고품질 속삭이는 갤러리 모드 마이크로 버블 공진기 제작

여기에서는 정밀 유리 가공 기계(PGP)를 사용하여 고품질 계수(Q-factor) 속삭임 갤러리 모드(WGM) 마이크로 버블 공진기(MBR)를 제작하기 위한 견고하고 표준화된 프로토콜을 보여줍니다.

당사는 정밀 유리 가공 기계(PGP)를 사용하여 고품질 계수(Q-factor), 속삭이는 갤러리 모드(WGM), 마이크로 버블 공진기(MBR)를 제조하기 위한 견고하고 표준화된 방법을 보여줍니다. 마이크로버블 공진기는 유체 채널이 통합된 고유한 종류의 WGM 장치로, 다양한 감지 응용 분야에 이상적입니다. 여기에서는 Q-factor 및 벽 두께와 같은 주요 성능 지표의 최적화를 통해 high-Q microbubble 공진기를 제작하는 표준화된 프로토콜을 보여줍니다. 또한 HF(Hydrofluoric acid) 습식 에칭을 통해 굴절률 변화 및 기타 감지 대상에 대한 플랫폼의 감도를 향상시키는 방법을 보여줍니다. 마지막으로, 유동성 교류에 microbubbles의 저항의 간단한 분석은 토론되, 더 작 직경 microbubbles가 분석물 납품 - 분석물 납품을 위해 고려되어야 하는 요인을 위한 교류에 더 중대한 저항을 전시한다는 것을 보여주. 이 정교한 제조 프로토콜의 구현은 장치 생산의 성공률을 높일 뿐만 아니라 제조 시간도 단축합니다. 또한 프로토콜은 CO₂ 레이저 기반 방법과 같은 MBR을 생산하는 데 사용되는 다른 기술로 확장될 수 있습니다.

WGM(Whispering Gallery Mode) 미세 공진기는 단일 분자 및 나노 입자 ^1,2,3,4,5,6의 검출뿐만 아니라 자기장⁷ 및 전기장⁸, 온도⁹ 및 초음파⁽¹⁰)와 같은 광범위한 물리적 현상을 감지하는 데 엄청난 잠재력을 입증한 광학 센서의 한 종류입니다^{. 11}. 광학 공명 조건에서 빛은 장치 내부에 갇혀 상당한 전력 증폭^12,13으로 이어집니다. 공진기에 대한 국부적인 변화(예: 생체 분자의 결합 또는 주변 매체의 굴절률 변화)는 국소 광학 환경의 변화를 유도하여 공진 주파수 또는 파장을 이동시킵니다. 공진 파장 또는 주파수의 변화를 모니터링하여 분석물을 실시간으로 검출하고 특성화할 수 있습니다.

WGM 미세 공진기는 다양한 형상으로 설계할 수 있습니다. 일반적인 기하학적 구조에는 마이크로토로이드⁽¹⁴), 마이크로링⁽¹⁵), 및 마이크로버블(¹⁶) 공진기(MBR)가 포함되나 이에 제한되지 않는다. 여기에서는 광유체 감지 응용 분야에서 큰 잠재력을 가진 MBR에 초점을 맞춥니다. MBR의 주요 장점은 유체 통합 ^17,18,19,20이며, 이는 미세 모세관에서 장치를 제작하여 가능합니다. 이 설계에서 인라인 모세관은 그림 1과 같이 외부 유체 채널 없이 용액 내 소량(즉, 마이크로리터)의 분석물을 감지 영역으로 쉽게 전달할 수 있도록 합니다. 고유한 유체 처리 기능을 갖춘 MBR은 다른 WGM 플랫폼으로는 쉽게 달성할 수 없는 광범위한 감지 응용 분야에 매우 적합합니다. 예를 들어, MBR은 자성 유체로 채워져 외부 자기장에 대한 감도를 부여합니다²¹. 또한, MBR은 광학 토크⁽²²)를 통해 용액에서 금 나노 막대의 특정 방향을 제어하는 데 사용되었습니다.

MBR의 제작은 다음과 같이 요약할 수 있습니다: 공기정역학 압력은 모세관 내부에 가해지고 모세관의 작은 영역은 국부적으로 가열됩니다. 국부 가열과 내부 압력의 조합은 그림 2와 같이 가열된 섹션을 high-Q WGM을 지원할 수 있는 구형 형상으로 팽창시킵니다. _CO2 레이저(23), 광섬유 접속기⁽²⁴), 수소 화염 소스(²⁵) 및 정밀 유리 가공 기계(PGP)를 사용하는 것과 같은 모세관의 국부적 가열을 달성하기 위해 다양한 방법을 사용할 수 있습니다. 여기에 제시된 방법은 CO₂ 레이저를 포함한 다른 열원으로 확장할 수 있습니다. PGP는 광섬유 접속기와 유사하지만 가열 시간, 전력 설정 및 광섬유 또는 모세관의 위치에 대한 향상된 제어를 제공합니다²⁶. PGP에는 종종 발열체에 인접한 내장 현미경이 포함되어 있어 제조 공정을 실시간으로 모니터링할 수 있습니다. 일반적으로 가변 다이오드 레이저의 빛은 MBR의 적도와 접촉하는 테이퍼 광섬유를 통해 MBR에 결합됩니다. 광섬유는 가늘어지고(~1μm까지) MBR 안팎으로 빛을 효율적으로 결합할 수 있습니다. 그런 다음 MBR의 결과 전송 스펙트럼은 광섬유를 통해 광 검출기에 의해 캡처되고 오실로스코프에서 시각화됩니다.

WGM MBR을 사용한 감지는 WGM 필드와 표적 분석물의 상호 작용에 의존합니다. 이 상호 작용의 강도는 액체 또는 기체 상 샘플이²⁷을 통과할 수 있는 MBR의 중공 공동을 관통하는 WGM 필드의 분율에 정비례합니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 COMSOL 시뮬레이션은 내부 캐비티로의 WGM 필드 침투가 MBR의 벽 두께에 따라 어떻게 달라지는지 보여줍니다. WGM 필드의 최대 자기장 침투는 벽 두께가 1μm 미만으로 감소할 때 발생하며, 이러한 시뮬레이션은 780nm 대역의 빛을 사용하여 수행됩니다. 표준 heat-and-inflate 제작 프로토콜만을 통해 이러한 감소된 벽 두께를 달성하는 것은 어려운 일입니다. MBR의 벽을 더욱 얇게 만들고 장치를 더 민감하게 만들기 위해 불화수소산(HF)을 사용하여 추가 습식 에칭 단계를 통합합니다.

PGP를 사용하여 실리카 모세관에 따라 MBR을 제조하는 데 중점을 둘 것입니다. 제조 공정에 대한 자세한 설명과 습식 에칭을 통해 굴절률 변화에 대한 민감도를 향상시키는 방법도 제시됩니다.

1. Microbubble 제작

1. 길이가 ~75cm인 폴리머 코팅된 실리카 유리 모세관(내경 250μm 및 외경 360μm)으로 시작합니다. 모세관의 길이는 사용자의 필요에 따라 달라질 수 있습니다. 아래에 설명된 압력이 더 긴 모세관 길이에서 도달하는지 확인하십시오.
2. 부탄 토치로 모세관 한쪽 끝에 있는 폴리머 코팅의 ~2.5cm를 태우고 섬세한 작업용 물티슈와 이소프로필 알코올(IPA)로 끝을 청소합니다.
3. 모세관의 깨끗한 끝을 PGP에 놓고 소프트웨어의 접합 전용 버튼을 클릭하여 5W에서 180초 동안 가열하여 모세관 끝을 밀봉합니다. 접합 전용 버튼을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하여 가열 시간과 지속 시간을 설정합니다.
4. 적절한 밀봉을 보장하려면 밀봉된 모세관 끝단을 검사합니다( 그림 1B).
5. 밀봉된 끝에서 ~25cm(또는 밀봉된 끝에서 모세관 길이의 1/3)에서 모세관에서 ~2.5cm 길이의 폴리머 코팅 스트립을 태우고 결과 영역을 IPA로 청소합니다.
   참고: 위에서 설명한 위치는 압력이 모세관 길이를 따라 고르게 분포되어 있으므로 중요하지 않습니다. 사용자의 실험 설정이 MBR의 다른 배치를 보증하는 경우 나머지 절차에는 영향을 미치지 않습니다.
6. 이미징 시스템 아래에서 고분자가 보이지 않을 때까지 이 단계를 반복하여 서브미크론 해상도의 모세관 이미지를 표시합니다.
7. 유리 처리기 기기의 새로 청소된 모세관 부분을 발열체 위와 앞에서 설명한 현미경 아래에 놓습니다.
8. 기밀 주사기와 주사기 펌프를 사용하여 내부 압력이 10bar에 도달하도록 모세관에 공기를 주입합니다(즉, 보일의 법칙에 따라 해당 압력을 계산하여 주사기의 부피를 5mL에서 0.5mL로 감소). 360μm 어댑터에 루어 잠금 장치가 있는 주사기에 모세관을 맞춥니다. 또는 압력 조절기와 압축 공기/불활성 가스를 통해 압력을 가합니다.
9. 1.5-2초 동안 ~100-110W의 필라멘트 전력을 사용하여 PGP로 모세관을 가열합니다.
10. 필라멘트를 90-100W 및 0.1-1초 소성하여 추가 가열 단계를 수행합니다. 이 방법은 MBR의 직경을 원하는 범위로 천천히 제어 가능하게 증가시킵니다. 그러나 이 프로세스로 인해 비대칭 MBR이 발생할 수 있습니다. 비대칭 MBR이 관찰되면(구가 모세관 축에 대해 대칭이 아님) 연속적인 가열 단계 사이에 모세관 축을 중심으로 회전하여 대칭을 촉진합니다.
11. 품질 관리를 위해 현미경으로 MBR을 검사하고 먼지, 균열 또는 변형과 같은 것을 찾습니다. 또한 여기에서 현미경을 사용하여 MBR의 벽 두께를 추정합니다.

2. 불산을 사용한 습식 에칭

주의 : 불산은 매우 위험하고 독성이 있으며 부식성이 있습니다. 글루콘산칼슘은 불산을 중화시킬 수 있으므로 근처에 보관해야 합니다. 적절한 개인 보호 장비를 착용하고 물질안전보건자료(MSDS)의 모든 안전 예방 조치를 따르십시오.

1. 밀봉된 끝 부분 아래 2cm를 잘라 모세관의 밀봉된 끝을 제거합니다.
2. 뭉툭한 끝 안에 있는 모세관 끝을 루어 잠금 어댑터에 놓습니다. 뭉툭한 팁의 내경이 모세관의 외경에 최대한 가깝게 유지하면서 모세관이 여전히 내부에 들어갈 수 있는지 확인합니다.
   알림: 어댑터 재료는 HF 산과 반응하지 않아야 합니다.
3. 모세관 내부가 있는 뭉툭한 끝 끝에 UV 경화 에폭시를 도포하여 두 개를 결합한 다음 UV 광선(50-100W UV 광원, 더 높은 와트)으로 경화합니다.
   주의 : UV 광원을 작동할 때는 적절한 보안경을 착용해야 합니다²⁸.
4. 에폭시가 경화되면 HF에 불활성인 25mL 주사기에 루어 잠금 팁을 부착합니다.
5. 주사기를 50μL/분의 인출률로 주사기 펌프에 넣습니다.
6. 모세관의 한쪽 끝을 주사기에 연결한 상태에서 모세관의 다른 쪽 끝을 탈이온수(DI)에 넣습니다.
7. 모세관을 통해 주사기로 물을 빼내도록 주사기 펌프를 설정하여 적절한 흐름이 설정되었는지 확인합니다(즉, 시스템에 기포가 없고 액체가 모세관을 통해 일관되게 흐르는지).
8. 적절한 흐름이 확립되면 DI water에서 HF acid 용기로 모세관 끝을 옮깁니다.
9. 12%(w/v) 불산으로 측정된 8.18μm/h의 에칭 속도를 고려하여 에칭 전 MBR 벽 두께를 기준으로 대략적인 에칭 시간을 계산합니다. 벽 두께는 미크론 미만의 해상도로 MBR을 표시하는 이미징 시스템에서 측정할 수 있습니다.
   참고: 다른 농도의 산에 대한 에칭 속도는 경험적으로 결정될 수 있습니다. 이것은 설정된 에칭 시간 전후에 모세관 벽 두께를 측정하여 수행할 수 있습니다.
10. 계산된 에칭 시간 동안 50μL/분으로 실린지 펌프를 가동합니다.
11. 에칭 시간이 경과한 후 모세관에서 모든 산을 제거하기 위해 10-15분 동안 DI 물로 모세관을 헹굽니다. 헹굼 시간을 계산하여 전체 모세관 부피를 3-5회 헹굽니다.
12. 에칭 후 MBR 벽 두께를 측정합니다. 이 정보를 사용하여 산의 에칭 속도를 업데이트하십시오.
13. 원하는 벽 두께에 도달 할 때까지이 과정을 반복 할 수 있습니다.

PGP 기계로 제작된 대표적인 MBR이 그림 1C에 나와 있습니다. 360μm의 시작 모세관 외경(OD)을 감안할 때 제조 공정에서 모세관을 ~2배 확장합니다. 모세관을 ~700μm로 확장하면 벽 두께가 5μm에서 15μm 사이가 됩니다. MBR을 사용한 바이오센싱을 위한 최적의 벽 두께는 WGM²⁷을 여기시키는 데 사용되는 빛의 파장 순서에 있는 것으로 나타났?...

여기에서는 정밀 유리 프로세서를 사용하여 고품질 WGM(whispering gallery mode) MBR(microbubble resonators)을 제작하는 프로토콜에 대해 설명했습니다. 우리는 열 및 확장 단계를 포함하여 제조 프로토콜에서 중요한 단계를 제시합니다. 여기서 과열, 너무 오래 가열하거나 너무 많은 내부 공기 압력을 주입하면 제작이 실패할 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 PGP 기계의 소?...

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이 프로젝트는 R41AI152745의 일부 지원을 받았습니다. AJQ는 T32 Cancer Biology Award(NIH CA009547)와 K08EB033409의 지원을 받았습니다.