Изготовление высококачественных микропузырьковых резонаторов с режимом шепчущей галереи

В этой статье мы демонстрируем надежный и стандартизированный протокол для изготовления микропузырьковых резонаторов (MBR) с высоким фактором качества (Q-фактор) в режиме шепчущей галереи (WGM) с помощью прецизионного станка для обработки стекла (PGP).

Мы демонстрируем надежный и стандартизированный метод изготовления микропузырьковых резонаторов (MBR) с высоким коэффициентом качества (Q-фактор) в режиме шепчущей галереи (WGM) с помощью прецизионного станка для обработки стекла (PGP). Микропузырьковые резонаторы — это уникальный класс устройств WGM со встроенными жидкостными каналами, что делает их идеальными для различных областей применения. В данной работе мы демонстрируем стандартизированный протокол изготовления высокодобротных микропузырьковых резонаторов за счет оптимизации ключевых показателей производительности, таких как добротность и толщина стенки. Мы также показываем методы повышения чувствительности платформы к изменениям показателя преломления и другим чувствительным мишеням с помощью влажного травления фтористоводородной кислотой (HF). Наконец, обсуждается краткий анализ сопротивления микропузырьков потоку жидкости, показывающий, что микропузырьки меньшего диаметра проявляют большее сопротивление потоку для доставки аналита - фактор, который следует учитывать при доставке аналита. Внедрение этого усовершенствованного протокола изготовления не только повышает вероятность успешного производства устройств, но и сокращает время изготовления. Кроме того, протокол может быть расширен на другие методы, используемые для производства МБР, такие как методы на основе лазера CO₂ .

Микрорезонаторы Whispering Gallery Mode (WGM) представляют собой класс оптических датчиков, которые продемонстрировали огромный потенциал не только для обнаружения одиночных молекул и наночастиц ^1,2,3,4,5,6, но и для восприятия широкого спектра физических явлений, таких^{как магнитные} 7 и электрические поля⁸, температура⁹ и ультразвуковые волны10^{. 11}. В условиях оптического резонанса свет задерживается внутри устройства, что приводит к значительному увеличению мощности^12,13. Любое локализованное изменение в резонаторе (например, связывание биомолекулы или изменение показателя преломления окружающей среды) вызывает изменения в локальной оптической среде, тем самым смещая резонансную частоту или длину волны. Отслеживая сдвиги в резонансной длине волны или частоте, можно обнаруживать и характеризовать аналиты в режиме реального времени.

Микрорезонаторы WGM могут быть спроектированы в различных геометриях. Общие геометрии включают, помимо прочего, микротороиды¹⁴, микрокольца¹⁵ и микропузырьковые резонаторы (MBR)¹⁶. Здесь мы сосредоточимся на MBR из-за их большого потенциала в приложениях оптофлюидного зондирования. Ключевым преимуществом МБР является их гидродинамическая интеграция 17,18,19,20, которая обеспечивается за счет изготовления устройства из микрокапилляра. В этой конструкции встроенный капилляр облегчает подачу небольших объемов (т. е. микролитров) аналитов в растворе в зону чувствительности без необходимости использования внешних жидкостных каналов, как показано на рисунке 1. Обладая уникальными возможностями работы с жидкостями, MBR хорошо подходят для широкого спектра сенсорных задач, которые нелегко достижимы с помощью других платформ WGM. Например, МБР были заполнены магнитными жидкостями, тем самым усиливая чувствительность к внешним магнитным^полям21. Кроме того, МБР также используются для управления специфической ориентацией золотых наностержней в растворе с помощью оптических крутящих моментов²².

Изготовление МБР можно резюмировать следующим образом: аэростатическое давление прикладывается внутри капилляра, в то время как небольшая область капилляра нагревается локально. Сочетание локального нагрева и внутреннего давления раздувает нагретую секцию до сферической геометрии, способной поддерживать высокодобротные рабочие машины, как показано на рисунке 2. Для достижения локального нагрева капилляра могут быть использованы различные способы, такие как использование лазера²³ CO₂, оптоволоконного сплайсера²⁴, источника водородного пламени²⁵ и прецизионной машины для обработки стекла (PGP). Представленные здесь методы могут быть распространены на другие источники нагрева, в том числе на лазер CO₂. PGP похож на сварочный аппарат для оптического волокна, но обеспечивает улучшенный контроль над временем нагрева, настройкой мощности и расположением волокон или капилляров²⁶. PGP часто включают в себя встроенные микроскопы, расположенные рядом с нагревательными элементами, что позволяет контролировать процесс изготовления в режиме реального времени. Как правило, свет от перестраиваемого диодного лазера подключается к МБР через коническое оптическое волокно, которое находится в контакте с экватором МБР. Волокно сужается (до ~1 мкм) для обеспечения эффективной связи света внутри и из MBR. Полученные спектры пропускания из МБР затем захватываются фотодетектором через оптическое волокно и визуализируются на осциллографе.

Зондирование с помощью МБР WGM основано на взаимодействии поля WGM с анализируемым веществом мишени. Сила этого взаимодействия прямо пропорциональна той доле поля WGM, которая проникает в полую полость МБР, через которую могут протекать образцы жидкой или газообразной фазы²⁷. Как показано на рисунке 3, моделирование в COMSOL показывает, как проникновение поля WGM во внутреннюю полость изменяется в зависимости от толщины стенки MBR. Максимальное проникновение поля WGM происходит при уменьшении толщины стенки до менее чем 1 мкм, при этом моделирование проводится с использованием света в диапазоне 780 нм. Достижение такой уменьшенной толщины стенки только с помощью стандартного протокола изготовления с нагревом и надуванием является сложной задачей. Чтобы еще больше утончить стенки MBR и сделать устройство более чувствительным, мы включаем дополнительные этапы мокрого травления с использованием фтористоводородной (HF) кислоты.

Используя PGP, мы сосредоточимся на изготовлении МБР на линии с кремнеземным капилляром. Также будет представлено подробное описание процесса изготовления и методов повышения чувствительности к изменениям показателя преломления с помощью мокрого травления.

1. Изготовление микропузырьков

1. Начните с капилляра из кварцевого стекла с полимерным покрытием (внутренний диаметр 250 мкм и внешний диаметр 360 мкм) длиной ~75 см. Длина капилляра может варьироваться в зависимости от потребностей пользователя; Убедитесь, что описанное ниже давление достигается при большей длине капилляров.
2. Сожгите ~2,5 см полимерного покрытия на одном конце капилляра бутановой горелкой и очистите конец деликатной рабочей салфеткой и изопропиловым спиртом (IPA).
3. Поместите чистый конец капилляра в PGP и нажмите кнопку «Только сращивание» в программном обеспечении для нагрева в течение 5 с при 180 Вт, чтобы запечатать конец капилляра. Установите время и продолжительность нагрева с помощью щелчка правой кнопкой мыши по кнопке «Только стык».
4. Чтобы убедиться в правильном уплотнении, осмотрите запаянный конец капилляра (рисунок 1B).
5. На расстоянии ~25 см от запаянного конца (или на 1/3 длины капилляра от запаянного конца) сожгите от капилляра полосу полимерного покрытия длиной ~2,5 см и очистите полученный участок с помощью IPA.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Описанное выше положение не является критичным, так как давление равномерно распределяется по длине капилляра. Если экспериментальная настройка пользователя требует другого расположения MBR, это не должно повлиять на остальную часть процедуры.
6. Повторяйте этот шаг до тех пор, пока под системой визуализации не будет видно полимера, которая отображает капиллярное изображение с субмикронным разрешением.
7. Поместите этот только что очищенный участок капилляра в стеклопроцессоре над нагревательным элементом и под микроскопом, описанным ранее.
8. С помощью газонепроницаемого шприца и шприцевого насоса нагнетайте воздух в капилляр таким образом, чтобы внутреннее давление достигло 10 бар (т. е. уменьшив объем шприца с 5 мл до 0,5 мл с соответствующим давлением, рассчитанным по закону Бойля). Установите капилляр на шприц с люэровским замком на адаптер 360 мкм. В качестве альтернативы можно подать давление через регулятор давления и сжатый воздух/инертный газ.
9. Нагрейте капилляр с помощью PGP, используя мощность нити ~100-110 Вт в течение 1,5-2 с.
10. Проведите дополнительные этапы нагрева с мощностью 90-100 Вт и 0,1-1 с обжига нити накаливания. Этот метод позволит медленно и контролируемо увеличивать диаметр МБР до нужного диапазона. Однако этот процесс может привести к асимметричным МБР. Если наблюдается асимметричная МБР (сфера не симметрична относительно капиллярной оси), поверните ее вокруг капиллярной оси между последовательными шагами нагрева, чтобы обеспечить симметрию.
11. Осмотрите MBR под микроскопом для контроля качества на наличие пыли, трещин или деформаций. Кроме того, используйте микроскоп для оценки толщины стенки МБР.

