Fabricação de ressonadores de microbolhas em modo de galeria sussurrante de alta qualidade

Aqui, demonstramos um protocolo robusto e padronizado para a fabricação de ressonadores de microbolhas (MBRs) de modo de galeria sussurrante (WGM) de fator de alta qualidade (fator Q) com uma máquina de processamento de vidro de precisão (PGP).

Demonstramos um método robusto e padronizado para a fabricação de ressonadores de microbolhas (MBRs) de fator de galeria sussurrante (WGM) de fator de alta qualidade (fator Q) com uma máquina de processamento de vidro de precisão (PGP). Os ressonadores de microbolhas são uma classe única de dispositivos WGM com canais fluídicos integrados, tornando-os ideais para diversas aplicações de detecção. Aqui, mostramos um protocolo padronizado para fabricar ressonadores de microbolhas de alto Q por meio da otimização das principais métricas de desempenho, como fator Q e espessura da parede. Também mostramos métodos para melhorar a sensibilidade da plataforma a mudanças no índice de refração e outros alvos de detecção por meio de corrosão úmida de ácido fluorídrico (HF). Por fim, uma breve análise da resistência das microbolhas ao fluxo de fluido é discutida, mostrando que microbolhas de menor diâmetro exibem maior resistência ao fluxo para a entrega do analito - um fator que deve ser considerado para a entrega do analito. A implementação deste protocolo de fabricação refinado não apenas aumenta a taxa de sucesso da produção do dispositivo, mas também reduz o tempo de fabricação. Além disso, o protocolo pode ser expandido para outras técnicas usadas para produzir MBRs, como métodos baseados em laser de CO₂ .

Os microrressonadores Whispering Gallery Mode (WGM) são uma classe de sensores ópticos que demonstraram enorme potencial não apenas para a detecção de moléculas únicas e nanopartículas ^1,2,3,4,5,6, mas também para detectar uma ampla gama de fenômenos físicos, como campos magnéticos⁷ e elétricos⁸, temperatura⁹ e ondas ultrassônicas^{10, 11}. Agosto Em condições de ressonância óptica, a luz fica presa dentro do dispositivo, levando a uma amplificação de potência significativa^12,13. Qualquer alteração localizada no ressonador (como a ligação de uma biomolécula ou alterações no índice de refração do meio circundante) induz mudanças no ambiente óptico local, alterando assim a frequência de ressonância ou comprimento de onda. Ao monitorar as mudanças no comprimento de onda ou frequência da ressonância, pode-se detectar e caracterizar analitos em tempo real.

Os microrressonadores WGM podem ser projetados em uma variedade de geometrias. As geometrias comuns incluem, mas não estão limitadas a, microtoróides¹⁴, microanéis¹⁵ e ressonadores de microbolhas¹⁶ (MBR). Aqui, nos concentramos em MBRs devido ao seu grande potencial em aplicações de sensoriamento optofluídico. Uma das principais vantagens dos MBRs é sua integração fluídica 17,18,19,20, que é possibilitada pela fabricação do dispositivo a partir de um microcapilar. Neste projeto, o capilar em linha facilita a entrega fácil de pequenos volumes (ou seja, microlitros) de analitos em solução para a área de detecção sem a necessidade de canais fluídicos externos, conforme mostrado na Figura 1. Com seus recursos exclusivos de manuseio de fluidos, os MBRs são adequados para uma ampla gama de aplicações de detecção que não são facilmente alcançáveis com outras plataformas WGM. Por exemplo, os MBRs foram preenchidos com fluidos magnéticos, imbuindo assim a sensibilidade a campos magnéticos externos²¹. Além disso, os MBRs também têm sido usados para controlar a orientação específica de nanobastões de ouro em solução por meio de torques ópticos²².

