JoVE Logo
Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

Burada, hassas bir cam işleme makinesi (PGP) ile yüksek kaliteli faktör (Q-faktörü) Fısıltı Galerisi Modu (WGM) Mikro kabarcık rezonatörleri (MBR'ler) üretmek için sağlam ve standartlaştırılmış bir protokol gösteriyoruz.

Özet

Hassas bir cam işleme makinesi (PGP) ile yüksek kaliteli faktör (Q-faktörü) Fısıltı Galerisi Modu (WGM) Mikro kabarcık rezonatörlerinin (MBR'ler) üretimi için sağlam ve standartlaştırılmış bir yöntem gösteriyoruz. Mikro kabarcık rezonatörleri, entegre akışkan kanallarına sahip benzersiz bir WGM cihazları sınıfıdır ve bu da onları çeşitli algılama uygulamaları için ideal hale getirir. Burada, Q faktörü ve duvar kalınlığı gibi temel performans ölçümlerinin optimizasyonu yoluyla yüksek Q mikro kabarcık rezonatörleri üretmek için standartlaştırılmış bir protokol gösteriyoruz. Ayrıca, Hidroflorik asit (HF) ıslak aşındırma yoluyla platformun kırılma indisi değişikliklerine ve diğer algılama hedeflerine karşı hassasiyetini artırmaya yönelik yöntemler de gösteriyoruz. Son olarak, mikro kabarcıkların sıvı akışına karşı direncinin kısa bir analizi tartışılmıştır ve daha küçük çaplı mikro kabarcıkların analit dağıtımı için akışa karşı daha fazla direnç gösterdiğini göstermektedir - analit dağıtımı için dikkate alınması gereken bir faktör. Bu rafine üretim protokolünün uygulanması, yalnızca cihaz üretiminin başarı oranını artırmakla kalmaz, aynı zamanda üretim süresini de azaltır. Ayrıca protokol, CO2 lazer tabanlı yöntemler gibi MBR'leri üretmek için kullanılan diğer tekniklere genişletilebilir.

Giriş

Fısıltı Galerisi Modu (WGM) mikro rezonatörleri, yalnızca tek moleküllerin ve nano parçacıkların 1,2,3,4,5,6 tespiti için değil, aynı zamanda manyetik7 ve elektrik alanları8, sıcaklık9 ve ultrasonik dalgalar10 gibi çok çeşitli fiziksel olayları algılamak için de muazzam potansiyel gösteren bir optik sensör sınıfıdır. 11. Optik rezonans koşulları altında, ışık cihazın içinde hapsolur ve bu da önemli bir güç amplifikasyonunayol açar 12,13. Rezonatördeki herhangi bir lokalize değişiklik (bir biyomolekülün bağlanması veya çevredeki ortamın kırılma indisindeki değişiklikler gibi) yerel optik ortamda değişikliklere neden olur, bu nedenle rezonans frekansını veya dalga boyunu değiştirir. Rezonans dalga boyundaki veya frekanstaki değişimleri izleyerek, analitler gerçek zamanlı olarak tespit edilebilir ve karakterize edilebilir.

WGM mikrorezonatörleri çeşitli geometrilerde tasarlanabilir. Yaygın geometriler, bunlarla sınırlı olmamak üzere, mikrotoroidler14, mikro halkalar15 ve mikro kabarcık16 rezonatörlerini (MBR) içerir. Burada, optoakışkan algılama uygulamalarındaki büyük potansiyelleri nedeniyle MBR'lere odaklanıyoruz. MBR'lerin önemli bir avantajı, cihazın bir mikro kılcal damardan üretilmesiyle sağlanan sıvı entegrasyonu 17,18,19,20'dir. Bu tasarımda, hat içi kılcal, Şekil 1'de gösterildiği gibi, harici akışkan kanallarına ihtiyaç duymadan çözelti içindeki küçük hacimlerde (yani mikrolitreler) analitlerin algılama alanına kolayca iletilmesini kolaylaştırır. Benzersiz akışkan taşıma yetenekleri ile MBR'ler, diğer WGM platformlarıyla kolayca elde edilemeyen çok çeşitli algılama uygulamaları için çok uygundur. Örneğin, MBR'ler manyetik sıvılarla doldurulmuştur, böylece dış manyetik alanlara karşı hassasiyet aşılanmıştır21. Ek olarak, MBR'ler, optik torklar22 aracılığıyla çözeltideki altın nanoçubukların spesifik yönelimini kontrol etmek için de kullanılmıştır.

MBR'lerin imalatı şu şekilde özetlenebilir: Kılcal damarın içine aerostatik basınç uygulanırken, kılcal damarın küçük bir alanı yerel olarak ısıtılır. Lokalize ısıtma ve iç basıncın kombinasyonu, ısıtılmış bölümü, Şekil 2'de gösterildiği gibi, yüksek Q WGM'leri destekleyebilen küresel bir geometriye şişirir. Kılcal damarın lokalize ısınmasını sağlamak için bir CO2 lazer23, bir fiber optik birleştirici24, bir hidrojen alev kaynağı25 ve bir hassas cam işleme makinesi (PGP) gibi çeşitli yöntemler kullanılabilir. Burada sunulan yöntemler, bir CO2 lazeri de dahil olmak üzere diğer ısıtma kaynaklarına genişletilebilir. PGP, bir fiber optik ekleyiciye benzer, ancak ısıtma süresi, güç ayarı ve fiberlerin veya kılcal damarların konumlandırılması üzerinde gelişmiş kontrol sunar26. PGP'ler genellikle ısıtma elemanlarına bitişik yerleşik mikroskoplar içerir ve bu da üretim sürecinin gerçek zamanlı olarak izlenmesini sağlar. Tipik olarak, ayarlanabilir bir diyot lazerden gelen ışık, MBR'nin ekvatoru ile temas halinde olan konik bir optik fiber aracılığıyla MBR'ye bağlanır. Fiber, ışığın MBR'nin içine ve dışına verimli bir şekilde bağlanmasını sağlamak için konikleştirilmiştir (~ 1 μm). MBR'den elde edilen iletim spektrumları daha sonra optik fiber boyunca bir fotodetektör tarafından yakalanır ve bir osiloskop üzerinde görselleştirilir.

WGM MBR'ler ile algılama, WGM alanının hedef analit ile etkileşimine dayanır. Bu etkileşimin gücü, sıvı veya gaz fazı numunelerinin27'den akabileceği MBR'nin içi boş boşluğuna nüfuz eden WGM alanının fraksiyonu ile doğru orantılıdır. Şekil 3'te gösterildiği gibi, COMSOL simülasyonları, WGM alanının iç boşluğa penetrasyonunun MBR'nin duvar kalınlığına göre nasıl değiştiğini göstermektedir. WGM alanının maksimum alan penetrasyonu, duvar kalınlığının 1 μm'nin altına düşürülmesiyle gerçekleşir ve bu simülasyonlar 780 nm bandında ışık kullanılarak gerçekleştirilir. Tek başına standart ısıtma ve şişirme imalat protokolü ile bu kadar azaltılmış duvar kalınlığı elde etmek zordur. MBR'nin duvarlarını daha da inceltmek ve cihazı daha hassas hale getirmek için Hidroflorik (HF) asit kullanarak ek ıslak aşındırma adımları ekliyoruz.

Bir PGP kullanarak, MBR'lerin bir silika kılcal damar ile uyumlu olarak üretilmesine odaklanacağız. İmalat sürecinin ayrıntılı bir açıklaması ve ıslak aşındırma yoluyla kırılma indisi değişikliklerine karşı hassasiyeti artırma yöntemleri de sunulacaktır.

Protokol

1. Mikro kabarcık imalatı

  1. ~75 cm uzunluğunda polimer kaplı silika cam kılcal (250 μm iç çap ve 360 μm dış çap) ile başlayın. Kılcal damarın uzunluğu kullanıcı ihtiyaçlarına göre değişebilir; Aşağıda açıklanan basınca daha uzun kılcal uzunluklarda ulaşıldığından emin olun.
  2. Kılcal damarın bir ucundaki polimer kaplamanın ~ 2,5 cm'sini bir bütan meşale ile yakın ve ucunu hassas bir görev mendili ve izopropil alkol (IPA) ile temizleyin.
  3. Kılcal damarın temiz ucunu PGP'ye yerleştirin ve kılcal damarın ucunu kapatmak için 180 W'ta 5 saniye ısıtmak için yazılımdaki yalnızca ekleme düğmesine tıklayın. Yalnızca ekleme düğmesine sağ tıklayarak ısıtma süresini ve süresini ayarlayın.
  4. Düzgün bir sızdırmazlık sağlamak için, sızdırmaz kılcal ucu inceleyin, Şekil 1B.
  5. Sızdırmaz uçtan ~ 25 cm uzakta (veya kapalı uçtan kılcal damar uzunluğunun 1 / 3'ü), kılcal damardan ~ 2,5 cm uzunluğunda bir polimer kaplama şeridini yakın ve elde edilen alanı IPA ile temizleyin.
    NOT: Basınç kılcal uzunluk boyunca eşit olarak dağıtıldığı için yukarıda açıklanan konum kritik değildir. Kullanıcının deney kurulumu, MBR'nin farklı bir şekilde yerleştirilmesini gerektiriyorsa, bu prosedürün geri kalanını etkilememelidir.
  6. Mikron altı çözünürlükte kılcal görüntü görüntüleyen görüntüleme sisteminin altında hiçbir polimer görünmeyene kadar bu adımı tekrarlayın.
  7. Kılcal damarın yeni temizlenmiş bu bölümünü cam işlemci aletine, ısıtma elemanının üzerine ve daha önce açıklanan mikroskobun altına yerleştirin.
  8. Gaz geçirmez bir şırınga ve bir şırınga pompası kullanarak, iç basınç 10 bar'a ulaşacak şekilde kılcal damara hava enjekte edin (yani, bir şırıngadaki hacmi 5 mL'den 0,5 mL'ye düşürmek, karşılık gelen basınçlar Boyle Yasası ile hesaplanmıştır). Kılcal damarı, 360 μm'lik bir adaptöre luer kilidi olan bir şırıngaya takın. Alternatif olarak, bir basınç regülatörü ve basınçlı hava/inert gaz aracılığıyla basınç uygulayın.
  9. Kılcal damarı PGP ile 1,5-2 sn boyunca ~100-110 W'lık bir filaman gücü kullanarak ısıtın.
  10. Filamentin 90-100 W ve 0.1-1 s ateşlemeleri ile ek ısıtma adımları gerçekleştirin. Bu yöntem, MBR'nin çapını yavaş ve kontrollü bir şekilde istenen aralığa çıkaracaktır. Ancak, bu işlem asimetrik MBR'lere neden olabilir. Asimetrik bir MBR gözlenirse (küre kılcal eksen etrafında simetrik değilse), simetriyi teşvik etmek için ardışık ısıtma adımları arasında kılcal eksen etrafında döndürün.
  11. MBR'yi kalite kontrol için mikroskop altında inceleyin, toz, çatlak veya deformasyon gibi şeyleri arayın. Ek olarak, MBR'nin duvar kalınlığını tahmin etmek için buradaki mikroskobu kullanın.

2. Hidroflorik asit ile ıslak aşındırma

DİKKAT: Hidroflorik asit çok tehlikeli, toksik ve aşındırıcıdır. Kalsiyum glukonat, bu kimyasal hidroflorik asidi nötralize edebileceğinden yakınlarda tutulmalıdır. Uygun kişisel koruyucu ekipman giyin ve Malzeme Güvenlik Bilgi Formundaki (MSDS) tüm güvenlik önlemlerine uyun.

  1. Kılcal damarın sızdırmaz ucunu, sızdırmaz ucun 2 cm altından keserek çıkarın.
  2. Bir kılcal ucu, luer kilit adaptörüne giden kör bir ucun içine yerleştirin. Kılcal damarın hala içine sığabileceğinden emin olurken, kör ucun iç çapının kılcal damarın dış çapına mümkün olduğunca yakın olduğundan emin olun.
    NOT: Adaptör malzemesi HF asidi ile reaktif olmamalıdır.
  3. İkisini birleştirmek için kılcal damar içeride, kör ucun ucuna UV ile kürlenebilen epoksi uygulayın, ardından UV ışığı ile kürleyin (50-100 W UV ışık kaynağı; daha yüksek watt kürlemeyi hızlandıracaktır).
    DİKKAT: UV ışık kaynağını çalıştırırken uygun göz koruması takılmalıdır28.
  4. Epoksi sertleştikten sonra, luer kilit ucunu HF'ye inert olan 25 mL'lik bir şırıngaya takın.
  5. Şırıngayı, çekilme hızı 50 μL/dk olan bir şırınga pompasına yerleştirin.
  6. Kılcal damarın bir ucu şırıngaya bağlıyken, kılcal damarın diğer ucunu deiyonize (DI) suya yerleştirin.
  7. Uygun akışın sağlanıp sağlanmadığını kontrol etmek için şırınga pompasını kılcal damardan şırıngaya su çekecek şekilde ayarlayın (yani, sistem, kılcal damardan sürekli olarak akan sıvı ile hava kabarcıklarından arındırılmıştır).
  8. Uygun akış sağlandıktan sonra kılcal ucu DI suyundan bir HF asit kabına aktarın.
  9. %12 (a/h) hidroflorik asit ile 8,18 μm/s'lik ölçülen aşındırma oranını göz önünde bulundurarak, aşındırmadan önce MBR duvar kalınlığına dayalı yaklaşık bir aşındırma süresi hesaplayın. Duvar kalınlığı, MBR'leri mikron altı çözünürlükte görüntüleyen bir görüntüleme sistemi altında ölçülebilir.
    NOT: Diğer konsantrasyonlardaki asitler için aşındırma oranı ampirik olarak belirlenebilir. Bu, belirli bir aşındırma süresinden önce ve sonra kılcal duvar kalınlığı ölçülerek yapılabilir.
  10. Hesaplanan aşındırma süresi için şırınga pompasını 50 μL/dk'da çalıştırın.
  11. Aşındırma süresi geçtikten sonra kılcal damardaki tüm asidi çıkarmak için kılcal damarı 10-15 dakika DI su ile durulayın. Tüm kılcal hacmi 3-5 kez durulamak için durulama süresini hesaplayın.
  12. Aşındırma işleminden sonra MBR duvar kalınlığını ölçün. Asidin aşındırma oranını güncellemek için bu bilgileri kullanın.
  13. İstenilen duvar kalınlığı elde edilene kadar bu işlemi tekrarlayın.

Sonuçlar

PGP makinesi ile üretilen temsili bir MBR, Şekil 1C'de gösterilmiştir. 360 μm'lik başlangıç kılcal dış çapımız (OD) göz önüne alındığında, imalat sürecinde kılcal damarı ~ 2 kat genişletiyoruz. Kılcal damarın ~ 700 μm'ye genişletilmesi, 5 μm ile 15 μm arasında duvar kalınlıklarına neden olur. MBR'lerle biyo-algılama için en uygun duvar kalınlığının, WGM27'yi uyarmak için kullanılan ışığ?...

Tartışmalar

Burada, hassas bir cam işlemci kullanarak yüksek kaliteli fısıltı galerisi modu (WGM) mikro kabarcık rezonatörleri (MBR'ler) üretmek için protokolü açıkladık. Isı ve genleşme adımları da dahil olmak üzere imalat protokolünde kritik adımlar sunuyoruz. Burada, aşırı ısınma, çok uzun süre ısıtma veya çok fazla iç hava basıncı enjekte etme kombinasyonu başarısız imalata yol açabilir. Bu sorunları çözmek için, PGP makinesinin yazılım kullanıcı aray...

Açıklamalar

Yazarların ifşa edecek hiçbir şeyi yok.

Teşekkürler

Bu proje kısmen R41AI152745 tarafından desteklenmiştir. AJQ, T32 Kanser Biyolojisi Ödülü (NIH CA009547) ve K08EB033409 tarafından finanse edildi.

Malzemeler

NameCompanyCatalog NumberComments
Blunt tip to luer lock adapterEllsworth Adhesives8001286
Gas-tight syringeHamilton81520
Luer Lock to 360 µm adapterIDEXp-662
Silica CapillaryBGB AnalytikTSP250350
Syringe Pump Universalna
UV GlueAmazonB09H7BJKT1
Vytran Glass Processor Thorlabs/VytranGPX3000PGP instrument with software

Referanslar

  1. Dantham, V. R., Holler, S., Barbre, C., Keng, D., Kolchenko, V., Arnold, S. Label-free detection of single protein using a nanoplasmonic-photonic hybrid microcavity. Nano Lett. 13 (7), 3347-3351 (2013).
  2. Chen, W., Özdemir, &. #. 3. 5. 0. ;. K., Zhao, G., Wiersig, J., Yang, L. Exceptional Points enhance sensing in an optical microcavity. Nature. 548 (7666), 192-195 (2017).
  3. Zhu, J., et al. On-chip single nanoparticle detection and sizing by mode splitting in an ultrahigh-Q microresonator. Nat Photonics. 4 (1), 46-49 (2010).
  4. Dantham, V. R., Holler, S., Kolchenko, V., Wan, Z., Arnold, S. Taking whispering gallery-mode single virus detection and sizing to the limit. Appl Phys Lett. 101, 043704 (2012).
  5. Vollmer, F., Arnold, S. Whispering-gallery-mode biosensing: Label-free detection down to single molecules. Nat Methods. 5 (7), 591-596 (2008).
  6. Wang, Y., Zeng, S., Humbert, G., Ho, H. P. Microfluidic whispering gallery mode optical sensors for biological applications. Laser Photonics Rev. 14 (12), 2000135 (2020).
  7. Li, B. B., Bulla, D., Prakash, V., Forstner, S., Dehghan-Manshadi, A., Rubinsztein-Dunlop, H., Foster, S., Bowen, W. P. Invited Article: Scalable high-sensitivity optomechanical magnetometers on a chip. APL Photonics. 3, 120806 (2018).
  8. Ioppolo, T., Ayaz, U., Ötügen, M. V. Tuning of whispering gallery modes of spherical resonators using an external electric field. Opt Express. 17 (19), 16465 (2009).
  9. Xu, L., et al. High-Q silk fibroin whispering gallery microresonator. Opt Express. 24 (18), 20825 (2016).
  10. Kim, K. H., et al. Air-coupled ultrasound detection using capillary-based optical ring resonators. Sci Rep. 7, 109 (2017).
  11. Pan, J., et al. Microbubble resonators combined with a digital optical frequency comb for high-precision air-coupled ultrasound detectors. Photonics Res. 8 (3), 303 (2020).
  12. Foreman, M. R., Swaim, J. D., Vollmer, F. Whispering gallery mode sensors. Opt Express. 7 (2), 168-240 (2015).
  13. Sumetsky, M., Dulashko, Y., Windeler, R. S. Optical microbubble resonator. Opt Lett. 35 (7), 898 (2010).
  14. Jiang, X. F., Xiao, Y. F., Yang, Q. F., Shao, L., Clements, W. R., Gong, Q. Free-space coupled, ultralow-threshold Raman lasing from a silica microcavity. Appl Phys Lett. 103, 101102 (2013).
  15. Xu, Q., Schmidt, B., Pradhan, S., Lipson, M. Micrometre-scale silicon electro-optic modulator. Nature. 435 (7040), 325-327 (2005).
  16. Henze, R., Seifert, T., Ward, J., Benson, O. Tuning whispering gallery modes using internal aerostatic pressure. Opt Lett. 36 (23), 4536 (2011).
