制造高质量的 Whispering Gallery Mode 微气泡谐振器

在这里，我们展示了一种强大的标准化协议，用于使用精密玻璃加工机 （PGP） 制造高质量因子 （Q 因子） 耳语画廊模式 （WGM） 微气泡谐振器 （MBR）。

我们展示了一种使用精密玻璃加工机 （PGP） 制造高质量因数 （Q-factor） 耳语画廊模式 （WGM） 微气泡谐振器 （MBR） 的稳健且标准化的方法。微气泡谐振器是一类独特的 WGM 器件，具有集成流体通道，使其成为各种传感应用的理想选择。在此，我们展示了一种标准化协议，通过优化关键性能指标（如 Q 因子和壁厚）来制造高 Q 微气泡谐振器。我们还展示了通过氢氟酸 （HF） 湿法蚀刻提高平台对折射率变化和其他传感目标的灵敏度的方法。最后，讨论了微气泡对流体流动阻力的简要分析，表明较小直径的微气泡在分析物输送方面表现出更大的流动阻力——这是分析物输送应考虑的一个因素。这种改进的制造协议的实施不仅提高了设备生产的成功率，还缩短了制造时间。此外，该方案可以扩展到用于生产 MBR 的其他技术，例如基于 CO₂ 激光的方法。

Whispering Gallery Mode （WGM） 微谐振器是一类光学传感器，不仅在检测单个分子和纳米粒子 1,2,3,4,5,6 方面显示出巨大的潜力，而且在检测各种物理现象方面也显示出巨大的潜力，例如磁场 7 和电场 ⁸、温度 9 和超声波^10，11.在光共振条件下，光被困在设备内，导致显着的功率放大^12,13。谐振器的任何局部变化（例如生物分子的结合或周围介质折射率的变化）都会引起局部光学环境的变化，从而改变谐振频率或波长。通过监测共振波长或频率的变化，可以实时检测和表征分析物。

WGM 微型谐振器可以设计成各种几何形状。常见的几何形状包括但不限于微环形体¹⁴、微环¹⁵ 和微气泡¹⁶ 谐振器 （MBR）。在这里，我们重点介绍 MBR，因为它们在光流体传感应用中具有巨大潜力。MBR 的一个关键优势是它们的流体集成 17,18,19,20，这是通过从微毛细管制造设备来实现的。在这种设计中，在线毛细管有助于将溶液中的小体积（即微升）分析物轻松输送到感应区域，而无需外部流路，如图 1 所示。凭借其独特的流体处理能力，MBR 非常适合其他 WGM 平台无法轻松实现的各种传感应用。例如，MBR 充满了磁性流体，从而对外部磁场具有敏感性²¹。此外，MBR 还用于通过光扭矩控制金纳米棒在溶液中的特定取向²²。

MBR 的制造可以总结如下：在毛细管内部施加空气静压，同时局部加热毛细管的一小部分。局部加热和内部压力的结合将加热部分膨胀成能够支持高 Q WGM 的球形几何形状，如图 2 所示。可以采用多种方法来实现毛细管的局部加热，例如使用 CO₂ 激光器²³、光纤熔接器²⁴、氢火焰源²⁵ 和精密玻璃加工机 （PGP）。这里介绍的方法可以扩展到其他加热源，包括 CO₂ 激光器。PGP 类似于光纤熔接器，但增强了对加热时间、功率设置以及光纤或毛细管定位的控制²⁶。PGP 通常包括靠近加热元件的内置显微镜，可以实时监控制造过程。通常，来自可调谐二极管激光器的光通过与 MBR 赤道接触的锥形光纤耦合到 MBR 中。光纤呈锥形（至 ~1 μm），以实现光进出 MBR 的高效耦合。然后，光电探测器通过光纤捕获 MBR 产生的透射光谱，并在示波器上可视化。

使用 WGM MBR 进行传感依赖于 WGM 场与目标分析物的相互作用。这种相互作用的强度与穿透 MBR 空腔的 WGM 场的分数成正比，液相或气相样品可以流经该空腔²⁷。如图 3 所示，COMSOL 仿真说明了 WGM 场对内腔的穿透性如何随 MBR 的壁厚而变化。当壁厚减小到小于 1 μm 时，WGM 场的最大场穿透力出现，这些模拟使用 780 nm 波段的光进行。仅通过标准的加热和膨胀制造方案来实现如此小的壁厚是具有挑战性的。为了进一步减薄 MBR 的壁并提高器件的灵敏度，我们使用氢氟酸 （HF） 加入了额外的湿法蚀刻步骤。

使用 PGP，我们将专注于制造符合二氧化硅毛细管的 MBR。还将详细描述通过湿法蚀刻提高对折射率变化的灵敏度的制造工艺和方法。

1. 微气泡制造

1. 从长度为 ~75 cm 的聚合物涂层硅胶玻璃毛细管（内径 250 μm 和 360 μm 外径）开始。毛细管的长度可能因用户需求而异;确保在较长的毛细管长度下达到下述压力。
2. 用丁烷炬烧掉毛细管一端 ~2.5 cm 的聚合物涂层，然后用精细的任务擦布和异丙醇 （IPA） 清洁末端。
3. 将毛细管干净的一端放入 PGP 中，然后单击软件上的 仅接头 按钮，以 180 W 的功率加热 5 秒以密封毛细管的末端。通过右键单击 仅拼接 按钮来设置加热时间和持续时间。
4. 为确保正确密封，请检查密封的毛细管末端， 图 1B。
5. 在距密封端 ~25 cm（或距密封端毛细管长度的 1/3）处，从毛细管上烧掉一条 ~2.5 cm 长的聚合物涂层，并用 IPA 清洁所得区域。
   注意：上述位置并不重要，因为压力沿毛细管长度均匀分布。如果用户的实验设置需要 MBR 的不同放置，这应该不会影响程序的其余部分。
6. 重复此步骤，直到成像系统下看不到聚合物，成像系统显示具有亚微米分辨率的毛细管图像。
7. 将玻璃处理器仪器中毛细管中新清洁的部分放在加热元件上方和前面描述的显微镜下。
8. 使用气密注射器和注射泵，将空气注入毛细管，使内部压力达到 10 bar（即，将注射器中的体积从 5 mL 减少到 0.5 mL，相应的压力用波义耳定律计算）。将毛细管安装到带有 360 μm 适配器的鲁尔锁的注射器上。或者，通过压力调节器和压缩空气/惰性气体施加压力。
9. 使用 ~100-110 W 的灯丝功率用 PGP 加热毛细管 1.5-2 秒。
10. 以 90-100 W 和 0.1-1 s 的灯丝燃烧进行额外的加热步骤。这种方法将缓慢而可控地将 MBR 的直径增加到所需的范围。但是，此过程可能会导致 MBR 不对称。如果观察到不对称的 MBR（球体绕毛细轴不对称），请在连续的加热步骤之间绕毛细管轴旋转它以促进对称。
11. 在显微镜下检查 MBR 以进行质量控制，寻找灰尘、裂缝或变形等事物。此外，在此处使用显微镜估计 MBR 的壁厚。

2. 氢氟酸湿法蚀刻

注意：氢氟酸非常危险、有毒且具有腐蚀性。葡萄糖酸钙应放在附近，因为这种化学物质可以中和氢氟酸。穿戴适当的个人防护装备，并遵循材料安全数据表 （MSDS） 中的所有安全预防措施。

1. 通过在密封端下方 2 cm 处切割来去除毛细管的密封端。
2. 将一个毛细管端放入鲁尔锁适配器的钝头内。确保钝头的内径尽可能靠近毛细管的外径，同时确保毛细管仍然可以放入内部。
   注意： 适配器材料不得与 HF 酸反应。
3. 将 UV 固化环氧树脂涂在钝头的末端，毛细管在内，将两者连接起来，然后用紫外线固化（50-100 W UV 光源;更高的瓦数会加快固化速度）。
   注意：作紫外线光源²⁸ 时必须佩戴适当的护目镜。
4. 环氧树脂固化后，将鲁尔锁尖端连接到对 HF 呈惰性的 25 mL 注射器上。
5. 将注射器放入注射泵中，抽取速率为 50 μL/min。
6. 将毛细管的一端连接到注射器，将毛细管的另一端放入去离子 （DI） 水中。
7. 设置注射泵，将水通过毛细管抽入注射器中，以检查是否已建立适当的流量（即，系统没有气泡，液体始终流经毛细管）。
8. 一旦建立适当的流量，将毛细管末端从 DI 水转移到 HF 酸容器中。
9. 考虑到使用 12% （w/v） 氢氟酸测量的蚀刻速率为 8.18 μm/h，根据蚀刻前的 MBR 壁厚计算近似蚀刻时间。壁厚可以在成像系统下测量，该系统以亚微米分辨率显示 MBR。
   注意：其他浓度的酸的蚀刻速率可以通过经验确定。这可以通过在设定的蚀刻时间之前和之后测量毛细管壁厚度来完成。
10. 以 50 μL/min 的速度运行注射泵，计算出的蚀刻时间。
11. 蚀刻时间过后，用去离子水冲洗毛细管 10-15 分钟以去除毛细管中的所有酸。计算冲洗整个毛细管体积 3-5 次的冲洗时间。
12. 蚀刻后测量 MBR 壁厚。使用此信息更新酸的蚀刻速率。
13. 重复此过程，可以重复，直到达到所需的壁厚。

使用 PGP 机器制造的代表性 MBR 如图 1C 所示。鉴于我们的起始毛细管外径 （OD） 为 360 μm，我们在制造过程中将毛细管扩大了 ~2 倍。将毛细管扩展到 ~700 μm 会导致壁厚在 5 μm 到 15 μm 之间。已经表明，使用 MBR 进行生物传感的最佳壁厚与用于激发 WGM²⁷ 的光波长有关。MBR 理论上可以达到 1 x 10⁹ 的品质因数，但 1 x 10⁶ 足以满足大多数生物传感应用29,30,31。

为了验证 图 3 中的模拟结果，我们评估了具有不同壁厚的 MBR 对不同浓度氯化钠溶液的响应。 图 4 证实了模拟结果，显示当 MBR 壁厚约为 1 μm 时，折射率灵敏度显著增加。正如预期的那样，三种“厚壁”MBR（即壁厚为 9.4 μm、7.4 μm 和 5.0 μm）显示出随着壁厚的增加而对折射率变化的响应减弱。 图 5 显示了 MBR 的典型传输频谱。在较宽的扫描范围内，光谱表现出高模态密度。在 40 pm 的狭窄扫描范围内，激光扫描多个共振。通过跟踪谐振偏移，可以选择一种高 Q 模式在此精细扫描范围内进行传感。MBR 制造的质量控制指标可用于定性评估物理和光学特性，以优化生物传感性能。两个重要的指标包括谐振器的品质因数 （≥1 x 10⁶） 和小壁厚 （<1 μm），以实现 WGM 和目标分析物之间最大相互作用。

如前所述，集成的光学和流体处理是 MBR 的固有优势，使其对传感应用具有吸引力。鉴于此，我们试图探索毛细管的流体特性。通过对 20 cm、40 cm 或 80 cm 不同长度的毛细管进行实验，并针对每个毛细管长度测试不同的流速，100 μL/min、250 μL/min 和 500 μL/min，我们发现 MBR 的内径 （ID） 显着影响液体输送效率（表 1）。具体来说，当 MBR ID 从 75 μm 增加到 250 μm 时，液体通过这些微毛细管的传输效率显著提高，允许 95-100% 的设定体积的液体被拉过微毛细管。这种增强功能突出了大直径 MBR 在优化流体处理方面的潜力，使其特别适用于流体动力学至关重要的各种传感应用。

图 1：实验设置概述。 （A） 波导耦合 WGM MBR 传感器系统示意图。WGM 由可调谐二极管激光器激发，并由光电探测器通过锥形光纤波导进行监控。然后，分析物通过在线流路输送，在那里它与 WGM 场相互作用。（B） 由 PGP 密封的 360 μm 毛细管的显微照片。（C） 制造后 MBR 的显微照片。箭头表示两张显微照片合并的位置。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 2：MBR 的制造工艺示意图，包括可选的 HF 蚀刻步骤。 （1） 从石英玻璃毛细管（外径 360 μm）开始。（2） 用小火焰去除聚合物涂层，并用异丙醇 （IPA） 清洁表面。（3） 为了建立内部压力，必须密封毛细管的一端。此步骤使用 PGP 完成。（4） 用空气增加内部压力并点燃 PGP 细丝以局部加热毛细管并将 MBR 充气成球形几何形状。（5） 可选。用 HF 酸蚀刻毛细管内部，以减薄壁并提高生物传感的灵敏度。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 3：WGM 场穿透模拟。 （A） 当壁厚在亚微米范围内时，WGM 渗透到 MBR 中的模拟。（B - D）不同壁厚的 MBR 内的电场强度，显示对于 <1 μm 厚的壁，倏逝场对谐振器核心的穿透力更大。请单击此处查看此图的较大版本。

图 4：MBR 对不同 RI 的响应。 不同壁厚的 MBR 对不同浓度的 NaCl 溶液的响应，当壁进入 1 μm 区域时显示出显着改善，因为 WGM 更深入地渗透到流经连接到毛细管结构中流体通道的谐振器内部的液体中。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 5：MBR 的典型 WGM 频谱。 （A） 一个自由光谱范围内的大扫描范围。（B） 几个 WGM 的精细扫描。（C） B） 中 WGM 的放大视图及其曲线拟合，显示洛伦兹线形。 请单击此处查看此图的较大版本。

表 1：通过两个不同大小的二氧化硅毛细管的去离子水百分比。

在这里，我们描述了使用精密玻璃处理器制造高质量耳语通道模式 （WGM） 微气泡谐振器 （MBR） 的协议。我们介绍了制造方案中的关键步骤，包括加热和膨胀步骤。在这里，过热、加热时间过长或注入过多的内部气压的组合都可能导致制造失败。为了解决这些问题，在 PGP 机器的软件用户界面中降低加热功率或加热持续时间等调整可能会有所帮助。但是，这并不是用于制造 MBR 的唯一方法。文献中存在其他几种协议，但大多数方法都具有相同的基本步骤 - 加热和膨胀。其他制造方法利用各种加热源，例如熔接机或 CO₂ 激光系统的电弧放电，而精密玻璃加工商则使用石墨加热元件。电弧放电方法³² 与 PGP 相似，因为两种方法都具有内置显微镜来监控加热过程。电弧放电方法的一个主要缺点是这些设备几乎无法控制微毛细管的位置，这使得精确调整毛细管位置具有挑战性。

使用 CO₂ 激光器³³ 作为加热元件具有一些优势。在这种配置中，两束相同功率的反向传播 CO₂ 激光束从相反的方向会聚在微毛细管上，以均匀加热微毛细管。这种均匀的加热以及内部压力允许产生对称的 MBR，而无需在制造过程中旋转微毛细管。但是，作自由空间高功率激光器有其自身的安全问题，应进行适当的培训和针对 CO₂ 激光器使用的严格预防措施。

我们还提出了用 HF 酸减少 MBR 壁厚的方法，以提高设备对折射率变化的敏感性。使用 HF 酸是逐渐蚀刻和减薄 MBR 二氧化硅壁的常用方法，但这种湿法蚀刻方法会增加表面粗糙度，从而降低品质因数。其他人通过在拉动微毛细管的同时加热微毛细管来实现薄壁 MBR，从而在制造 MBR 之前使毛细管³³ 逐渐变细。虽然这种方法不需要使用酸，但在使毛细管逐渐变细时内径会减小 - 从而导致流体处理问题。

使用 MBR 进行生物传感需要准确输送各种溶液，例如硅烷、特异性抗体、蛋白质和其他感兴趣的靶标;因此，可靠的流体处理非常重要。使用 MBR 的主要优点之一是毛细管提供的集成流体通道，它可以高效、有针对性地输送液相或气相中的分析物。这代表了对其他需要额外外部微流控通道进行靶向分析物输送的 WGM 微谐振器的改进 ^5,34,35。使用集成毛细管进行液体输送的一个挑战是微毛细管中的流体阻力。方程 1 表明，流体流动的阻力 R 与半径的四次方 r 成反比。

(1)

其中 η 是流体粘度，L 是流体通道的长度。我们比较了两种不同毛细管尺寸的流体阻力，即 75 μm 内径 （ID） 和 250 μm ID。75 μm 内径的毛细管尺寸在相对较低的流速 （100 μL/min） 下只能拉出目标体积的 ~10% 的去离子水。250 μm 内径的毛细管在相同的流速 （100 μL/min） 下拉动 90-100% 的目标体积的去离子水。

(2)

公式 2 显示粘性阻力 F_viscous 与流体速度 v_m 成正比。其中， η 表示流体粘度， L 是圆柱形通道的长度。该方程表明，粘性阻力随流体流动而增加。这种趋势也在实验中观察到。这证实了我们的假设，即增加毛细管直径会降低毛细管中的流体阻力并改善装置的整体流体处理。

总之，我们已经展示了一种可靠的方案，用于使用 PGP 制造具有集成流体通道的可重复 WGM MBR，包括质量控制指标。该实验方案简单、可重复且具有成本效益。它可以进一步扩展到其他加热方法，例如光纤熔接机和 CO₂ 激光器。其他改进可能包括使用带有惰性气体（如 N₂ ）的高压系统，以在制造过程中控制毛细管的内部压力。此外，我们引入了通过 HF 蚀刻提高 MBR 对生物分子结合和体折射率变化的敏感性的方案。最后，根据流体对流动的阻力研究了毛细管尺寸。我们的研究结果表明，通过增加毛细管的内径，可以建立可靠的流动，以促进传感目标的准确传递。

作者没有什么可披露的。

该项目部分得到了 R41AI152745 的支持。AJQ 由 T32 癌症生物学奖 （NIH CA009547） 和 K08EB033409 资助。