Síntesis y funcionamiento de los núcleos fluorescentes microcavidades de Percepción refractométrico

Resumen

Fluorescente-core sensores microcavidad emplean un alto índice de puntos cuánticos de revestimiento en el canal de sílice microcapilares. Los cambios en el índice de refracción del fluido bombeado en la causa canal capilar se desplaza en el espectro de fluorescencia microcavidad que se puede utilizar para analizar el medio de canal.

Resumen

Este documento discute fluorescentes basados ​​en el núcleo microcavidad-sensores que pueden operar en una configuración de análisis de microfluidos. Estas estructuras están basadas en la formación de un fluorescente de puntos cuánticos (QD) de revestimiento sobre la superficie de un canal convencional microcapilar. Puntos cuánticos de silicio son especialmente atractivos para esta aplicación, debido en parte a su toxicidad insignificante comparado con el II-VI y II-VI puntos cuánticos compuestos, que son legislativamente sustancias controladas en muchos países. Mientras que el espectro de emisión del conjunto es ancha y, una película de Si-QD en la pared del canal de una serie de características capilares de un conjunto de picos agudos, estrechos en el espectro de fluorescencia, correspondiente a las resonancias electromagnéticas para luz atrapada dentro de la película. La longitud de onda máxima de estas resonancias es sensible al medio externo, lo que permite que el dispositivo funcione como un sensor de refracción en el que los puntos cuánticos nunca entran en contacto físico con el analito. La experimentalmétodos asociados con la fabricación de los microcapilares fluorescente de núcleo se discuten en detalle, así como los métodos de análisis. Finalmente, se hace una comparación entre estas estructuras y los más ampliamente investigado líquido de núcleo resonadores anillo óptico, en términos de capacidades de detección de microfluidos.

Introducción

Químicos sistemas de detección que requieren volúmenes de muestra pequeños y que sólo se pueden incorporar en dispositivos de mano o campo operable-podría conducir al desarrollo de una amplia gama de nuevas tecnologías. Estas tecnologías podrían incluir diagnósticos sobre el terreno de las enfermedades y agentes patógenos, contaminantes ambientales ^{1, 2} y de seguridad alimentaria. ³ Varias tecnologías están siendo exploradas por sensores químicos de microfluidos, con dispositivos basados ​​en la física de las resonancias de plasmones superficiales (SPR), entre los más avanzados. ⁴ Estos sensores son ahora capaces de detectar muchas biomoléculas específicas y han logrado el éxito comercial, aunque principalmente como equipo de laboratorio a gran escala. ⁵

En los últimos años, han aumentado microcavidades ópticas para competir con los sistemas basados ​​en SPR. Microcavidades puede ser increíblemente sensible, con capacidad demostrada para detectar virus individuales ⁶ y tal vez incluso biomoléculas individuales 7 (este último sigue siendo objeto de debate, ⁸ sin embargo no hay duda de que los límites de detección de masas son pequeños ^9). En microcavidades, el mecanismo de detección se basa en los cambios en las resonancias ópticos causados ​​por la presencia de un analito en el perfil de campo eléctrico de la resonancia. Típicamente, un analito dado causará la resonancia a cambios en la frecuencia central, la visibilidad, o ancho de línea. Como con los sistemas de SPR, microcavidades puede actuar como no específicos sensores refractometría, o funcionalizados como biosensores para un análisis específico.

Microestructuras dieléctrico con una sección transversal circular (por ejemplo, microesferas, discos o cilindros) se caracterizan por fenómenos de resonancia electromagnéticos conocidos como los modos de galería susurrante, o WGMS, un término que se remonta a Lord Rayleigh investigaciones de los efectos acústicos análogos. ¹⁰ Esencialmente, un WGM óptico ocurre cuando una onda circumnavigates la circular sección por reflexión interna total, y vuelve a su punto de partida en fase. Un ejemplo de una resonancia electromagnética para una microesfera de sílice se ilustra en la Figura 1a. Esta resonancia se caracteriza por un máximo en la dirección radial (n = 1), mientras que un total de 53 longitudes de onda se ajuste alrededor del ecuador (l = 53), sólo algunas de las cuales se muestran. La parte evanescente de la intensidad de campo se extiende en el medio fuera de los límites esfera, por lo que la WGM microesfera puede detectar el medio externo.

Los capilares son un ejemplo especialmente interesante de un sensor basado en WGM. En una WGM capilares cilíndricos, pueden formarse alrededor de la sección transversal circular, similar al caso de una esfera. Si la pared del capilar es muy delgada, parte del campo electromagnético se extiende en el canal capilar (Figura 1b). Por lo tanto, un capilar puede ser un sensor de microfluidos para analitos inyectados en el canal. Esta es la bAsís de funcionamiento del anillo de núcleo líquido resonador óptico (LCORR). ¹¹ LCORRs se basan en el acoplamiento evanescente de la luz de una fuente láser sintonizable precisión para sondear los WGM. Un aspecto importante de la LCORR es que las paredes de los capilares deben ser finas (~ 1 m) para asegurar que las muestras del modo del medio del canal. Esto coloca algunas dificultades en su fabricación y hace que sean mecánicamente frágiles.

En nuestro trabajo, hemos desarrollado una estructura alternativa que llamamos un microcavidad núcleo fluorescente (FCM). ^12,13 Para formar un FCM, que recubren las paredes de los canales de un capilar con un fluoróforo de alto índice de refracción (en concreto, una capa de óxido de silicio integrados puntos cuánticos). El alto índice de la película es necesario para confinar la radiación emitida, a fin de constituir los WGM (Figura 1c). En contraste con la LCORR, en un FCM los modos aparecen como máximos agudos en el espectro de fluorescencia emitida. El espesor de lapelícula es sumamente importante, y si es demasiado gruesa la WGM no muestrea el medio en el canal capilar, y si es demasiado delgada el confinamiento óptico se pierde y las WGM se debilitan. Por lo tanto, la fabricación de un FCM es un proceso difícil, que requiere una cuidadosa preparación. Este es el tema principal del documento actual.

Protocolo

1. Preparación de los materiales

1. Microcapilares Obtener capilares de sílice de un proveedor comercial. Compramos nuestros capilares de Tecnologías Polymicro. Elige un diámetro interno pequeño (~ 25 a 30 micras) para obtener más ampliamente separados resonancias espectrales (es decir, un mayor rango espectral libre) o un diámetro interno más grande (~ 100 m) para las resonancias más estrechamente espaciados con los factores de calidad más altos. Un diámetro exterior grande asegura la FCM son durables y fáciles de manipular.
   1. Los capilares vienen con una chaqueta de color poliimida, que primero debe ser eliminado. Cortar trozos de aproximadamente 10 cm de capilar del rollo, fibra de diamante cuchilla. Cada pieza constituye una sola muestra. Calentar éstos en un horno de tubo a 650 º C durante una hora en oxígeno para quemar el revestimiento. Este proceso elimina el material de la camisa, exponiendo el capilar de sílice en su interior. Después de enfriar a temperatura ambiente, eliminar el capillaries desde el barco calefacción.
2. Hidrógeno silsesquioxano soluciones de silsesquioxano de hidrógeno (HSQ) se informa que consisten en H ₁₂ O SI _{8 12} moléculas con una estructura en forma de jaula. ¹⁴ Este material está disponible comercialmente de Dow Corning. Compre el HSQ en una de sus series de Fox-(óxido de fluido) soluciones, como Fox-15. Estas soluciones son caras y tienen una vida útil limitada, de manera cuidadosa planificación que se necesita. La evaporación del disolvente MIBK proporciona una concentración HSQ de aproximadamente 18% en peso. Si la concentración de HSQ es demasiado baja, los puntos cuánticos no se pueden formar en la película. Si es demasiado alta, las películas pueden ser demasiado grueso y delaminate de la superficie del canal capilar. En nuestra experiencia, para un capilar con un diámetro de 25-30 micras interior, una solución que contiene FOx ~ 25 en peso.% HSQ es mejor. Por lo tanto, puede ser necesario para evaporar o añadir más disolvente HSQ (asegurándose de que esté seco) con el fin de ajustar elconcentración. Si una dilución o concentración que es necesario es difícil de determinar sin ensayo y error, es decir, hacer algunas muestras y examinar los resultados, como se discute a continuación.

2. Fabricación de capilares revestidos

1. Llenado del capilar Tome las piezas del capilar preparado en el paso 1.1 y sumergirlos en la solución de zorro. Cuando un capilar se sumerge en la solución, debe ser capaz de seguir visualmente el menisco hasta el canal, como la solución se introduce en el capilar (Figura 2a).
   1. Cuando el menisco alcance la parte superior, retire el tubo capilar y lo coloca en un crisol de vidrio recocido. Ahora debe estar completamente llena con solución zorro. Repita esto para el mayor número posible de muestras, para aumentar las posibilidades de éxito. Nos típicamente ejecutar lotes de 20-30 y utilizar dos diferentes concentraciones de soluciones HSQ en peso. Nos llenar los capilares en el aire, pero t mantenimientoFOx solución que se enfrió en una caja de guantes, se recomienda, si es posible, con el fin de minimizar la exposición de la solución al oxígeno y vapor de agua. Incluso exposiciones pequeñas pueden dar lugar a la gelificación de la solución.
2. Recocido Recocer los capilares en un proceso de dos etapas. El recocido se evapora el disolvente y se derrumba la estructura de jaula HSQ, formando una película de SiO _x adherirse a las paredes del canal. El recocido a temperaturas más altas desproporciona la película de SiO _x en los puntos cuánticos de Si dispersado en una matriz de sílice. Los pasos de recocido incluyen una rampa 30-minuto desde temperatura ambiente hasta 300 ° C, una permanencia durante 3 horas para evaporar el disolvente, a continuación, una rampa a 1.100 ° C en 45 min, y una permanencia durante una hora para precipitar los puntos cuánticos.
   1. Deje que los capilares enfriar lentamente (~ 12 horas) a la temperatura ambiente. Esto ayuda a minimizar el estrés relacionados con el agrietamiento de la película depositada sobre la pared capilar. Otros protocolos de hibridación podríaprobablemente se seguirá y puede ser más fiable, pero una. alta temperatura de recocido etapa a 1.000-1.100 ° C siempre es necesario para formar los puntos cuánticos Al final de este paso, se debe (esperemos) tiene 20-30 capilares con una capa de puntos cuánticos fluorescentes incrustados en una matriz de sílice revestimiento paredes del canal.

3. Caracterización

1. Muestra comprobar el microscopio de fluorescencia en el que los capilares están montados deben realizar tanto imagen y espectroscopía en el rango de longitud de onda de 700-900 nm. Configuraciones de epifluorescencia o confocal son adecuados para este propósito. Colocar una fila de la candidato capilares en la etapa de modo que sea fácil de mover entre ellos para el análisis visual rápida (Figura 2b). Excitar el capilar con la radiación UV o azul, ya sea en el espacio libre en la platina del microscopio, o directamente a través de la lente del objetivo con un filtro dicroico y observe la imagen de fluorescencia utilizando los oculareso una cámara de color.
   1. Observar la fluorescencia capilar. Si la fabricación se ha realizado correctamente, los capilares se exhiben una fluorescencia de color rojo brillante. Esta es la primera indicación de una muestra favorable. Los capilares exhibiendo fluorescencia naranja-amarillo (en lugar del color rojo asociado con los puntos cuánticos), en general, no tienen las características ópticas deseadas. Estas muestras también tienden a formar más a menudo en soluciones con una concentración baja HSQ. Algunos capilares pueden mostrar fluorescencia en absoluto, en este caso la película QD no forma y el capilar se puede descartar (de vidrio sostenidos). Esto es una indicación de que la solución no puede haber penetrado en el capilar, o puede haber sido deficiente en HSQ. Por último, algunas muestras pueden mostrar una película agrietada o con textura, los cuales también pueden ser descartados.
   2. Deseche todas las muestras mencionadas en el paso anterior, excepto aquellos que muestran el característico color rojo brillante fluorescencia de puntos cuánticos de silicio.
2. Verificar la presencia de WGM en los espectros de fluorescencia Asegúrese de que la imagen está alineado como se desea en la rendija de entrada del espectrómetro y recoger un espectro de fluorescencia. Ajustar el tiempo de recogida a fin de producir una aceptable relación señal-ruido. Realizar calibraciones de longitud de onda e intensidad según se requiera. Los espectros de QD debe ser intenso en el intervalo de longitud de onda 700 a 900 nm. Spectra tomada de la región correspondiente a la pared interior capilar debe mostrar oscilaciones fuertes debido a la presencia de los modos de galería de susurro cilíndricos (WGM); este es el requisito segunda a la última de un sensor refractométrico éxito.
   1. Algunas muestras pueden tener una fluorescencia de color rojo brillante QD oscilaciones pero la falta de WGM en el espectro. Esta es una indicación de la película QD agrietado o deslaminado de la pared capilar, que destruye las resonancias ópticas. Deseche los capilares sin WGM. En este punto, sólo el (típicamente small) fracción de muestras que cumplen los requisitos de los sensores permanecen. Hay una prueba final a realizar.
3. Análisis refractométrico Una el candidato capilares al polietileno, Tygon, teflón, u otro tubo químicamente compatible con las soluciones de analito destinados cuyo diámetro interior debe ser ligeramente mayor que el diámetro exterior capilar. La elección de la tubería debe realizarse de forma que no reaccione con las soluciones que se bombea en el capilar.
   1. Utilizar un buen pegamento para unir el vidrio capilar en el tubo, de lo contrario la interfaz del tubo capilar se escapará. Tenemos éxito razonablemente bien con Norland NOA-76 o gel Mascot adhesivo instantáneo. La elección de pegamento depende de su adherencia al vidrio capilar y el tubo, y una falta de reacción con los fluidos de canal. Tenga cuidado para evitar que el adhesivo penetre en el canal capilar y el bloqueo de la misma.
   2. Interfaz del tubomediante una jeringa a un sistema micropumping. Los compuestos con índices de refracción bien conocidos tales como metanol, etanol, y agua se puede utilizar para determinar la sensibilidad refractométrico del dispositivo. Esta es la prueba definitiva de un sensor éxito. Bombear cada fluido, de uno en uno, en el capilar, asegurándose de no romper el sello adhesivo entre el capilar y el tubo (Figura 2c).
   3. Recoger espectros con cada líquido en el interior del capilar. Utilizar un analizador en la trayectoria de la luz para distinguir entre TE-polarizadas WGM (paralelo analizador capilar eje) y TM-polarizadas WGMS (perpendicular al analizador capilar eje). Debe haber un cambio en la longitud de onda de las resonancias WGM, TE o TM, con cada solución diferente en el capilar. Si no hay ningún cambio observable, la película de puntos cuánticos es demasiado grueso y los WGM no suficientemente muestras del medio del canal. En las muestras de éxito observamos sensibilidades típicamente entre 5 y 15 nmpor unidad de índice de refracción solución (RIU). Casi todas las muestras que hacer WGM muestran demostrar una sensibilidad medible, sin embargo, normalmente sólo una fracción pequeña de preparado capilares se muestran WGM.

4. Análisis de Datos

1. La obtención de los espectros de fluorescencia Tome un espectro de la fluorescencia de la muestra. Para aplicaciones de biosensores, la superficie del canal tiene primero que ser funcionalizado para analitos específicos. La superficie de la película QD es esencialmente sílice, por lo que muchas recetas de modificación de la superficie existe. Independientemente de la aplicación, el paso final es el procesamiento y análisis de datos.
   1. El logro de los límites de detección bajos requiere medir pequeños cambios espectrales, idealmente la "resolución cambio" debe ser significativamente menor que la resolución del espectrómetro nominal o el tono. Se debe tener cuidado en el procesamiento espectral debido a esto. En particular, el espectrómetro de imágenes de muchoss del espectro no se proyectan perfectamente horizontal sobre el CCD, por lo que si, entre los análisis, la imagen de muestra se desplaza verticalmente en la ranura, falsos desplazamientos espectrales se pueden obtener. Utilizar cualquier medio necesario para garantizar que esto no suceda, por ejemplo, utilizar un estándar de calibración para determinar el ángulo del espectro proyectada y corregir por ello, minimizar la deriva de la muestra, y asegurarse de que los mismos píxeles del CCD se utilizan para obtener todos los espectros .
      Una imagen espectral ejemplo se muestra en la Figura 3, donde los modos de aparecer como fuertes oscilaciones en los lugares correspondientes a las paredes del canal. Utilice un código de Mathematica ordenador (o lo que su grupo prefiere) para importar las imágenes espectrales, salida de los datos del espectro 1D, y realizar el ajuste de curvas y análisis de Fourier de los turnos de WGM, como se describe a continuación.
2. El ajuste de curvas Determinar la longitud de onda máxima WGM para medir pequeños cambios espectrales debido a analitos in el canal FCM. Montar un solo modo a una función que describe la forma espectral - esta es una forma común de obtener la posición del pico. En el caso ideal, esta será una función de Lorentz (con la correcta conversión de longitud de onda a través de unidades de frecuencia δλ = │-cδf / f ² │ donde c es la velocidad de la luz):
   
