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 liegt, das zur Anregung des WGM²⁷ verwendet wird. MBRs können theoretisch einen Qualitätsfaktor von 1 x 10⁹ erreichen, aber 1 x 10⁶ ist für die meisten Biosensorik-Anwendungen ausreichend 29,30,31.

Um die simulierten Ergebnisse in Abbildung 3 zu validieren, haben wir die Reaktion von MBRs mit unterschiedlichen Wandstärken auf verschiedene Konzentrationen von Natriumchloridlösungen bewertet. Abbildung 4 bestätigt die simulierten Ergebnisse und zeigt eine signifikante Erhöhung der Brechungsindex-Empfindlichkeit, wenn die MBR-Wandstärke etwa 1 μm betrug. Die drei "dickwandigen" MBRs (d.h. Wandstärken von 9,4 μm, 7,4 μm und 5,0 μm) zeigten erwartungsgemäß eine abnehmende Reaktion auf die Änderungen des Brechungsindex, wenn die Wandstärke zunahm. Abbildung 5 zeigt das typische Sendespektrum eines MBR. Über einen breiten Scanbereich weist das Spektrum eine hohe Modaldichte auf. In einem engen Scanbereich von 40 pm scannt der Laser über mehrere Resonanzen. Durch die Verfolgung der Resonanzverschiebung kann ein High-Q-Modus für die Erfassung innerhalb dieses feinen Abtastbereichs ausgewählt werden. Qualitätskontrollmetriken für die MBR-Herstellung können verwendet werden, um sowohl physikalische als auch optische Eigenschaften qualitativ zu bewerten und so die Leistung der Biosensorik zu optimieren. Zwei wichtige Metriken sind der Qualitätsfaktor des Resonators (≥1 x 10⁶) und eine geringe Wandstärke für eine maximale Wechselwirkung zwischen dem WGM und dem Zielanalyten (<1 μm).

Wie bereits erwähnt, ist das integrierte optische und fluidische Handling eine inhärente Stärke von MBRs, die sie für Sensoranwendungen attraktiv macht. Vor diesem Hintergrund haben wir versucht, die fluidischen Eigenschaften der Kapillaren zu erforschen. Durch das Experimentieren mit Kapillaren unterschiedlicher Länge von 20 cm, 40 cm oder 80 cm und das Testen verschiedener Flussraten von 100 μL/min, 250 μL/min und 500 μL/min für jede Kapillarlänge fanden wir heraus, dass der Innendurchmesser (ID) der MBRs die Effizienz des Flüssigkeitstransports signifikant beeinflusst (Tabelle 1). Insbesondere wenn der MBR-ID von 75 μm auf 250 μm ansteigt, verbessert sich die Effizienz des Flüssigkeitstransports durch diese Mikrokapillaren erheblich, so dass 95-100 % des eingestellten Flüssigkeitsvolumens durch die Mikrokapillaren gezogen werden können. Diese verbesserte Leistungsfähigkeit unterstreicht das Potenzial von MBRs mit größerem Durchmesser bei der Optimierung des Fluidhandlings und eignet sich daher besonders für verschiedene Sensoranwendungen, bei denen die Strömungsdynamik von entscheidender Bedeutung ist.

Abbildung 1: Überblick über den Versuchsaufbau. (A) Schematische Darstellung eines wellenleitergekoppelten WGM MBR-Sensorsystems. Das WGM wird durch einen durchstimmbaren Diodenlaser angeregt und mit einem Photodetektor durch einen konischen Lichtwellenleiter überwacht. Der Analyt wird dann durch den fluidischen Inline-Kanal abgegeben, wo er mit dem WGM-Feld interagiert. (B) Mikroskopische Aufnahme einer 360 μm Kapillare, die mit einem PGP verschlossen ist. (C) Mikroskopische Aufnahme eines MBR nach der Herstellung. Pfeile zeigen an, wo zwei Mikroaufnahmen zusammengeführt wurden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses für MBRs, einschließlich des optionalen HF-Ätzschritts. (1) Beginnen Sie mit einer Quarzglaskapillare (360 μm Außendurchmesser). (2) Entfernen Sie die Polymerbeschichtung mit einer kleinen Flamme und reinigen Sie die Oberfläche mit Isopropylalkohol (IPA). (3) Um einen Innendruck aufzubauen, muss ein Ende der Kapillare abgedichtet werden. Dieser Schritt wird mit dem PGP durchgeführt. (4) Erhöhen Sie den Innendruck mit Luft und feuern Sie das PGP-Filament ab, um die Kapillare lokal zu erwärmen und einen MBR zu einer kugelförmigen Geometrie aufzublasen. (5) Fakultativ. Ätzen Sie das Innere der Kapillare mit HF-Säure, um die Wände zu verdünnen und die Empfindlichkeit in der Biosensorik zu erhöhen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Simulationen der Felddurchdringung von WGMs. (A) Simulation der WGM-Penetration in einen MBR, wenn die Wandstärke im Submikrometerbereich liegt. (B-D) Die Intensität des elektrischen Feldes innerhalb des MBR für verschiedene Wandstärken, die bei Wänden mit einer Dicke von <1 μm eine größere Durchdringung des evaneszenten Feldes in den Kern des Resonators zeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Reaktion des MBRs auf unterschiedliche RI. Reaktion von MBRs unterschiedlicher Wandstärken auf unterschiedliche Konzentrationen von NaCl-Lösungen, die eine bemerkenswerte Verbesserung zeigen, wenn die Wand in den 1-μm-Bereich eintritt, da die WGM stärker in die Flüssigkeit eindringt, die durch das Innere des Resonators fließt, der mit einem fluidischen Kanal in der Kapillarstruktur verbunden ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 5: Ein typisches WGM-Spektrum für einen MBR. (A) Großer Scanbereich über einen freien Spektralbereich. (B) Feinabtastung über einige WGMs. (C) Vergrößern einer WGM in B) und dessen Kurvenanpassung mit einer Lorentzschen Linienform. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Tabelle 1: Prozentualer Anteil des DI-Wassers, das durch zwei unterschiedlich große Kieselsäurekapillaren gezogen wird.

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 der Heizdauer in der Software-Benutzeroberfläche des PGP-Geräts hilfreich sein. Dies ist jedoch nicht die einzige Methode, die zur Herstellung von MBRs verwendet wird. In der Literatur gibt es mehrere andere Protokolle, aber die meisten Methoden haben die gleichen grundlegenden Schritte - Erhitzen und Expandieren. Bei anderen Herstellungsverfahren werden verschiedene Heizquellen verwendet, wie z. B. die Lichtbogenentladung von einem Schmelzspleißgerät oder einem CO₂ -Lasersystem, während der Präzisionsglasprozessor ein Graphitheizelement verwendet. Das Lichtbogenentladungsverfahren³² ähnelt dem PGP insofern, als beide Ansätze eingebaute Mikroskope zur Überwachung des Erhitzungsprozesses aufweisen. Ein großer Nachteil der Lichtbogenentladungsmethode besteht darin, dass diese Geräte wenig Kontrolle über die Position der Mikrokapillare bieten, was eine präzise Anpassung der Kapillarposition schwierig macht.

Die Verwendung eines CO₂ -Lasers³³ als Heizelement bietet einige Vorteile. In dieser Konfiguration treffen zwei gegenläufig propagierende CO₂ -Laserstrahlen gleicher Leistung aus entgegengesetzten Richtungen auf die Mikrokapillare, um die Mikrokapillare gleichmäßig zu erwärmen. Diese gleichmäßige Erwärmung und der Innendruck ermöglichen die Erzeugung eines symmetrischen MBR, ohne dass die Mikrokapillare während der Herstellung gedreht werden muss. Der Betrieb eines Freiraum-Hochleistungslasers hat jedoch seine eigenen Sicherheitsbedenken und sollte mit der richtigen Schulung und strengen Vorsichtsmaßnahmen durchgeführt werden, die speziell für die Verwendung des CO₂ -Lasers gelten.

