Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
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, такихкак магнитные 7 и электрические поля8, температура9 и ультразвуковые волны10. 11. В условиях оптического резонанса свет задерживается внутри устройства, что приводит к значительному увеличению мощности12,13. 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 магнитнымполям21. 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
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).
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.
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 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены