Herstellung von hochwertigen Mikroblasen-Resonatoren im Flüstergaleriemodus

Hier demonstrieren wir ein robustes und standardisiertes Protokoll für die Herstellung von Mikroblasenresonatoren (MBRs) mit hohem Qualitätsfaktor (Q-Faktor) im Whispering Gallery Mode (WGM) mit einer Präzisionsglasbearbeitungsmaschine (PGP).

Wir demonstrieren ein robustes und standardisiertes Verfahren zur Herstellung von Mikroblasenresonatoren (MBRs) mit hohem Qualitätsfaktor (Q-Faktor) im Whispering Gallery Mode (WGM) mit einer Präzisionsglasbearbeitungsmaschine (PGP). Mikroblasenresonatoren sind eine einzigartige Klasse von WGM-Bauelementen mit integrierten fluidischen Kanälen, die sich ideal für verschiedene Sensoranwendungen eignen. Darin zeigen wir ein standardisiertes Protokoll zur Herstellung von Mikroblasenresonatoren mit hoher Güte durch die Optimierung wichtiger Leistungskennzahlen wie Q-Faktor und Wandstärke. Wir zeigen auch Methoden, um die Empfindlichkeit der Plattform gegenüber Brechungsindexänderungen und anderen Sensorzielen durch Flusssäure (HF)-Nassätzen zu verbessern. Schließlich wird eine kurze Analyse des Widerstands von Mikrobläschen gegen Flüssigkeitsströmungen diskutiert, die zeigt, dass Mikrobläschen mit kleinerem Durchmesser einen größeren Strömungswiderstand für die Analytabgabe aufweisen - ein Faktor, der bei der Analytabgabe berücksichtigt werden sollte. Die Implementierung dieses verfeinerten Fertigungsprotokolls erhöht nicht nur die Erfolgsquote der Geräteproduktion, sondern verkürzt auch die Fertigungszeit. Darüber hinaus kann das Protokoll auf andere Techniken zur Herstellung von MBRs ausgeweitet werden, wie z. B. CO₂ -Laser-basierte Methoden.

Whispering Gallery Mode (WGM) Mikroresonatoren sind eine Klasse optischer Sensoren, die ein enormes Potenzial nicht nur für die Detektion einzelner Moleküle und Nanopartikel ^1,2,3,4,5,6 gezeigt haben, sondern auch für die Erfassung einer Vielzahl physikalischer Phänomene wie magnetische⁷ und elektrische Felder⁸, Temperatur⁹ und Ultraschallwellen¹⁰. ¹¹. Anmelden Unter optischen Resonanzbedingungen wird Licht im Inneren des Geräts eingeschlossen, was zu einer erheblichen Leistungsverstärkung führt^12,13. Jede lokalisierte Änderung des Resonators (z. B. die Bindung eines Biomoleküls oder Änderungen des Brechungsindex des umgebenden Mediums) induziert Änderungen in der lokalen optischen Umgebung und verschiebt somit die Resonanzfrequenz oder Wellenlänge. Durch die Überwachung der Verschiebungen der Resonanzwellenlänge oder -frequenz kann man Analyten in Echtzeit detektieren und charakterisieren.

WGM-Mikroresonatoren können in einer Vielzahl von Geometrien ausgeführt werden. Zu den gängigen Geometrien gehören unter anderem Mikrotoroide¹⁴, Mikroringe¹⁵ und Mikroblasen-16-Resonatoren (MBR). Hier konzentrieren wir uns auf MBRs aufgrund ihres großen Potenzials in optofluidischen Sensoranwendungen. Ein wesentlicher Vorteil von MBRs ist ihre fluidische Integration 17,18,19,20, die durch die Herstellung des Geräts aus einer Mikrokapillare ermöglicht wird. Bei diesem Design ermöglicht die Inline-Kapillare die einfache Abgabe kleiner Volumina (d. h. Mikroliter) von Analyten in Lösung in den Erfassungsbereich, ohne dass externe fluidische Kanäle erforderlich sind, wie in Abbildung 1 gezeigt. Mit ihren einzigartigen fluidischen Handhabungsfähigkeiten eignen sich MBRs gut für eine Vielzahl von Sensoranwendungen, die mit anderen WGM-Plattformen nicht ohne weiteres zu realisieren sind. Zum Beispiel wurden MBRs mit magnetischen Flüssigkeiten gefüllt, wodurch die Empfindlichkeit gegenüber externen Magnetfeldern^{erhöht wurde 21}. Darüber hinaus wurden MBRs auch verwendet, um die spezifische Orientierung von Gold-Nanostäbchen in Lösung durch optische Drehmomente²² zu steuern.