Wir stellen auch Methoden vor, um die Wandstärke der MBRs mit HF-Säure zu verringern, um die Empfindlichkeit der Bauelemente gegenüber Brechungsindexänderungen zu verbessern. Die Verwendung von HF-Säure ist eine gängige Methode, um die Kieselsäurewände des MBR allmählich zu ätzen und zu verdünnen, aber diese Nassätzmethode kann die Oberflächenrauheit erhöhen und in der Folge den Qualitätsfaktor verringern. Andere haben einen dünnwandigen MBR erreicht, indem sie die Mikrokapillare beim Ziehen erhitzt haben, wodurch sich die Kapillare³³ verjüngt hat, bevor der MBR hergestellt wurde. Obwohl bei dieser Methode keine Säuren verwendet werden müssen, wird der Innendurchmesser beim Verjüngen der Kapillare reduziert, was zu Problemen bei der fluidischen Handhabung führt.

Die Biosensorik mit MBRs erfordert die genaue Verabreichung verschiedener Lösungen, wie z. B. Silane, spezifische Antikörper, Proteine und andere Zielmoleküle. Daher ist eine zuverlässige fluidische Handhabung sehr wichtig. Einer der Hauptvorteile der Verwendung eines MBR ist der integrierte fluidische Kanal der Kapillare, der eine effiziente und gezielte Abgabe eines Analyten in der flüssigen oder gasförmigen Phase ermöglicht. Dies stellt eine Verbesserung gegenüber anderen WGM-Mikroresonatoren dar, die zusätzliche externe mikrofluidische Kanäle für die gezielte Analytabgabe benötigen ^5,34,35. Eine Herausforderung bei der Verwendung der integrierten Kapillare für die Flüssigkeitsförderung ist der fluidische Widerstand in der Mikrokapillare. Gleichung 1 zeigt, dass der Widerstand R gegen die Fluidströmung umgekehrt proportional zur vierten Potenz des Radius r ist.

(1)

Dabei ist η die Viskosität des Fluids und L die Länge des Fluidkanals. Wir haben den Strömungswiderstand für zwei verschiedene Kapillargrößen, 75 μm Innendurchmesser (ID) und 250 μm ID, verglichen. Die Kapillargröße von 75 μm ID konnte bei einer relativ niedrigen Durchflussrate (100 μL/min) nur ~10 % des Zielvolumens von DI-Wasser ziehen. Die Kapillare mit einem Innendurchmesser von 250 μm zog 90-100 % des Zielvolumens an DI-Wasser bei gleicher Durchflussrate (100 μl/min) an.

(2)

Gleichung 2 zeigt, dass die viskose Widerstandskraft F_viskos direkt proportional zur Geschwindigkeit des Fluids, v_m, ist. Dabei steht η für die Viskosität des Fluids und L für die Länge des zylindrischen Kanals. Diese Gleichung zeigt, dass die viskose Widerstandskraft mit der Strömung des Fluids zunimmt. Dieser Trend ist auch experimentell zu beobachten. Dies bestätigt unsere Hypothese, dass eine Vergrößerung des Kapillardurchmessers den fluidischen Widerstand in der Kapillare verringert und die gesamte fluidische Handhabung des Geräts verbessert.

Zusammenfassend haben wir ein zuverlässiges Protokoll für die Herstellung reproduzierbarer WGM-MBRs mit integrierten fluidischen Kanälen unter Verwendung des PGP gezeigt, einschließlich Qualitätskontrollmetriken. Dieses Protokoll ist einfach, wiederholbar und kostengünstig. Es kann auf andere Heizmethoden wie optische Faserspleißer und CO₂ -Laser erweitert werden. Zu den weiteren Verbesserungen könnte die Verwendung von Hochdrucksystemen mit Inertgasen wie N₂ gehören, um den Innendruck der Kapillare während des Herstellungsprozesses zu steuern. Darüber hinaus haben wir Protokolle eingeführt, um die Empfindlichkeit der MBRs gegenüber der Bindung von Biomolekülen und Änderungen des Brechungsindex durch HF-Ätzen zu erhöhen. Schließlich wurde die Kapillargröße in Bezug auf den Strömungswiderstand untersucht. Unsere Ergebnisse zeigten, dass durch die Vergrößerung des Innendurchmessers der Kapillare eine zuverlässige Strömung hergestellt werden kann, um die genaue Abgabe von Messzielen zu erleichtern.

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.