A fabricação de MBRs pode ser resumida da seguinte forma: A pressão aerostática é aplicada dentro do capilar enquanto uma pequena área do capilar é aquecida localmente. A combinação de aquecimento localizado e pressão interna infla a seção aquecida em uma geometria esférica capaz de suportar WGMs de alto Q , conforme ilustrado na Figura 2. Vários métodos podem ser empregados para obter o aquecimento localizado do capilar, como o uso de um laser de CO₂ ²³, um splicer de fibra óptica²⁴, uma fonte de chama de hidrogênio²⁵ e uma máquina de processamento de vidro de precisão (PGP). Os métodos apresentados aqui podem ser expandidos para outras fontes de aquecimento, incluindo um laser de CO₂ . O PGP é semelhante a um splicer de fibra óptica, mas oferece controle aprimorado sobre o tempo de aquecimento, configuração de energia e posicionamento de fibras ou capilares²⁶. Os PGPs geralmente incluem microscópios embutidos adjacentes aos elementos de aquecimento, permitindo o monitoramento em tempo real do processo de fabricação. Normalmente, a luz de um laser de diodo sintonizável é acoplada ao MBR por meio de uma fibra óptica cônica que está em contato com o equador do MBR. A fibra é cônica (para ~ 1 μm) para permitir o acoplamento eficiente da luz para dentro e para fora do MBR. Os espectros de transmissão resultantes do MBR são então capturados por um fotodetector através da fibra óptica e visualizados em um osciloscópio.

A detecção com MBRs WGM depende da interação do campo WGM com o analito alvo. A força dessa interação é diretamente proporcional à fração do campo WGM que penetra na cavidade oca do MBR, onde as amostras de fase líquida ou gasosa podem fluir através de²⁷. Conforme mostrado na Figura 3, as simulações do COMSOL ilustram como a penetração do campo WGM na cavidade interna varia com a espessura da parede do MBR. A penetração máxima do campo WGM ocorre quando a espessura da parede é reduzida para menos de 1 μm, com essas simulações conduzidas usando luz na banda de 780 nm. Alcançar essa espessura de parede reduzida apenas por meio do protocolo de fabricação padrão de aquecer e inflar é um desafio. Para afinar ainda mais as paredes do MBR e tornar o dispositivo mais sensível, incorporamos etapas adicionais de corrosão úmida usando ácido fluorídrico (HF).

Usando um PGP, vamos nos concentrar na fabricação de MBRs em linha com um capilar de sílica. Uma descrição detalhada do processo de fabricação e métodos para aumentar a sensibilidade às mudanças do índice de refração por meio de condicionamento úmido também será apresentada.

1. Fabricação de microbolhas

1. Comece com um capilar de vidro de sílica revestido com polímero (250 μm de diâmetro interno e 360 μm de diâmetro externo) com ~ 75 cm de comprimento. O comprimento do capilar pode variar de acordo com as necessidades do usuário; Certifique-se de que a pressão descrita abaixo seja atingida em comprimentos capilares mais longos.
2. Queime ~ 2.5 cm do revestimento de polímero em uma extremidade do capilar com uma tocha de butano e limpe a extremidade com um lenço de tarefas delicadas e álcool isopropílico (IPA).
3. Coloque a extremidade limpa do capilar no PGP e clique no botão somente emenda no software para aquecer por 5 s a 180 W para selar a extremidade do capilar. Defina o tempo e a duração do aquecimento com um clique com o botão direito do mouse no botão somente emenda .
4. Para garantir uma vedação adequada, examine a extremidade capilar selada, Figura 1B.
5. A ~ 25 cm da extremidade selada (ou 1/3 do comprimento capilar da extremidade selada), queime uma tira de ~ 2,5 cm de comprimento de revestimento de polímero do capilar e limpe a área resultante com IPA.
   NOTA: A posição descrita acima não é crítica, pois a pressão é distribuída uniformemente ao longo do comprimento capilar. Se a configuração experimental do usuário justificar uma colocação diferente do MBR, isso não deve afetar o restante do procedimento.
6. Repita esta etapa até que nenhum polímero seja visível sob o sistema de imagem, que exibe a imagem capilar com resolução submicrométrica.
7. Coloque esta seção recém-limpa do capilar no instrumento do processador de vidro sobre o elemento de aquecimento e sob o microscópio descrito anteriormente.
8. Usando uma seringa estanque ao gás e uma bomba de seringa, injete ar no capilar de forma que a pressão interna atinja 10 bar (ou seja, diminuindo o volume em uma seringa de 5 mL para 0,5 mL, com pressões correspondentes calculadas com a Lei de Boyle). Encaixe o capilar em uma seringa com trava luer em um adaptador de 360 μm. Como alternativa, aplique pressão por meio de um regulador de pressão e ar comprimido/gás inerte.
9. Aqueça o capilar com o PGP usando uma potência de filamento de ~100-110 W por 1.5-2 s.
10. Realize etapas adicionais de aquecimento com disparos de 90-100 W e 0.1-1 s do filamento. Este método aumentará lenta e controlavelmente o diâmetro do MBR para a faixa desejada. No entanto, esse processo pode resultar em MBRs assimétricos. Se for observado um MBR assimétrico (a esfera não é simétrica em relação ao eixo capilar), gire-o em torno do eixo capilar entre etapas sucessivas de aquecimento para promover a simetria.
11. Inspecione o MBR sob um microscópio para controle de qualidade, procurando por coisas como poeira, rachaduras ou deformações. Além disso, use o microscópio aqui para estimar a espessura da parede do MBR.