Die Herstellung von MBRs lässt sich wie folgt zusammenfassen: Im Inneren der Kapillare wird aerostatischer Druck ausgeübt, während ein kleiner Bereich der Kapillare lokal erwärmt wird. Die Kombination aus lokalisierter Erwärmung und Innendruck bläst den beheizten Abschnitt zu einer sphärischen Geometrie auf, die in der Lage ist, WGMs mit hoher Güte zu unterstützen, wie in Abbildung 2 dargestellt. Verschiedene Verfahren können eingesetzt werden, um eine lokale Erwärmung der Kapillare zu erreichen, wie z. B. die Verwendung eines CO₂ -Lasers²³, eines faseroptischen Spleißers²⁴, einer Wasserstoffflammenquelle²⁵ und einer Präzisionsglasbearbeitungsmaschine (PGP). Die hier vorgestellten Methoden können auf andere Wärmequellen, einschließlich eines CO₂ -Lasers, ausgeweitet werden. Das PGP ähnelt einem optischen Faserspleißgerät, bietet jedoch eine verbesserte Kontrolle über die Heizzeit, die Leistungseinstellung und die Positionierung der Fasern oder Kapillaren²⁶. PGPs enthalten oft eingebaute Mikroskope neben den Heizelementen, die eine Echtzeitüberwachung des Herstellungsprozesses ermöglichen. In der Regel wird das Licht eines abstimmbaren Diodenlasers über eine konische optische Faser, die mit dem Äquator des MBR in Kontakt steht, in den MBR eingekoppelt. Die Faser ist verjüngt (auf ~1 μm), um eine effiziente Einkopplung des Lichts in und aus dem MBR zu ermöglichen. Die resultierenden Transmissionsspektren aus dem MBR werden dann von einem Photodetektor durch die optische Faser erfasst und auf einem Oszilloskop visualisiert.

Die Messung mit WGM-MBRs beruht auf der Wechselwirkung des WGM-Feldes mit dem Zielanalyten. Die Stärke dieser Wechselwirkung ist direkt proportional zu dem Anteil des WGM-Feldes, der den Hohlraum des MBR durchdringt, durch den Flüssig- oder Gasphasenproben fließen können²⁷. Wie in Abbildung 3 gezeigt, veranschaulichen COMSOL-Simulationen, wie das Eindringen des WGM-Feldes in den inneren Hohlraum mit der Wandstärke des MBR variiert. Die maximale Felddurchdringung des WGM-Feldes tritt auf, wenn die Wandstärke auf weniger als 1 μm reduziert wird, wobei diese Simulationen mit Licht im 780-nm-Band durchgeführt werden. Allein das Erreichen einer so reduzierten Wandstärke durch das standardmäßige Heat-and-Blowlate-Herstellungsprotokoll ist eine Herausforderung. Um die Wände des MBR weiter zu verdünnen und das Gerät empfindlicher zu machen, integrieren wir zusätzliche Nassätzschritte mit Flusssäure (HF).

Mit Hilfe eines PGP werden wir uns auf die Herstellung von MBRs in Linie mit einer Siliziumdioxid-Kapillare konzentrieren. Eine detaillierte Beschreibung des Herstellungsprozesses und der Methoden zur Erhöhung der Empfindlichkeit gegenüber Brechungsindexänderungen durch Nassätzen wird ebenfalls vorgestellt.

