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Method Article
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 증폭12,13으로 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
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.
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.
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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