهيدروفلوريك. ارتد معدات الحماية الشخصية المناسبة واتبع جميع احتياطات السلامة الواردة في ورقة بيانات سلامة المواد (MSDS).

  1. قم بإزالة الطرف المغلق للشعيرات الدموية عن طريق قطع 2 سم أسفل الطرف المغلق.
  2. ضع طرفا شعريا واحدا داخل طرف غير حاد لمحول قفل الرده. تأكد من أن القطر الداخلي للطرف غير الحاد قريب قدر الإمكان من القطر الخارجي للشعرية مع التأكد من أن الشعيرات الدموية لا تزال مناسبة للداخل.
    ملاحظة: يجب ألا تكون مادة المحول متفاعلة مع حمض HF.
  3. ضع الايبوكسي القابل للعلاج بالأشعة فوق البنفسجية على نهاية الطرف الحاد مع وجود الشعيرات الدموية بالداخل للانضمام إلى الاثنين ، ثم عالج بضوء الأشعة فوق البنفسجية (مصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية 50-100 واط ؛ القوة الكهربائية العالية ستسرع المعالجة).
    تنبيه: يجب ارتداء الحماية المناسبة للعين عند تشغيل مصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية28.
  4. بمجرد معالجة الإيبوكسي ، قم بتوصيل طرف قفل اللور بحقنة سعة 25 مل خاملة على HF.
  5. ضع المحقنة في مضخة حقنة بمعدل سحب 50 ميكرولتر / دقيقة.
  6. مع توصيل أحد طرفي الشعيرات الدموية بالمحقنة ، ضع الطرف الآخر من الشعيرات الدموية في ماء منزوع الأيونات (DI).
  7. اضبط مضخة الحقنة لسحب الماء عبر الشعيرات الدموية إلى المحقنة للتحقق من إنشاء التدفق المناسب (أي أن النظام خال من فقاعات الهواء مع تدفق السائل باستمرار عبر الشعيرات الدموية).
  8. انقل الطرف الشعري من ماء DI إلى وعاء من حمض HF بمجرد إنشاء التدفق المناسب.
  9. احسب وقت النقش التقريبي بناء على سمك جدار MBR قبل الحفر ، مع الأخذ في الاعتبار معدل النقش المقاس البالغ 8.18 ميكرومتر / ساعة مع 12٪ (وزن / حجم) حمض الهيدروفلوريك. يمكن قياس سمك الجدار تحت نظام تصوير يعرض MBRs بدقة دون ميكرون.
    ملاحظة: يمكن تحديد معدل النقش للأحماض ذات التركيزات الأخرى تجريبيا. يمكن القيام بذلك عن طريق قياس سمك الجدار الشعري قبل وبعد وقت النقش المحدد.
  10. قم بتشغيل مضخة الحقنة عند 50 ميكرولتر / دقيقة لوقت الحفر المحسوب.
  11. اشطف الشعيرات الدموية بماء DI لمدة 10-15 دقيقة لإزالة كل الأحماض من الشعيرات الدموية بعد انقضاء وقت الحفر. احسب وقت الشطف لشطف حجم الشعيرات الدموية بالكامل 3-5 مرات.
  12. قم بقياس سمك جدار MBR بعد النقش. استخدم هذه المعلومات لتحديث معدل النقش للحمض.
  13. كرر هذه العملية يمكن تكرارها حتى يتم تحقيق سمك الجدار المطلوب.

النتائج

يظهر MBR التمثيلي المصنوع باستخدام آلة PGP في الشكل 1C. بالنظر إلى القطر الخارجي للشعرية (OD) البالغ 360 ميكرومتر ، فإننا نقوم بتوسيع الشعيرات الدموية ~ 2x في عملية التصنيع. يؤدي توسيع الشعيرات الدموية إلى ~ 700 ميكرومتر إلى سمك الجدار بين 5 ميكرومتر و 15 ميكرومتر. لق?...

Discussion

هنا ، وصفنا البروتوكول لتصنيع رنانات الفقاعات الدقيقة (MBRs) عالية الجودة لوضع معرض الهمس (WGM) باستخدام معالج زجاجي دقيق. نقدم خطوات حاسمة في بروتوكول التصنيع ، بما في ذلك خطوات الحرارة والتوسيع. هنا ، يمكن أن يؤدي مزيج من ارتفاع درجة الحرارة أو التسخين لفترة طويلة جدا أو حق?...

Disclosures

المؤلفون ليس لديهم ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

وقد تم دعم هذا المشروع جزئيا من قبل R41AI152745. تم تمويل AJQ من قبل جائزة T32 لبيولوجيا السرطان (NIH CA009547) و K08EB033409.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
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 with software

References

  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, &. #. 3. 5. 0. ;. K., 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 Available from: 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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

219

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved