荧光核微腔的合成与操作用于折射率传感

摘要

荧光核心微腔传感器在石英微毛细管的通道内采用高折射率量子点涂层。泵入毛细管通道的流体折射率发生变化时，会引起微腔荧光光谱的偏移，该偏移可用于分析通道内的介质。

摘要

本文讨论了基于荧光核心微腔的传感器，该传感器可在微流控分析系统中运行。这些结构基于在传统微毛细管通道表面形成荧光量子点（QD）涂层。硅量子点（Si-QD）在该应用中尤为理想，部分原因是与II-VI族和II-VI族化合物量子点相比，其毒性可忽略不计，而后两者在许多国家属于受法规管制的物质。尽管整体发射光谱宽且无明显特征，但在毛细管通道壁上形成的Si-QD薄膜在荧光光谱中呈现出一系列尖锐、窄的峰，对应于光在薄膜内被限制时的电磁共振模式。这些共振峰的波长对外部介质敏感，从而使该器件可作为折射率传感器使用，且量子点无需与分析物发生直接物理接触。本文详细讨论了荧光核心微毛细管的制备实验方法以及相应的分析方法。最后，从微流控传感性能角度，将此类结构与研究更为广泛的液芯光学环形谐振器进行了比较。

引言

仅需少量样品体积且可集成到手持式或现场操作设备中的化学传感系统，有望推动一系列新技术的发展。这些技术可包括用于疾病和病原体¹、环境污染物²以及食品安全³的现场诊断。目前，多种技术正在积极应用于微流控化学传感器的研发，其中基于表面等离子体共振（SPR）物理原理的器件处于较为领先的地位⁴。此类传感器现已能够检测多种特定生物分子，并已实现商业化，尽管目前主要仍为较大规模的实验室设备⁵。

近年来，光学微腔已发展成为可与基于表面等离子体共振（SPR）的系统相媲美的技术。微腔具有极高的灵敏度，已证明能够检测单个病毒⁶，甚至可能检测单个生物分子⁷（后者仍存在一些争议⁸，但其质量检测限极低是无可争议的⁹）。在微腔中，检测机制依赖于分析物进入共振光场分布区域后引起的光学共振特性的变化。通常，特定分析物会导致共振的中心频率、可见度或线宽发生变化。与SPR系统类似，微腔既可用作非特异性的折射率传感器，也可作为针对特定分析物进行功能化的生物传感器。

具有圆形横截面的介质微结构（例如 微球、微盘或微柱）表现出一种被称为“回音壁模式”（whispering gallery modes，简称 WGMs）的电磁共振特性，该术语可追溯至瑞利勋爵对类似声学效应的研究¹⁰。本质上，当光波通过全内反射沿圆形横截面传播，并在相位匹配的条件下返回起始点时，便形成了光学回音壁模式。图1a 展示了一个二氧化硅微球的电磁共振实例。该共振在径向上具有一个极大值（n = 1），而在赤道方向恰好容纳了53个波长（l = 53），图中仅显示其中一部分。场强的倏逝场部分会延伸至微球边界外的介质中；因此，微球的回音壁模式能够感知外部介质环境。

毛细管是基于回音壁模式（WGM）传感器的一个特别有趣的例子。在毛细管中，圆柱形的回音壁模式可在其圆形横截面上形成，类似于球体的情况。如果毛细管壁非常薄，则部分电磁场会延伸进入毛细管通道内（图1b）。因此，毛细管可作为将分析物注入通道后的微流体传感器。这就是液体芯光学环形谐振器（LCORR）的工作原理基础。¹¹ LCORR依赖于从高精度可调谐激光光源通过渐逝场耦合来激发并探测回音壁模式。LCORR的一个重要特性是，毛细管壁必须非常薄（约1 μm），以确保光学模式能够感知通道内的介质。这对其制备工艺带来一定挑战，并导致其机械强度较弱。

