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Method Article
在这里,我们展示了一种强大的标准化协议,用于使用精密玻璃加工机 (PGP) 制造高质量因子 (Q 因子) 耳语画廊模式 (WGM) 微气泡谐振器 (MBR)。
我们展示了一种使用精密玻璃加工机 (PGP) 制造高质量因数 (Q-factor) 耳语画廊模式 (WGM) 微气泡谐振器 (MBR) 的稳健且标准化的方法。微气泡谐振器是一类独特的 WGM 器件,具有集成流体通道,使其成为各种传感应用的理想选择。在此,我们展示了一种标准化协议,通过优化关键性能指标(如 Q 因子和壁厚)来制造高 Q 微气泡谐振器。我们还展示了通过氢氟酸 (HF) 湿法蚀刻提高平台对折射率变化和其他传感目标的灵敏度的方法。最后,讨论了微气泡对流体流动阻力的简要分析,表明较小直径的微气泡在分析物输送方面表现出更大的流动阻力——这是分析物输送应考虑的一个因素。这种改进的制造协议的实施不仅提高了设备生产的成功率,还缩短了制造时间。此外,该方案可以扩展到用于生产 MBR 的其他技术,例如基于 CO2 激光的方法。
Whispering Gallery Mode (WGM) 微谐振器是一类光学传感器,不仅在检测单个分子和纳米粒子 1,2,3,4,5,6 方面显示出巨大的潜力,而且在检测各种物理现象方面也显示出巨大的潜力,例如磁场 7 和电场 8、温度 9 和超声波10,11.在光共振条件下,光被困在设备内,导致显着的功率放大12,13。谐振器的任何局部变化(例如生物分子的结合或周围介质折射率的变化)都会引起局部光学环境的变化,从而改变谐振频率或波长。通过监测共振波长或频率的变化,可以实时检测和表征分析物。
WGM 微型谐振器可以设计成各种几何形状。常见的几何形状包括但不限于微环形体14、微环15 和微气泡16 谐振器 (MBR)。在这里,我们重点介绍 MBR,因为它们在光流体传感应用中具有巨大潜力。MBR 的一个关键优势是它们的流体集成 17,18,19,20,这是通过从微毛细管制造设备来实现的。在这种设计中,在线毛细管有助于将溶液中的小体积(即微升)分析物轻松输送到感应区域,而无需外部流路,如图 1 所示。凭借其独特的流体处理能力,MBR 非常适合其他 WGM 平台无法轻松实现的各种传感应用。例如,MBR 充满了磁性流体,从而对外部磁场具有敏感性21。此外,MBR 还用于通过光扭矩控制金纳米棒在溶液中的特定取向22。
MBR 的制造可以总结如下:在毛细管内部施加空气静压,同时局部加热毛细管的一小部分。局部加热和内部压力的结合将加热部分膨胀成能够支持高 Q WGM 的球形几何形状,如图 2 所示。可以采用多种方法来实现毛细管的局部加热,例如使用 CO2 激光器23、光纤熔接器24、氢火焰源25 和精密玻璃加工机 (PGP)。这里介绍的方法可以扩展到其他加热源,包括 CO2 激光器。PGP 类似于光纤熔接器,但增强了对加热时间、功率设置以及光纤或毛细管定位的控制26。PGP 通常包括靠近加热元件的内置显微镜,可以实时监控制造过程。通常,来自可调谐二极管激光器的光通过与 MBR 赤道接触的锥形光纤耦合到 MBR 中。光纤呈锥形(至 ~1 μm),以实现光进出 MBR 的高效耦合。然后,光电探测器通过光纤捕获 MBR 产生的透射光谱,并在示波器上可视化。
使用 WGM MBR 进行传感依赖于 WGM 场与目标分析物的相互作用。这种相互作用的强度与穿透 MBR 空腔的 WGM 场的分数成正比,液相或气相样品可以流经该空腔27。如图 3 所示,COMSOL 仿真说明了 WGM 场对内腔的穿透性如何随 MBR 的壁厚而变化。当壁厚减小到小于 1 μm 时,WGM 场的最大场穿透力出现,这些模拟使用 780 nm 波段的光进行。仅通过标准的加热和膨胀制造方案来实现如此小的壁厚是具有挑战性的。为了进一步减薄 MBR 的壁并提高器件的灵敏度,我们使用氢氟酸 (HF) 加入了额外的湿法蚀刻步骤。
使用 PGP,我们将专注于制造符合二氧化硅毛细管的 MBR。还将详细描述通过湿法蚀刻提高对折射率变化的灵敏度的制造工艺和方法。
1. 微气泡制造
2. 氢氟酸湿法蚀刻
注意:氢氟酸非常危险、有毒且具有腐蚀性。葡萄糖酸钙应放在附近,因为这种化学物质可以中和氢氟酸。穿戴适当的个人防护装备,并遵循材料安全数据表 (MSDS) 中的所有安全预防措施。
使用 PGP 机器制造的代表性 MBR 如图 1C 所示。鉴于我们的起始毛细管外径 (OD) 为 360 μm,我们在制造过程中将毛细管扩大了 ~2 倍。将毛细管扩展到 ~700 μm 会导致壁厚在 5 μm 到 15 μm 之间。已经表明,使用 MBR 进行生物传感的最佳壁厚与用于激发 WGM27 的光波长有关。MBR 理论上可以达到 1 x 109 的品质因数,但 1 x 106 ...
在这里,我们描述了使用精密玻璃处理器制造高质量耳语通道模式 (WGM) 微气泡谐振器 (MBR) 的协议。我们介绍了制造方案中的关键步骤,包括加热和膨胀步骤。在这里,过热、加热时间过长或注入过多的内部气压的组合都可能导致制造失败。为了解决这些问题,在 PGP 机器的软件用户界面中降低加热功率或加热持续时间等调整可能会有所帮助。但是,这并不是用于制...
作者没有什么可披露的。
该项目部分得到了 R41AI152745 的支持。AJQ 由 T32 癌症生物学奖 (NIH CA009547) 和 K08EB033409 资助。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Blunt tip to luer lock adapter | Ellsworth Adhesives | 8001286 | |
Gas-tight syringe | Hamilton | 81520 | |
Luer Lock to 360 µm adapter | IDEX | p-662 | |
Silica Capillary | BGB Analytik | TSP250350 | |
Syringe Pump | Universal | na | |
UV Glue | Amazon | B09H7BJKT1 | |
Vytran Glass Processor | Thorlabs/Vytran | GPX3000 | PGP instrument with software |
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