2. Мокрое травление фтористоводородной кислотой

ВНИМАНИЕ: Фтористоводородная кислота очень опасна, токсична и вызывает коррозию. Глюконат кальция следует держать поблизости, так как это химическое вещество может нейтрализовать фтористоводородную кислоту. Носите соответствующие средства индивидуальной защиты и соблюдайте все меры предосторожности, указанные в Паспорте безопасности материала (MSDS).

1. Удалите запечатанный конец капилляра, разрезав на 2 см ниже запаянного конца.
2. Поместите один капиллярный конец внутрь тупого наконечника адаптера замка Люэра. Убедитесь, что внутренний диаметр тупого кончика максимально близок к внешнему диаметру капилляра, при этом убедитесь, что капилляр все еще может поместиться внутри.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Материал адаптера не должен вступать в реакцию с HF-кислотой.
3. Нанесите УФ-отверждаемую эпоксидную смолу на конец тупого кончика капилляром внутри, чтобы соединить их, затем отверждите с помощью ультрафиолетового света (источник ультрафиолетового света 50-100 Вт; более высокая мощность ускорит отверждение).
   ВНИМАНИЕ: При работе с источником ультрафиолетового излучения необходимо носить соответствующие средства защиты глаз²⁸.
4. Как только эпоксидная смола отверждится, прикрепите наконечник замка Люэра к шприцу объемом 25 мл, который инертен к HF.
5. Поместите шприц в шприцевую помпу со скоростью забора 50 мкл/мин.
6. Подсоединив один конец капилляра к шприцу, поместите другой конец капилляра в деионизированную (DI) воду.
7. Настройте шприцевой насос на забор воды через капилляр в шприц, чтобы убедиться, что установлен надлежащий поток (т. е. в системе нет пузырьков воздуха, а жидкость постоянно протекает через капилляр).
8. Переведите капиллярный конец из деионизированной воды в емкость с HF-кислотой, как только настанет надлежащий поток.
9. Рассчитайте приблизительное время травления на основе толщины стенки МБР до травления, учитывая измеренную скорость травления 8,18 мкм/ч с 12% фтористоводородной кислоты. Толщина стенки может быть измерена с помощью системы визуализации, которая отображает МБР с субмикронным разрешением.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Скорость травления для кислот других концентраций может быть определена опытным путем. Это можно сделать, измерив толщину стенки капилляра до и после заданного времени травления.
10. Запустите шприцевой насос со скоростью 50 мкл/мин для расчета времени травления.
11. Промойте капилляр деионизированной водой в течение 10-15 минут, чтобы удалить всю кислоту из капилляра по истечении времени травления. Рассчитайте время полоскания, чтобы промыть весь объем капилляра 3-5 раз.
12. Измерьте толщину стенки МБР после травления. Используйте эту информацию для обновления скорости травления для кислоты.
13. Повторять этот процесс можно до тех пор, пока не будет достигнута желаемая толщина стенки.

Репрезентативная МБР, изготовленная с помощью станка PGP, показана на рисунке 1C. Учитывая, что наш начальный внешний диаметр капилляра (OD) составляет 360 мкм, мы расширяем капилляр в ~2 раза в процессе изготовления. Расширение капилляра до ~700 мкм приводит к ...

В этой статье мы описали протокол изготовления высококачественных микропузырьковых резонаторов (MBR) с использованием прецизионного стеклянного процессора. Мы представляем важнейшие этапы в протоколе изготовления, включая этапы нагрева и расширения. В этом случае с?...

Авторам нечего раскрывать.

Этот проект был частично поддержан компанией R41AI152745. AJQ финансировался премией T32 Cancer Biology Award (NIH CA009547) и K08EB033409.