在我们的研究中，我们开发了一种称为荧光核心微腔（FCM）的替代结构^12,13。为了制备FCM，我们在毛细管的通道壁上涂覆一层高折射率的荧光材料（具体为嵌入氧化物中的硅量子点层）。该薄膜的高折射率对于限制发射的辐射至关重要，从而能够形成回音壁模式（WGMs）（图1c）。与LCORR不同，在FCM中，这些模式在发射的荧光光谱中表现为尖锐的峰值。薄膜的厚度极为关键：若过厚，则WGM无法有效探测毛细管通道内的介质；若过薄，则光学限制能力丧失，导致WGM信号变弱。因此，FCM的制备是一个复杂的过程，需要精细的工艺控制。这正是本文的主要研究内容。

方案

1. 材料准备

1. 微毛细管 从商业供应商处获取石英毛细管。我们所使用的毛细管购自 Polymicro Technologies。选择内径较小的毛细管（约 25 - 30 μm谱峰间距较大的共振信号即 更大的自由光谱范围）或更大的内径（~100 μm对于间距更近且具有更高品质因数的共振峰，可采用较大的外径以确保微环谐振器具有良好的耐用性和易于操作性。
   1. 毛细管带有彩色聚酰亚胺护套，必须首先去除。使用金刚石光纤切割刀从卷材上截取约10厘米长的毛细管段，每段为一个独立样品。将这些样品置于管式炉中加热 650 °C 在氧气中加热一小时以烧除涂层。此过程可去除包衣材料，暴露出内部的石英毛细管。冷却至室温后，将毛细管从加热舟中取出。
2. 氢倍半硅氧烷溶液 氢倍半硅氧烷（HSQ）据报由H₁₂Si₈O₁₂ 具有笼状结构的分子¹⁴ 该材料可从道康宁公司（Dow Corning）商业采购。请购买其FOx系列（可流动氧化物）溶液中的一种HSQ，例如FOx-15。这些溶液价格较高且保质期有限，因此需谨慎规划使用。MIBK溶剂蒸发后，HSQ的质量浓度约为18%。若HSQ浓度过低，薄膜中可能无法形成量子点；若浓度过高，薄膜可能过厚并从毛细管通道表面剥离。根据我们的经验，对于内径为25-30 μm 内径，含有约25 wt.% HSQ的FOx溶液最为适宜。因此，可能需要蒸发或添加更多HSQ溶剂（确保其干燥）以调节浓度。是否需要稀释或浓缩，难以在不经过反复试验的情况下确定； 即 制作一些样本并检查结果，如下所述。

2. 涂层毛细管的制备

1. 填充毛细管 取步骤1.1中制备好的毛细管片段，将其浸入 FOx 溶液中。当毛细管浸入溶液时，应能肉眼观察到弯月面沿通道上升，溶液被吸入毛细管内（图2a）。
   1. 当弯月面到达顶端时，取出毛细管并放入玻璃退火坩埚中。此时毛细管应已完全充满 FOx 溶液。尽可能多地重复此操作，以提高实验成功率。我们通常每次处理20–30根毛细管，并使用两种不同质量浓度的 HSQ 溶液。毛细管在空气中填充，但建议尽可能在手套箱中将 FOx 溶液保持低温，以尽量减少溶液暴露于氧气和水蒸气。即使轻微暴露也可能导致溶液发生凝胶化。
2. 退火 采用两阶段程序对毛细管进行退火。退火过程可蒸发溶剂并使 HSQ 笼状结构坍塌，形成附着于通道壁上的 SiO_x 薄膜。在更高温度下退火可使 SiO_x 薄膜发生歧化反应，生成分散在二氧化硅基质中的硅量子点（QDs）。退火步骤包括：从室温以30分钟升至300 °C，保温3小时以蒸发溶剂，随后在45分钟内升温至1,100 °C，并保温1小时以析出量子点。
   1. 让毛细管缓慢冷却（约12小时）至室温。这有助于最小化因应力导致的薄膜开裂。可能还可采用其他退火方案，且某些方案可能更可靠，但形成量子点始终需要在1,000–1,100 °C进行高温退火阶段。此步骤结束后，理想情况下应获得20–30根毛细管，其通道壁上涂覆的二氧化硅基质中嵌有荧光量子点层。

3. 表征

1. 样品检查 用于安装毛细管的荧光显微镜必须能够在700–900 nm波长范围内同时进行成像和光谱分析。正置荧光或共聚焦光路系统均适用于此目的。将一排待选毛细管放置在载物台上，以便于在它们之间快速移动，进行快速视觉分析（图2b）。通过显微镜载物台上的自由空间或使用二向色镜通过物镜直接激发蓝光或紫外辐射，并通过目镜或彩色相机观察荧光图像。
   1. 观察毛细管的荧光。若制备成功，毛细管将呈现明亮的红色荧光。这是样品合格的第一个迹象。通常，呈现橙黄色荧光（而非与量子点相关的红色）的毛细管不具备所需的光学特性。此类样品通常更易在HSQ浓度较低的溶液中形成。部分毛细管可能完全不显示荧光；在这种情况下，量子点薄膜未形成，该毛细管应予以丢弃（作为玻璃锐器处理）。这表明溶液可能未被吸入毛细管，或HSQ含量不足。最后，某些样品可能显示裂纹或纹理状薄膜；这些也应予以丢弃。
   2. 除显示硅量子点特征的明亮红色荧光的样品外，其余在上一步中提到的所有样品均应丢弃。
2. 检查荧光光谱中是否存在回音壁模式（WGM） 确保图像在光谱仪入射狭缝上的位置符合预期，并采集荧光光谱。调整采集时间以获得可接受的信噪比。根据需要进行波长和强度校准。量子点光谱在700至900 nm波长范围内应具有较强信号。来自毛细管内壁区域的光谱应显示出由于圆柱形回音壁模式（WGM）存在而引起的强烈振荡；这是成功折射率传感器的倒数第二个必要条件。
   1. 某些样品可能具有明亮的红色量子点荧光，但光谱中缺乏WGM振荡。这表明量子点薄膜已开裂或从毛细管壁上剥离，从而破坏了光学谐振。应丢弃无WGM振荡的毛细管。至此，仅剩下（通常比例较小）满足传感器要求的样品。还需进行最后一项测试。
3. 折射率分析 将候选毛细管连接至聚乙烯、Tygon、聚四氟乙烯或其他与目标分析物溶液化学兼容的管路，其内径应略大于毛细管外径。所选管路材料应不与待泵入毛细管的溶液发生反应。
   1. 使用性能良好的粘合剂将玻璃毛细管固定于管路上；否则毛细管与管路接口处会发生泄漏。我们使用Norland NOA-76或Mascot瞬干胶均取得了较为理想的效果。胶水的选择应基于其对玻璃毛细管和管路材料的粘附性，以及对通道内流体无化学反应。需小心操作，防止粘合剂渗入毛细管通道并造成堵塞。
   2. 通过注射器将管路连接至微泵系统。可使用折射率已知的化合物（如甲醇、乙醇和水）来测定器件的折射率灵敏度。这是对成功传感器的最终测试。依次将每种液体泵入毛细管中，注意避免冲破毛细管与管路之间的粘合密封（图2c）。
   3. 在毛细管内分别充满每种液体时采集光谱。在光路中使用偏振分析器以区分TE偏振的WGM（分析器方向平行于毛细管轴线）和TM偏振的WGM（分析器方向垂直于毛细管轴线）。随着毛细管内不同溶液的更换，TE或TM模式的WGM谐振波长应发生位移。若未观察到明显位移，则量子点薄膜过厚，导致WGM未能充分感知通道介质。在成功的样品中，我们通常观察到每折射率单位（RIU）5至15 nm的灵敏度。几乎所有显示WGM的样品均表现出可测量的灵敏度；然而，通常仅有少数制备的毛细管能显示出WGM。

4. 数据分析

1. 获取荧光光谱 采集样品的荧光光谱。对于生物传感应用，需首先对通道表面进行特定分析物的功能化修饰。量子点薄膜表面本质上为二氧化硅，因此存在多种表面修饰方法。无论何种应用，最后一步均为数据处理与分析。
   1. 实现低检测限需要测量微小的光谱位移——理想情况下，“位移分辨率”应显著小于光谱仪的标称分辨率或像素间距。因此，在光谱数据处理过程中必须格外谨慎。特别是，在许多成像光谱仪中，光谱可能不会完全水平地投射到CCD上；因此，若在多次分析之间样品在狭缝上的图像发生垂直漂移，则可能产生虚假的光谱位移。应采取一切必要措施确保此类情况不会发生。 例如 使用校准标准确定投影光谱的角度并进行校正，尽量减少样品漂移，并确保所有光谱均使用相同的CCD像素获取。
      一个光谱图像示例如下所示 图3，其中模式在对应于通道壁的位置上表现为强烈的振荡。使用Mathematica计算机程序（或您所在团队偏好的其他软件）导入光谱图像，输出一维光谱数据，并对WGM位移进行曲线拟合和傅里叶分析，具体步骤如下。
2. 曲线拟合 确定用于测量 FCM 通道中分析物引起的小光谱偏移的回音壁模式（WGM）峰值波长。将单一模式拟合到描述光谱形状的函数——这是获取峰值位置的常用方法。在理想情况下，该函数为洛伦兹函数（需通过适当的单位转换从波长转换为频率单位） δλ = │-cδf/f²│ 其中 c 是光速）：
   
   在公式 1 中， A 是一个缩放参数，且 f₀ 为中心频率。然而，FCM 并非理想情况。
   1. 在圆柱形腔体中，回音壁模式向更高频率偏移，这可能是由于螺旋谐振（具有非零轴向波矢分量的回音壁模式）的形成所致。¹⁵ 因此，洛伦兹拟合在确定峰位时表现不佳。遗憾的是，目前尚无函数可用于拟合由螺旋回音壁模式产生的重叠洛伦兹分布。在以往的研究中 ¹⁶ 我们建议采用一种偏斜的洛伦兹函数 ¹⁷ 会得到更好的拟合效果：
      
      此处， a 和 B 参数存在偏差。如图所示， 图4，尽管公式2对数据的拟合效果优于公式1，但它在回音壁模式理论中缺乏物理依据。
3. 傅里叶位移分析 或者，数据可通过离散傅里叶变换进行处理，并从傅里叶谱中测量相应的相位偏移。该方法利用了整个光谱的周期性，而非依赖于某一个任意的回音壁模式（WGM）。该方法并不测量峰值波长位置，而是测量某一给定WGM光谱相对于任意参考光谱的整体偏移。
   1. 利用相位差 Δφ 对应于主WGM光谱振荡的高功率傅里叶分量，以获得光谱偏移。这对应于实际的WGM频率偏移：
      δf = Δφ(f_最大值 - f_分钟)/(2πk)
      其中 f_分钟 和 f_最大 谱中的最小和最大频率。然而，如果仅使用主成分，则可能会丢失大量信息；此外，截断问题可能使得难以确定哪个成分是主成分。通常，需要经过一定的尝试与调整，才能确定应选择哪些傅里叶成分。
   2. 平移定理则使用所有的傅里叶分量。因此，对于纯平移，每个独立分量的平移与之成正比 k （与 k （为组分编号）。换句话说， δφ_k mk，其中比例系数 m 是真实位移的度量。因此，总频率位移由下式给出：
      δf = m(f_最大 - f_分钟)/(2π) .
      这需要 m 通过相位差的线性拟合获得 ΔΦ_k 对于部分或全部傅里叶分量。
   3. 对于真实数据，线性关系 ΔΦ_k = mk 由于噪声和背景信号的存在，结果将具有不确定性，这会对低功率的傅里叶分量产生显著影响。因此，我们推荐采用加权线性拟合方法，其中每个分量的权重与其功率成正比，以获得斜率 ΔΦ_k 与 k 相比 谱图。在拟合前可对主成分附近的频谱进行滤波，以去除高频（噪声）和低频（未耦合的荧光背景）成分。然后将式4中的频率偏移转换为波长单位。
   4. 与曲线拟合不同，不会获得回音壁模式（WGM）的“波长”值，而是相对于任意参考光谱，测量整个光谱范围内的波长偏移量。然后对每一个待分析光谱重复该过程。该过程的具体步骤如下：
      1. 将光谱转换为频率单位，以确保自由光谱范围恒定。
      2. 选择参考数据集（即 第一个WGM荧光光谱，所有波长偏移均以此为基准进行测量。
      3. 对光谱进行插值以获得均匀的频率间隔。¹⁸
      4. 进行离散傅里叶变换，以获取每个频谱的功率和相位分量。
      5. 找出所有相位差 k 所需相对于参考光谱进行偏移值测量的特定回音壁模式光谱的组成部分。
      6. 使用主傅里叶分量的相位差，或对所选分量进行加权线性拟合，计算相位差，从而得到相位偏移 δf 或 δλ WGM 谱与参考谱之间
      7. 通过采集同一样品的重复光谱，可测量光谱位移的误差（检测限）。若使用多种组分，可通过加权线性拟合的误差获得灵敏度的不确定性。

每次分析均需重复步骤 1-7。尽管该流程听起来较为复杂，但在初次实施后，该流程易于自动化，从而可对大量数据集进行批处理以找出位移。我们使用专门为该流程编写的 Mathematica 代码，使得完整数据集能够通过“一键式”操作完成批处理。原则上，光谱位移甚至可以实时计算，尽管我们尚未实现这一点。

结果

毛细管制备过程中的微小偏差可能导致样品成功率发生显著变化。在图5(a-d)中，我们展示了若干失败的毛细管样品以及一个成功的代表性示例。通常，成功样品的直观特征是呈现红色荧光，毛细管壁处荧光强度较高，而内部区域无明显结构。荧光光谱也能清晰地区分成功与失败样品（图5e）。良好样品的光谱中应出现定义清晰的（可见度≈0.5）回音壁模式（WGM）振荡。

该装置可被编程以在分析物被泵入毛细管通道时连续采集光谱（图6a）。利用上述技术，可对所有回音壁模式光谱进行批量数据分析，当不同分析物注入毛细管时，光谱应发生偏移。此处，我们展示了连续时间序列的结果（即 a 传感图）当水、甲醇和最后的乙醇依次泵入通道时。本案例中仅选择了主要的傅里叶分量。图 6b），因为即使采用这种简单的分析方法，结果也被认为是令人满意的。误差棒表示前100次测量（通道中含有水）中峰位位置的一个标准差。

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讨论

荧光核心微腔可用作折射率传感器。尽管已有少数“卷起式”微管可作为微流控传感器的实例²²，但与微管相比，毛细管更易于集成到微流控系统中，并具有显著的实际优势，因为其操作简便，且易于与分析装置连接。利用传统的傅里叶分析方法，可检测到比光谱系统的分辨率间距小至少一个数量级的波长偏移。该方法还允许集成到传感器图谱型测量系统中。

这些荧光微腔传感器（FCM）主要将与液态芯光学环形谐振器（LCORR）相竞争。^23,24,25 LCORR 是通过加热并拉伸使玻璃毛细管变薄，或向通道中泵入氢氟酸溶解内壁，或通过加热并用加压气体膨胀等方式制备的玻璃毛细管。²⁶ 这些处理工艺可获得微米级薄壁的毛细管，以支持具有延伸至毛细管通道内的倏逝波尾部的回音壁模式（WGM）。LCORR 生物传感器已被用于检测多种不同的目标分析物。^27,28,29,30

与液芯光学环形谐振器（LCORR）相比，微流控芯片（FCM）具有若干明显的优势和局限性。两种器件均依赖分析物通过毛细管通...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
二氧化硅微毛细管
柔性微径管			聚乙烯、Tygon 等
粘合剂	Mascot，Norland NOA
HSQ 溶于 MIBK			例如., FOx-15
甲醇
乙醇
蒸馏水
<强>表1. 所用材料清单