1. Herstellung von Mikroblasen

1. Beginnen Sie mit einer polymerbeschichteten Quarzglaskapillare (250 μm Innendurchmesser und 360 μm Außendurchmesser), die ~75 cm lang ist. Die Länge der Kapillare kann je nach den Bedürfnissen des Benutzers variieren. Stellen Sie sicher, dass der unten beschriebene Druck bei längeren Kapillarlängen erreicht wird.
2. Brennen Sie ~2,5 cm der Polymerbeschichtung an einem Ende der Kapillare mit einem Butanbrenner ab und reinigen Sie das Ende mit einem sanften Tuch und Isopropylalkohol (IPA).
3. Platzieren Sie das saubere Ende der Kapillare in der PGP und klicken Sie auf die Schaltfläche Nur Spleißen in der Software, um 5 s lang bei 180 W zu erhitzen und das Ende der Kapillare abzudichten. Stellen Sie die Aufheizzeit und -dauer mit einem Rechtsklick auf die Schaltfläche Nur Spleißen ein.
4. Um eine ordnungsgemäße Abdichtung zu gewährleisten, untersuchen Sie das versiegelte Kapillarende, Abbildung 1B.
5. In einem Abstand von ~25 cm vom versiegelten Ende (oder 1/3 der Kapillarlänge vom versiegelten Ende) einen ~2,5 cm langen Streifen Polymerbeschichtung von der Kapillare abbrennen und den entstandenen Bereich mit IPA reinigen.
   HINWEIS: Die oben beschriebene Position ist nicht kritisch, da der Druck gleichmäßig über die Kapillarlänge verteilt wird. Wenn der Versuchsaufbau des Benutzers eine andere Platzierung des MBR rechtfertigt, sollte dies keinen Einfluss auf den weiteren Ablauf haben.
6. Wiederholen Sie diesen Schritt, bis kein Polymer mehr unter dem Bildgebungssystem sichtbar ist, das ein Kapillarbild mit einer Auflösung von unter einem Mikrometer anzeigt.
7. Platzieren Sie diesen neu gereinigten Abschnitt der Kapillare im Glasprozessorinstrument über dem Heizelement und unter dem zuvor beschriebenen Mikroskop.
8. Injizieren Sie mit einer gasdichten Spritze und einer Spritzenpumpe Luft in die Kapillare, so dass der Innendruck 10 bar erreicht (d. h. das Volumen in einer Spritze wird von 5 mL auf 0,5 mL verringert, wobei die entsprechenden Drücke nach dem Boyleschen Gesetz berechnet werden). Setzen Sie die Kapillare auf eine Spritze mit Luer-Lock auf einen 360-μm-Adapter ein. Alternativ können Sie über einen Druckregler und Druckluft/Inertgas Druck ausüben.
9. Erhitzen Sie die Kapillare mit dem PGP mit einer Filamentleistung von ~100-110 W für 1,5-2 s.
10. Führen Sie zusätzliche Heizschritte mit 90-100 W und 0,1-1 s Bränden des Glühfadens durch. Mit dieser Methode wird der Durchmesser des MBR langsam und kontrolliert auf den gewünschten Bereich erhöht. Dieser Prozess kann jedoch zu asymmetrischen MBRs führen. Wenn ein asymmetrischer MBR beobachtet wird (die Kugel ist nicht symmetrisch zur Kapillarachse), drehen Sie sie zwischen aufeinanderfolgenden Heizschritten um die Kapillarachse, um die Symmetrie zu fördern.
11. Untersuchen Sie den MBR zur Qualitätskontrolle unter einem Mikroskop und suchen Sie nach Dingen wie Staub, Rissen oder Verformungen. Verwenden Sie hier zusätzlich das Mikroskop, um die Wandstärke des MBR abzuschätzen.

2. Nassätzen mit Flusssäure

ACHTUNG: Flusssäure ist sehr gefährlich, giftig und ätzend. Calciumgluconat sollte in der Nähe aufbewahrt werden, da diese Chemikalie Flusssäure neutralisieren kann. Tragen Sie geeignete persönliche Schutzausrüstung und befolgen Sie alle Sicherheitsvorkehrungen im Sicherheitsdatenblatt (MSDS).

