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
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

כאן, אנו מדגימים פרוטוקול חזק וסטנדרטי לייצור מהודי מיקרו-בועות (MBR) של גורם איכותי (Q-factor) מצב גלריית לחישה (WGM) עם מכונת עיבוד זכוכית מדויקת (PGP).

Abstract

אנו מדגימים שיטה חזקה וסטנדרטית לייצור מהודי מיקרו-בועות (MBR) באיכות גבוהה (Q-factor) מצב גלריית לחישה (WGM) עם מכונת עיבוד זכוכית מדויקת (PGP). מהודי מיקרו-בועות הם סוג ייחודי של התקני WGM עם ערוצים זורמים משולבים, מה שהופך אותם לאידיאליים עבור יישומי חישה מגוונים. כאן, אנו מציגים פרוטוקול סטנדרטי לייצור מהודי מיקרו-בועות Q גבוהים באמצעות אופטימיזציה של מדדי ביצועים מרכזיים, כגון גורם Q ועובי דופן. אנו מראים גם שיטות לשיפור הרגישות של הפלטפורמה לשינויים במקדם השבירה ומטרות חישה אחרות באמצעות תחריט רטוב של חומצה הידרופלואורית (HF). לבסוף, נדון ניתוח קצר של ההתנגדות של מיקרו-בועות לזרימת נוזלים, המראה כי מיקרו-בועות בקוטר קטן יותר מציגות התנגדות גדולה יותר לזרימה להעברת אנליטים - גורם שיש לקחת בחשבון להעברת אנליטים. היישום של פרוטוקול ייצור מעודן זה לא רק מגדיל את שיעור ההצלחה של ייצור המכשירים אלא גם מפחית את זמן הייצור. יתר על כן, ניתן להרחיב את הפרוטוקול לטכניקות אחרות המשמשות לייצור MBR, כגון שיטות מבוססות לייזר CO2 .

Introduction

מיקרו-מהודים במצב גלריה לוחשת (WGM) הם סוג של חיישנים אופטיים שהפגינו פוטנציאל עצום לא רק לזיהוי מולקולות בודדות וננו-חלקיקים 1,2,3,4,5,6 אלא גם לחישת מגוון רחב של תופעות פיזיקליות כגון מגנטי7 ושדות חשמליים8, טמפרטורה9 וגלים קוליים10, 11. בתנאי תהודה אופטית, האור נלכד בתוך המכשיר, מה שמוביל להגברת הספק משמעותית12,13. כל שינוי מקומי בתהודה (כגון קשירה של ביומולקולה או שינויים במקדם השבירה של המדיה שמסביב) גורם לשינויים בסביבה האופטית המקומית, ולכן מעביר את תדר התהודה או אורך הגל. על ידי ניטור השינויים באורך גל התהודה או בתדירות, ניתן לזהות ולאפיין אנליטים בזמן אמת.

ניתן לתכנן מיקרו-מהודים של WGM במגוון גיאומטריות. גיאומטריות נפוצות כוללות אך אינן מוגבלות למיקרוטורואידים14, מיקרו-טבעות15 ותהודה מיקרו-בועה16 (MBR). כאן, אנו מתמקדים ב-MBR בשל הפוטנציאל הגדול שלהם ביישומי חישה אופטו-פלואידית. יתרון מרכזי של MBRs הוא האינטגרציה הנוזלית שלהם 17,18,19,20, המתאפשרת על ידי ייצור המכשיר ממיקרו-נימי. בתכנון זה, הנימים המוטבעים מאפשרים אספקה קלה של נפחים קטנים (כלומר, מיקרוליטר) של אנליטים בתמיסה לאזור החישה ללא צורך בתעלות נוזליות חיצוניות, כפי שמוצג באיור 1. עם יכולות הטיפול הנוזלי הייחודיות שלהם, MBRs מתאימים היטב עבור מגוון רחב של יישומי חישה שאינם ניתנים להשגה בקלות עם פלטפורמות WGM אחרות. לדוגמה, MBRs מולאו בנוזלים מגנטיים, ובכך החדירו רגישות לשדות מגנטיים חיצוניים21. בנוסף, נעשה שימוש ב-MBR גם כדי לשלוט בכיוון הספציפי של ננו-מוטות זהב בתמיסה באמצעות מומנטים אופטיים22.

ניתן לסכם את ייצור ה-MBR באופן הבא: לחץ אווירוסטטי מופעל בתוך הנימים בעוד ששטח קטן של הנימים מחומם באופן מקומי. השילוב של חימום מקומי ולחץ פנימי מנפח את החלק המחומם לגיאומטריה כדורית המסוגלת לתמוך ב-WGMs עם Q גבוה, כפי שמוצג באיור 2. ניתן להשתמש בשיטות שונות כדי להשיג חימום מקומי של הנימים, כגון שימוש בלייזר CO2 23, שחבור סיבים אופטיים24, מקור להבת מימן25 ומכונת עיבוד זכוכית מדויקת (PGP). ניתן להרחיב את השיטות המוצגות כאן למקורות חימום אחרים, כולל לייזר CO2 . ה-PGP דומה למחבר סיבים אופטיים אך מציע שליטה משופרת על זמן החימום, הגדרת ההספק ומיקום הסיבים או הנימים26. PGPs כוללים לרוב מיקרוסקופים מובנים הסמוכים לגופי החימום, המאפשרים ניטור בזמן אמת של תהליך הייצור. בדרך כלל, אור מלייזר דיודה מתכוונן מחובר ל-MBR באמצעות סיב אופטי מחודד הנמצא במגע עם קו המשווה של ה-MBR. הסיב מחודד (עד ~1 מיקרומטר) כדי לאפשר צימוד יעיל של אור לתוך ומחוץ ל-MBR. ספקטרום השידור המתקבל מה-MBR נלכד לאחר מכן על ידי גלאי פוטו דרך הסיב האופטי ומוצג על אוסצילוסקופ.

חישה עם WGM MBRs מסתמכת על האינטראקציה של שדה WGM עם אנליט המטרה. עוצמת האינטראקציה הזו עומדת ביחס ישר לחלק של שדה ה-WGM החודר לחלל החלול של ה-MBR שבו דגימות פאזה נוזליות או גזיות יכולות לזרום דרך27. כפי שמוצג באיור 3, סימולציות COMSOL ממחישות כיצד חדירת שדה ה-WGM לחלל הפנימי משתנה עם עובי הדופן של ה-MBR. חדירת שדה מקסימלית של שדה WGM מתרחשת כאשר עובי הדופן מצטמצם לפחות מ-1 מיקרומטר, כאשר סימולציות אלה מתבצעות באמצעות אור בפס 780 ננומטר. השגת עובי דופן מופחת כזה באמצעות פרוטוקול ייצור חום וניפוח סטנדרטי בלבד היא מאתגרת. כדי לדלל עוד יותר את דפנות ה-MBR ולהפוך את המכשיר לרגיש יותר, אנו משלבים שלבי תחריט רטובים נוספים באמצעות חומצה הידרופלואורית (HF).

באמצעות PGP, נתמקד בייצור MBRs בהתאם לנימים של סיליקה. כמו כן יוצג תיאור מפורט של תהליך הייצור ושיטות להגברת הרגישות לשינויים במקדם השבירה באמצעות תחריט רטוב.

Protocol

1. ייצור מיקרו-בועות

  1. התחל עם נימי זכוכית סיליקה מצופים פולימר (קוטר פנימי של 250 מיקרומטר וקוטר חיצוני של 360 מיקרומטר) שאורכו ~75 ס"מ. אורך הנימים יכול להשתנות בהתאם לצרכי המשתמש; ודא שהלחץ המתואר להלן מושג באורכים נימיים ארוכים יותר.
  2. שורפים ~2.5 ס"מ מציפוי הפולימר בקצה אחד של הנימים בעזרת לפיד בוטאן ומנקים את הקצה בעזרת מגבון משימה עדין ואלכוהול איזופרופיל (IPA).
  3. הנח את הקצה הנקי של הנימים ב-PGP ולחץ על כפתור החיבור בלבד בתוכנה כדי לחמם למשך 5 שניות ב-180 וואט כדי לאטום את קצה הנימים. הגדר את זמן ומשך החימום בלחיצה ימנית על כפתור החיבור בלבד .
  4. כדי להבטיח אטימה תקינה, בדוק את הקצה הנימי האטום, איור 1B.
  5. במרחק של ~25 ס"מ מהקצה האטום (או 1/3 מאורך הנימים מהקצה האטום), שרפו רצועה באורך ~2.5 ס"מ של ציפוי פולימרי מהנימים ונקו את האזור שנוצר עם IPA.
    הערה: המיקום המתואר לעיל אינו קריטי מכיוון שהלחץ מתפזר באופן שווה לאורך הנימים. אם ההגדרה הניסיונית של המשתמש מצדיקה מיקום שונה של ה-MBR, זה לא אמור להשפיע על שאר ההליך.
  6. חזור על שלב זה עד שלא נראה פולימר מתחת למערכת ההדמיה, המציגה תמונה נימית ברזולוציה תת-מיקרונית.
  7. הנח את החלק החדש הזה של הנימים במכשיר מעבד הזכוכית מעל גוף החימום ומתחת למיקרוסקופ שתואר קודם לכן.
  8. בעזרת מזרק אטום לגז ומשאבת מזרק, הזריקו אוויר לנימים כך שהלחץ הפנימי יגיע ל-10 בר (כלומר, הפחתת הנפח במזרק מ-5 מ"ל ל-0.5 מ"ל, עם לחצים מתאימים המחושבים על פי חוק בויל). התקן את הנימים למזרק עם מנעול לואר למתאם 360 מיקרומטר. לחלופין, הפעל לחץ באמצעות ווסת לחץ ואוויר דחוס/גז אינרטי.
  9. מחממים את הנימים עם ה-PGP באמצעות הספק נימה של ~100-110 וואט למשך 1.5-2 שניות.
  10. ערכו שלבי חימום נוספים עם ירי של 90-100 וואט ו- 0.1-1 שניות של הנימה. שיטה זו תגדיל לאט ובקרה את קוטר ה-MBR לטווח הרצוי. עם זאת, תהליך זה עלול לגרום ל-MBR אסימטריים. אם נצפה MBR אסימטרי (הכדור אינו סימטרי לגבי ציר הנימים), סובב אותו סביב ציר הנימים בין שלבי חימום עוקביםכדי לקדם סימטריה.
  11. בדוק את ה-MBR תחת מיקרוסקופ לבקרת איכות, חפש דברים כמו אבק, סדקים או עיוותים. בנוסף, השתמש במיקרוסקופ כאן כדי להעריך את עובי הדופן של ה-MBR.

2. תחריט רטוב עם חומצה הידרופלואורית

זהירות: חומצה הידרופלואורית מסוכנת מאוד, רעילה וקורוזיבית. יש לשמור סידן גלוקונאט בקרבת מקום מכיוון שכימיקל זה יכול לנטרל חומצה הידרופלואורית. ללבוש ציוד מגן אישי מתאים ופעל לפי כל אמצעי הבטיחות בגיליון נתוני בטיחות החומרים (MSDS).

  1. הסר את הקצה האטום של הנימים על ידי חיתוך 2 ס"מ מתחת לקצה האטום.
  2. הנח קצה נימי אחד בתוך קצה קהה למתאם נעילת הלואר. ודא שהקוטר הפנימי של הקצה הקהה קרוב ככל האפשר לקוטר החיצוני של הנימים תוך הקפדה על כך שהנימים עדיין יכולים להיכנס פנימה.
    הערה: אסור שחומר המתאם יהיה מגיב עם חומצת HF.
  3. מרחו אפוקסי הניתן לריפוי UV על קצה הקצה הקהה עם הנימים בפנים כדי לחבר את השניים, ולאחר מכן רפאו באור UV (מקור אור UV 50-100 W; הספק גבוה יותר יאיץ את הריפוי).
    זהירות: יש ללבוש מגן עיניים מתאים בעת הפעלת מקור אור UV28.
  4. לאחר ריפוי האפוקסי, חבר את קצה נעילת הלואר למזרק של 25 מ"ל שהוא אינרטי ל-HF.
  5. הנח את המזרק במשאבת מזרק עם קצב משיכה של 50 מיקרוליטר לדקה.
  6. כאשר קצה אחד של הנימים מחובר למזרק, הנח את הקצה השני של הנימים למים נטולי יונים (DI).
  7. הגדר את משאבת המזרק להוציא מים דרך הנימים לתוך המזרק כדי לבדוק שנוצרה זרימה תקינה (כלומר, המערכת נקייה מבועות אוויר עם נוזל הזורם באופן עקבי דרך הנימים).
  8. העבירו את הקצה הנימי ממי ה-DI למיכל של חומצת HF לאחר שנוצרה זרימה תקינה.
  9. חשב זמן תחריט משוער על סמך עובי דופן ה-MBR לפני התחריט, בהתחשב בקצב תחריט נמדד של 8.18 מיקרומטר/שעה עם 12% (w/v) חומצה הידרופלואורית. ניתן למדוד את עובי הדופן תחת מערכת הדמיה המציגה MBRs ברזולוציה תת-מיקרונית.
    הערה: ניתן לקבוע באופן אמפירי את קצב התחריט של חומצות בריכוזים אחרים. ניתן לעשות זאת על ידי מדידת עובי דופן הנימים לפני ואחרי זמן תחריט מוגדר.
  10. הפעל את משאבת המזרק במהירות של 50 מיקרוליטר לדקה למשך זמן התחריט המחושב.
  11. שטפו את הנימים במי DI למשך 10-15 דקות כדי להסיר את כל החומצה מהנימים לאחר שחלף זמן התחריט. חשב את זמן השטיפה כדי לשטוף את כל נפח הנימים 3-5 פעמים.
  12. מדוד את עובי דופן ה-MBR לאחר התחריט. השתמש במידע זה כדי לעדכן את קצב החריטה של החומצה.
  13. חזור על תהליך זה ניתן לחזור על תהליך זה עד להשגת עובי הקיר הרצוי.

תוצאות

MBR מייצג המיוצר עם מכונת PGP מוצג באיור 1C. בהתחשב בקוטר החיצוני הנימי ההתחלתי שלנו (OD) של 360 מיקרומטר, אנו מרחיבים את הנימים ~x 2x בתהליך הייצור. הרחבת הנימים ל~700 מיקרומטר מביאה לעובי דופן בין 5 מיקרומטר ל-15 מיקרומטר. הוכח כי עובי הדופן האופטימלי עבור חישה ביולו?...

Discussion

כאן, תיארנו את הפרוטוקול לייצור מהודי מיקרו-בועות (MBR) באיכות גבוהה במצב גלריית לחישה (WGM) באמצעות מעבד זכוכית מדויק. אנו מציגים שלבים קריטיים בפרוטוקול הייצור, כולל שלבי החום וההרחבה. כאן, שילוב של התחממות יתר, חימום ארוך מדי או הזרקת לחץ אוויר פנימי רב מדי עלול להוביל לייצ...

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgements

פרויקט זה נתמך בחלקו על ידי R41AI152745. AJQ מומן על ידי פרס הביולוגיה של הסרטן T32 (NIH CA009547) ו-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