  17. Wade, J. H., Jones, J. D., Lenov, I. L., Riordan, C. M., Sligar, S. G., Bailey, R. C. Microfluidic platform for efficient nanodisc assembly, membrane protein incorporation, and purification. Lab Chip. 17 (17), 2951-2959 (2017).
  18. Zhu, H., White, I. M., Suter, J. D., Zourob, M., Fan, X. Opto-fluidic micro-ring resonator for sensitive label-free viral detection. Analyst. 133 (3), 356-360 (2008).
  19. White, I. M., Gohring, J., Sun, Y., Yang, G., Lacey, S., Fan, X. Versatile waveguide-coupled optofluidic devices based on liquid core optical ring resonators. Appl Phys Lett. 91, 241104 (2007).
  20. Wang, Z., et al. Monitoring and identifying pendant droplets in microbottle resonators. Photonics Res. 10 (3), 662 (2022).
  21. Liu, W., et al. Magnetic sensor based on WGM hollow microbubble resonator filled with magnetic fluid. Opt Commun. 497, 127148 (2021).
  22. Hogan, L. T., Horak, E. H., Ward, J. M., Knapper, K. A., Nic Chormaic, S., Goldsmith, R. H. Toward real-time monitoring and control of single nanoparticle properties with a microbubble resonator spectrometer. ACS Nano. 13 (11), 12743-12757 (2019).
  23. Yu, J., et al. A tellurite glass optical microbubble resonator. Opt Express. 28 (22), 32858-32868 (2020).
  24. Guo, W., Liu, J., Liu, J., Wang, G., Wang, G., Huang, M. A single-ended ultra-thin sphericalmicrobubble based on the improved critical-state pressure-assisted arc discharge method. Coatings. 9 (2), 144 (2019).
  25. Jiang, J., et al. Wall-thickness-controlled microbubble fabrication for WGM-based application. Appl Opt. 59 (16), 5052 (2020).
  26. Wang, B., Mies, E. Review of fabrication techniques for fused fiber components for fiber lasers. Fiber Lasers VI Technol Syst Appl. 7195, 71950A (2009).
  27. Yang, Y., Ward, J., Chormaic, S. N. Quasi-droplet microbubbles for high resolution sensing applications. Opt Express. 22 (6), 6881 (2014).
  28. . University of Rochester Ultraviolet Light Safety Guidelines Available from: https://www.safety.rochester.edu/ih/guidelines/pdf/Ultraviolet_Light_Guidelines.pdf (2021)
  29. Sun, Y., Shopova, S. I., Frye-mason, G., Fan, X. Rapid chemical-vapor sensing using optofluidic ring resonators. Opt. Lett. 33 (8), 788-790 (2008).
  30. Giannetti, A., et al. Optical micro-bubble resonators as promising biosensors. Proc SPIE 9506, Optical Sensors. 2015, 950617 (2015).
  31. Guo, Z., Lu, Q., Zhu, C., Wang, B., Zhou, Y., Wu, X. Ultra-sensitive biomolecular detection by external referencing optofluidic microbubble resonators. Opt Express. 27 (9), 12424 (2019).
  32. Berneschi, S., et al. High Q silica microbubble resonators fabricated by arc discharge. Opt Lett. 36 (17), 3521 (2011).
  33. Yang, Y., Saurabh, S., Ward, J. M., Nic Chormaic, S. High-Q, ultrathin-walled microbubble resonator for aerostatic pressure sensing. Opt Express. 24 (1), 294-299 (2016).
  34. Jiang, X., Qavi, A. J., Huang, S. H., Yang, L. Whispering-gallery sensors. Matter. 3 (2), 371-392 (2020).
  35. Yu, D., Humar, M., Meserve, K., Bailey, R. C., Chormaic, S. N., Vollmer, F. Whispering-gallery-mode sensors for biological and physical sensing. Nat Rev Methods Prim. 1, 83 (2021).

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

M hendislikSay 219

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır