Fabbricazione di risonatori a microbolle Whispering Gallery Mode di alta qualità

Qui, dimostriamo un protocollo robusto e standardizzato per la fabbricazione di risonatori a microbolle (MBR) WGM (Whispering Gallery Mode) di alta qualità con una macchina per la lavorazione del vetro di precisione (PGP).

Dimostriamo un metodo robusto e standardizzato per la fabbricazione di risonatori a microbolle (MBR) WGM (Whispering Gallery Mode) di alta qualità con una macchina per la lavorazione del vetro di precisione (PGP). I risonatori a microbolle sono una classe unica di dispositivi WGM con canali fluidici integrati, che li rende ideali per diverse applicazioni di rilevamento. In questo articolo, mostriamo un protocollo standardizzato per fabbricare risonatori a microbolle ad alto Q attraverso l'ottimizzazione delle metriche chiave delle prestazioni, come il fattore Q e lo spessore delle pareti. Mostriamo anche metodi per migliorare la sensibilità della piattaforma alle variazioni dell'indice di rifrazione e ad altri bersagli di rilevamento attraverso l'incisione a umido con acido fluoridrico (HF). Infine, viene discussa una breve analisi della resistenza delle microbolle al flusso del fluido, dimostrando che le microbolle di diametro inferiore mostrano una maggiore resistenza al flusso per la somministrazione dell'analita, un fattore che dovrebbe essere considerato per la somministrazione dell'analita. L'implementazione di questo raffinato protocollo di fabbricazione non solo aumenta il tasso di successo della produzione del dispositivo, ma riduce anche i tempi di fabbricazione. Inoltre, il protocollo può essere esteso ad altre tecniche utilizzate per produrre MBR, come i metodi basati sul laser CO₂ .

I microrisonatori Whispering Gallery Mode (WGM) sono una classe di sensori ottici che hanno dimostrato un enorme potenziale non solo per la rilevazione di singole molecole e nanoparticelle ^1,2,3,4,5,6 ma anche per il rilevamento di un'ampia gamma di fenomeni fisici come i campi magnetici⁷ ed elettrici⁸, la temperatura⁹ e le onde ultrasoniche ^{10, 11}. In condizioni di risonanza ottica, la luce rimane intrappolata all'interno del dispositivo, portando a una significativa amplificazione di potenza^12,13. Qualsiasi cambiamento localizzato al risonatore (come il legame di una biomolecola o i cambiamenti nell'indice di rifrazione del mezzo circostante) induce cambiamenti nell'ambiente ottico locale, spostando quindi la frequenza di risonanza o la lunghezza d'onda. Monitorando le variazioni della lunghezza d'onda o della frequenza di risonanza, è possibile rilevare e caratterizzare gli analiti in tempo reale.

I microrisonatori WGM possono essere progettati in una varietà di geometrie. Le geometrie comuni includono, a titolo esemplificativo ma non esaustivo, i microtoroidi¹⁴, i microanelli¹⁵ e i risonatori a microbolle¹⁶ (MBR). Qui, ci concentriamo sugli MBR per il loro grande potenziale nelle applicazioni di rilevamento optofluidico. Un vantaggio chiave degli MBR è la loro integrazione fluidica 17,18,19,20, che è resa possibile dalla fabbricazione del dispositivo da un microcapillare. In questo design, il capillare in linea facilita l'erogazione di piccoli volumi (ad es. microlitri) di analiti in soluzione nell'area di rilevamento senza la necessità di canali fluidici esterni, come mostrato nella Figura 1. Grazie alle loro esclusive capacità di gestione fluidica, gli MBR sono adatti per un'ampia gamma di applicazioni di rilevamento che non sono facilmente realizzabili con altre piattaforme WGM. Ad esempio, gli MBR sono stati riempiti con fluidi magnetici, infondendo così sensibilità ai campi magnetici esterni²¹. Inoltre, gli MBR sono stati utilizzati anche per controllare l'orientamento specifico delle nanobarre d'oro in soluzione attraverso le coppie ottiche²².

La fabbricazione degli MBR può essere riassunta come segue: la pressione aerostatica viene applicata all'interno del capillare mentre una piccola area del capillare viene riscaldata localmente. La combinazione di riscaldamento localizzato e pressione interna gonfia la sezione riscaldata in una geometria sferica in grado di supportare WGM ad alto Q , come illustrato nella Figura 2. Vari metodi possono essere impiegati per ottenere un riscaldamento localizzato del capillare, come l'utilizzo di un laser CO₂ ²³, una giuntatrice a fibre ottiche²⁴, una sorgente di fiamma a idrogeno²⁵ e una macchina di precisione per la lavorazione del vetro (PGP). I metodi qui presentati possono essere estesi ad altre fonti di riscaldamento, tra cui un laser a CO₂ . Il PGP è simile a una giuntatrice per fibre ottiche, ma offre un maggiore controllo sul tempo di riscaldamento, sull'impostazione della potenza e sul posizionamento di fibre o capillari²⁶. I PGP spesso includono microscopi integrati adiacenti agli elementi riscaldanti, che consentono il monitoraggio in tempo reale del processo di fabbricazione. Tipicamente, la luce di un laser a diodi sintonizzabili è accoppiata all'MBR tramite una fibra ottica conica che è a contatto con l'equatore dell'MBR. La fibra è rastremata (fino a ~1 μm) per consentire un accoppiamento efficiente della luce all'interno e all'esterno dell'MBR. Gli spettri di trasmissione risultanti dall'MBR vengono quindi catturati da un fotorivelatore attraverso la fibra ottica e visualizzati su un oscilloscopio.

Il rilevamento con MBR WGM si basa sull'interazione del campo WGM con l'analita target. La forza di questa interazione è direttamente proporzionale alla frazione del campo WGM che penetra nella cavità cava dell'MBR dove i campioni in fase liquida o gassosa possono fluire attraverso²⁷. Come mostrato nella Figura 3, le simulazioni COMSOL illustrano come la penetrazione del campo WGM nella cavità interna vari con lo spessore della parete dell'MBR. La massima penetrazione del campo WGM si verifica quando lo spessore della parete viene ridotto a meno di 1 μm, con queste simulazioni condotte utilizzando la luce nella banda di 780 nm. Ottenere uno spessore delle pareti così ridotto attraverso il solo protocollo di fabbricazione standard di riscaldamento e gonfiaggio è una sfida. Per assottigliare ulteriormente le pareti dell'MBR e rendere il dispositivo più sensibile, incorporiamo ulteriori fasi di mordenzatura a umido utilizzando acido fluoridrico (HF).

Utilizzando un PGP, ci concentreremo sulla fabbricazione di MBR in linea con un capillare di silice. Verrà inoltre presentata una descrizione dettagliata del processo di fabbricazione e dei metodi per migliorare la sensibilità alle variazioni dell'indice di rifrazione attraverso l'incisione a umido.

1. Fabbricazione di microbolle

1. Inizia con un capillare in vetro di silice rivestito in polimero (diametro interno di 250 μm e diametro esterno di 360 μm) lungo ~75 cm. La lunghezza del capillare può variare in base alle esigenze dell'utente; Assicurarsi che la pressione descritta di seguito venga raggiunta a lunghezze capillari maggiori.
2. Bruciare ~2,5 cm di rivestimento polimerico a un'estremità del capillare con una torcia a butano e pulire l'estremità con una salvietta delicata e alcol isopropilico (IPA).
3. Posizionare l'estremità pulita del capillare nel PGP e fare clic sul pulsante di sola giunzione sul software per riscaldare per 5 s a 180 W per sigillare l'estremità del capillare. Impostare il tempo e la durata del riscaldamento con un clic destro sul pulsante solo giunzione .
4. Per garantire una tenuta adeguata, esaminare l'estremità del capillare sigillata, Figura 1B.
5. A ~25 cm dall'estremità sigillata (o 1/3 della lunghezza del capillare dall'estremità sigillata), bruciare una striscia di rivestimento polimerico lunga ~2,5 cm dal capillare e pulire l'area risultante con IPA.
   NOTA: La posizione sopra descritta non è critica in quanto la pressione è distribuita uniformemente lungo la lunghezza del capillare. Se la configurazione sperimentale dell'utente richiede un posizionamento diverso dell'MBR, ciò non dovrebbe influire sul resto della procedura.
6. Ripetere questo passaggio fino a quando non è visibile alcun polimero sotto il sistema di imaging, che visualizza un'immagine capillare con una risoluzione inferiore al micron.
7. Posizionare questa sezione del capillare appena pulita nello strumento processore in vetro sopra l'elemento riscaldante e sotto il microscopio descritto in precedenza.
8. Utilizzando una siringa a tenuta di gas e una pompa a siringa, iniettare aria nel capillare in modo tale che la pressione interna raggiunga i 10 bar (cioè, diminuendo il volume in una siringa da 5 ml a 0,5 ml, con pressioni corrispondenti calcolate con la legge di Boyle). Montare il capillare su una siringa con luer lock su un adattatore da 360 μm. In alternativa, applicare la pressione tramite un regolatore di pressione e aria compressa/gas inerte.
9. Riscaldare il capillare con il PGP utilizzando una potenza del filamento di ~100-110 W per 1,5-2 s.
10. Eseguire ulteriori fasi di riscaldamento con 90-100 W e 0,1-1 s di cottura del filamento. Questo metodo aumenterà lentamente e in modo controllabile il diametro dell'MBR fino all'intervallo desiderato. Tuttavia, questo processo può portare a MBR asimmetrici. Se si osserva un MBR asimmetrico (la sfera non è simmetrica rispetto all'asse capillare), ruotarla attorno all'asse capillare tra le fasi di riscaldamento successive per favorire la simmetria.
11. Ispeziona l'MBR al microscopio per il controllo di qualità, alla ricerca di cose come polvere, crepe o deformazioni. Inoltre, utilizzare il microscopio per stimare lo spessore della parete dell'MBR.

2. Mordenzatura a umido con acido fluoridrico

ATTENZIONE: L'acido fluoridrico è molto pericoloso, tossico e corrosivo. Il gluconato di calcio deve essere tenuto nelle vicinanze in quanto questa sostanza chimica può neutralizzare l'acido fluoridrico. Indossare dispositivi di protezione individuale adeguati e seguire tutte le precauzioni di sicurezza riportate nella scheda di sicurezza dei materiali (MSDS).

1. Rimuovere l'estremità sigillata del capillare tagliando 2 cm sotto l'estremità sigillata.
2. Posizionare un'estremità capillare all'interno di una punta smussata sull'adattatore luer lock. Assicurati che il diametro interno della punta smussata sia il più vicino possibile al diametro esterno del capillare, assicurandoti che il capillare possa ancora adattarsi all'interno.
   NOTA: Il materiale dell'adattatore non deve essere reattivo con l'acido HF.
3. Applicare resina epossidica UV all'estremità della punta smussata con il capillare all'interno per unire i due, quindi polimerizzare con luce UV (sorgente di luce UV da 50-100 W; una potenza maggiore accelererà l'indurimento).
   ATTENZIONE: È necessario indossare un'adeguata protezione per gli occhi quando si utilizza una sorgente di luce UV²⁸.
4. Una volta che la resina epossidica è indurita, collegare la punta luer lock a una siringa da 25 ml inerte all'HF.
5. Inserire la siringa in una pompa a siringa con una velocità di prelievo di 50 μL/min.
6. Con un'estremità del capillare collegata alla siringa, immergere l'altra estremità del capillare in acqua deionizzata (DI).
7. Impostare la pompa a siringa in modo che prelevi l'acqua attraverso il capillare nella siringa per verificare che sia stato stabilito un flusso corretto (ovvero, il sistema è privo di bolle d'aria con il liquido che scorre costantemente attraverso il capillare).
8. Trasferire l'estremità capillare dall'acqua deionizzata in un contenitore di acido HF una volta stabilito il flusso corretto.
9. Calcolare un tempo di incisione approssimativo basato sullo spessore della parete MBR prima dell'incisione, considerando una velocità di incisione misurata di 8,18 μm/h con acido fluoridrico al 12% (p/v). Lo spessore delle pareti può essere misurato con un sistema di imaging che visualizza MBR con risoluzione inferiore al micron.
   NOTA: La velocità di incisione per acidi di altre concentrazioni può essere determinata empiricamente. Questo può essere fatto misurando lo spessore della parete del capillare prima e dopo un tempo di incisione impostato.
10. Far funzionare la pompa a siringa a 50 μl/min per il tempo di incisione calcolato.
11. Sciacquare il capillare con acqua deionizzata per 10-15 minuti per rimuovere tutto l'acido dal capillare dopo che è trascorso il tempo di mordenzatura. Calcolare il tempo di risciacquo per risciacquare l'intero volume capillare 3-5 volte.
12. Misurare lo spessore della parete MBR dopo l'incisione. Utilizzare queste informazioni per aggiornare la velocità di mordenzatura dell'acido.
13. Ripetere questo processo può essere ripetuto fino a raggiungere lo spessore della parete desiderato.

Un MBR rappresentativo fabbricato con la macchina PGP è mostrato nella Figura 1C. Dato il nostro diametro esterno del capillare iniziale (OD) di 360 μm, espandiamo il capillare ~2x nel processo di fabbricazione. L'espansione del capillare a ~700 μm si traduce in spessori di parete compresi tra 5 μm e 15 μm. È stato dimostrato che lo spessore ottimale delle pareti per il biorilevamento con MBR è dell'ordine della lunghezza d'onda della luce utilizzata ...

Qui, abbiamo descritto il protocollo per fabbricare risonatori a microbolle (MBR) in modalità galleria di sussurro (WGM) di alta qualità utilizzando un processore di vetro di precisione. Presentiamo le fasi critiche del protocollo di fabbricazione, comprese le fasi di riscaldamento e di espansione. In questo caso, una combinazione di surriscaldamento, riscaldamento troppo lungo o iniezione di troppa pressione dell'aria interna può portare a una fabbricazione non riuscita. Per risolver...

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Questo progetto è stato in parte sostenuto da R41AI152745. L'AJQ è stato finanziato dal T32 Cancer Biology Award (NIH CA009547) e dal K08EB033409.