1. Entfernen Sie das versiegelte Ende der Kapillare, indem Sie 2 cm unter das versiegelte Ende schneiden.
2. Stecken Sie ein Kapillarende in eine stumpfe Spitze des Luer-Lock-Adapters. Achte darauf, dass der Innendurchmesser der stumpfen Spitze so nah wie möglich am Außendurchmesser der Kapillare liegt, während die Kapillare noch hineinpasst.
   HINWEIS: Das Adaptermaterial darf nicht mit HF-Säure reaktiv sein.
3. Tragen Sie UV-härtendes Epoxidharz auf das Ende der stumpfen Spitze auf, wobei sich die Kapillare im Inneren befindet, um die beiden zu verbinden, und härten Sie dann mit UV-Licht aus (50-100 W UV-Lichtquelle; eine höhere Wattzahl beschleunigt die Aushärtung).
   ACHTUNG: Beim Betrieb einer UV-Lichtquelle muss ein geeigneter Augenschutz getragen werden²⁸.
4. Sobald das Epoxidharz ausgehärtet ist, befestigen Sie die Luer-Lock-Spitze an einer 25-ml-Spritze, die gegen HF inert ist.
5. Legen Sie die Spritze in eine Spritzenpumpe mit einer Entnahmerate von 50 μl/min.
6. Wenn ein Ende der Kapillare mit der Spritze verbunden ist, legen Sie das andere Ende der Kapillare in deionisiertes (DI) Wasser.
7. Stellen Sie die Spritzenpumpe so ein, dass Wasser durch die Kapillare in die Spritze abgesaugt wird, um zu überprüfen, ob der richtige Durchfluss hergestellt wurde (d. h. das System ist frei von Luftblasen und die Flüssigkeit fließt gleichmäßig durch die Kapillare).
8. Übertragen Sie das Kapillarende aus dem DI-Wasser in einen Behälter mit HF-Säure, sobald der richtige Durchfluss hergestellt ist.
9. Berechnen Sie eine ungefähre Ätzzeit basierend auf der MBR-Wandstärke vor dem Ätzen unter Berücksichtigung einer gemessenen Ätzrate von 8,18 μm/h mit 12 % (w/v) Flusssäure. Die Wandstärke kann unter einem Bildgebungssystem gemessen werden, das MBRs mit einer Auflösung von unter einem Mikrometer anzeigt.
   HINWEIS: Die Ätzgeschwindigkeit für Säuren anderer Konzentrationen kann empirisch bestimmt werden. Dies kann durch Messung der Kapillarwandstärke vor und nach einer eingestellten Ätzzeit erfolgen.
10. Lassen Sie die Spritzenpumpe mit 50 μL/min für die berechnete Ätzzeit laufen.
11. Spülen Sie die Kapillare 10-15 Minuten lang mit DI-Wasser, um nach Ablauf der Ätzzeit die gesamte Säure aus der Kapillare zu entfernen. Berechnen Sie die Spülzeit, um das gesamte Kapillarvolumen 3-5 Mal zu spülen.
12. Messen Sie die MBR-Wandstärke nach dem Ätzen. Verwenden Sie diese Informationen, um die Ätzgeschwindigkeit für die Säure zu aktualisieren.
13. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis die gewünschte Wandstärke erreicht ist.

Ein repräsentativer MBR, der mit der PGP-Maschine hergestellt wurde, ist in Abbildung 1C dargestellt. Bei unserem anfänglichen Kapillaraußendurchmesser (OD) von 360 μm erweitern wir die Kapillare im Herstellungsprozess ~2x. Durch die Erweiterung der Kapillare auf ~700 μm ergeben sich Wandstärken zwischen 5 μm und 15 μm. Es wurde gezeigt, dass die optimale Wandstärke für die Biosensorik mit MBRs in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts lie...

Hier haben wir das Protokoll zur Herstellung hochwertiger WGM-Mikroblasenresonatoren (WGM) unter Verwendung eines Präzisionsglasprozessors beschrieben. Wir stellen kritische Schritte im Herstellungsprotokoll vor, einschließlich der Heiz- und Expansionsschritte. Hier kann eine Kombination aus Überhitzung, zu langer Erwärmung oder zu viel innerem Luftdruck zu einer erfolglosen Fertigung führen. Um diese Probleme zu beheben, können Anpassungen wie das Verringern der Heizleistung oder ...

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Dieses Projekt wurde teilweise von R41AI152745 unterstützt. AJQ wurde durch den T32 Cancer Biology Award (NIH CA009547) und K08EB033409 finanziert.