2. Corrosão úmida com ácido fluorídrico

CUIDADO: O ácido fluorídrico é muito perigoso, tóxico e corrosivo. O gluconato de cálcio deve ser mantido por perto, pois esse produto químico pode neutralizar o ácido fluorídrico. Use equipamento de proteção individual adequado e siga todas as precauções de segurança na Ficha de Dados de Segurança do Material (MSDS).

1. Remova a extremidade selada do capilar cortando 2 cm abaixo da extremidade selada.
2. Coloque uma extremidade capilar dentro de uma ponta romba no adaptador luer lock. Certifique-se de que o diâmetro interno da ponta romba esteja o mais próximo possível do diâmetro externo do capilar, certificando-se de que o capilar ainda caiba dentro.
   NOTA: O material do adaptador não deve ser reativo com ácido HF.
3. Aplique epóxi curável por UV no final da ponta romba com o capilar interno para unir os dois e, em seguida, catalise com luz UV (fonte de luz UV de 50-100 W; maior potência acelerará a cura).
   CUIDADO: Deve ser usada proteção adequada para os olhos ao operar uma fonte de luz UV²⁸.
4. Uma vez que o epóxi esteja curado, conecte a ponta luer lock a uma seringa de 25 mL inerte ao HF.
5. Coloque a seringa em uma bomba de seringa com uma taxa de retirada de 50 μL / min.
6. Com uma extremidade do capilar conectada à seringa, coloque a outra extremidade do capilar em água deionizada (DI).
7. Ajuste a bomba da seringa para retirar a água através do capilar para dentro da seringa para verificar se o fluxo adequado foi estabelecido (ou seja, o sistema está livre de bolhas de ar com líquido fluindo consistentemente através do capilar).
8. Transfira a extremidade capilar da água DI para um recipiente de ácido HF assim que o fluxo adequado for estabelecido.
9. Calcule um tempo aproximado de condicionamento com base na espessura da parede do MBR antes do condicionamento físico, considerando uma taxa de condicionamento medida de 8,18 μm/h com ácido fluorídrico a 12% (p/v). A espessura da parede pode ser medida sob um sistema de imagem que exibe MBRs com resolução submicrométrica.
   NOTA: A taxa de corrosão para ácidos de outras concentrações pode ser determinada empiricamente. Isso pode ser feito medindo a espessura da parede capilar antes e depois de um tempo de condicionamento definido.
10. Opere a bomba da seringa a 50 μL/min pelo tempo de condicionamento calculado.
11. Enxágue o capilar com água DI por 10-15 min para remover todo o ácido do capilar após o tempo de condicionamento ter decorrido. Calcule o tempo de enxágue para enxaguar todo o volume capilar 3-5 vezes.
12. Meça a espessura da parede MBR após a gravação. Use essas informações para atualizar a taxa de corrosão do ácido.
13. Repita este processo pode ser repetido até que a espessura de parede desejada seja alcançada.

Um MBR representativo fabricado com a máquina PGP é mostrado na Figura 1C. Dado o nosso diâmetro externo capilar inicial (OD) de 360 μm, expandimos o capilar ~2x no processo de fabricação. A expansão do capilar para ~700 μm resulta em espessuras de parede entre 5 μm e 15 μm. Foi demonstrado que a espessura ideal da parede para biossensoriamento com MBRs é da ordem do comprimento de onda da luz usado para excitar o WGM²⁷. Os...

Aqui, descrevemos o protocolo para fabricar ressonadores de microbolhas (MBRs) de modo de galeria sussurrante (WGM) de alta qualidade usando um processador de vidro de precisão. Apresentamos etapas críticas no protocolo de fabricação, incluindo as etapas de aquecimento e expansão. Aqui, uma combinação de superaquecimento, aquecimento por muito tempo ou injeção de muita pressão de ar interna pode levar a uma fabricação malsucedida. Para resolver esses problemas, ajustes como d...

Os autores não têm nada a divulgar.

Este projeto foi apoiado em parte por R41AI152745. O AJQ foi financiado pelo Prêmio T32 de Biologia do Câncer (NIH CA009547) e K08EB033409.