   En la ecuación. 1, A es un parámetro de escala y f ₀ es la frecuencia central. Desafortunadamente, FCMs no son un caso ideal.
   1. En las cavidades cilíndricas WGM están sesgados hacia frecuencias más altas, debido probablemente al desarrollo de resonancias en espiral (WGM con un componente axial no nula de el vector de onda). Lorentzian ¹⁵ encaja por lo tanto un bajo rendimiento para la determinación de la posición del pico. Desafortunadamente, no hay ninguna función then un ajuste de la distribución de Lorentzians superposición de las WGM espiral. En un trabajo anterior ¹⁶ se sugirió que una sesgada Lorentzian ¹⁷ daría un mejor ajuste:
      
      Aquí, a y b son parámetros de sesgo. Como se puede ver en la Figura 4, la ecuación. 2 da un mejor ajuste a los datos que la ec. 1, pero por desgracia, no tiene una base física en la teoría de WGM.
3. El análisis de Fourier cambio Alternativamente, los datos pueden ser procesados ​​utilizando una transformada discreta de Fourier, y la fase correspondiente desplazamientos medido desde el espectro de Fourier. Este método se aprovecha de la periodicidad de todo el espectro, en lugar de utilizar un único WGM arbitraria. No mide la longitud de onda máxima posición, sino que mide un cambio globalde un espectro WGM dada con respecto a un espectro de referencia arbitrario.
   1. Utilice la diferencia de fase Δφ para el componente de alta potencia de Fourier que corresponde a la oscilación WGM espectral principal para obtener el desplazamiento espectral. Esto corresponde a un desplazamiento de frecuencia real de WGM:
      Df = Δφ (f _max - f _min) / (2πk),
      donde f _min y _max f son el mínimo y el máximo de frecuencia en el espectro. Sin embargo, mucha información puede ser desechado si sólo el componente principal se utiliza, adicionalmente, los problemas de truncamiento puede hacer que sea difícil determinar qué componente es la principal. A menudo, los mejores resultados requieren algún ensayo y error en cuanto a que componentes de Fourier para seleccionar.
   2. El teorema de cambio en lugar utiliza todos los componentes de Fourier. Por consiguiente, para un cambio puro, cada componente individual se desplaza proporcional a k (con ksiendo el número de componente). En otras palabras, δφ _k = mk, donde el m proporcionalidad es una medida del desplazamiento real. El cambio de frecuencia total viene dada por:
      Df = m (f _max - _min f) / (2π).
      Esto requiere m que se obtiene de un ajuste lineal a las diferencias de fase ΔΦ _k para todos o algunos de los componentes de Fourier.
   3. Para los datos reales, la relación lineal ΔΦ _k = mk tendrá incertidumbre debida a la señal de ruido y el fondo, que puede tener un efecto significativo en los componentes de baja potencia de Fourier. Por lo tanto, se recomienda un ajuste lineal ponderada, en el que el peso de cada componente es proporcional a su potencia, con el fin de obtener la pendiente de la vs ΔΦ _k k gráfico. El espectro se pueden filtrar alrededor del componente principal antes de su colocación, para eliminar las frecuencias altas (noise) y bajas frecuencias (desacoplado de fluorescencia de fondo). La frecuencia cambia de la ecuación. 4 se convierte entonces en unidades de longitud de onda.
   4. A diferencia del caso para el ajuste de la curva, una WGM "longitud de onda" nunca se obtiene, pero en su lugar un cambio de longitud de onda se mide todo el espectro con respecto a un espectro de referencia arbitrario. El procedimiento se repite entonces para cada espectro a analizar. Los pasos de este procedimiento son como sigue:
      1. Convertir los espectros en unidades de frecuencia para asegurar un constante rango espectral libre.
      2. Seleccione el conjunto de datos de referencia (es decir, la primera WGM espectro de fluorescencia) de la que todos los turnos serán medidos.
      3. Interpolar los espectros de frecuencia para obtener espaciamiento uniforme ^18.
      4. Realizar una transformada discreta de Fourier para obtener los componentes de potencia y fase de cada espectro.
      5. Encuentra las diferencias de fase para todos los componentes de un k dado WGMespectro para la que el valor del desplazamiento se desea, con respecto al espectro de referencia.
      6. Encontrar el desplazamiento de fase utilizando la diferencia de fase de bien el componente de Fourier principal solamente, o un ajuste lineal ponderada de los componentes seleccionados. Esto le dará al Df desplazamiento de fase o δλ entre el espectro de WGM y el espectro de referencia.
      7. Los errores en los desplazamientos espectrales (el límite de detección) se puede medir mediante la recopilación de espectros repetidas para el mismo analito. Una incertidumbre en la sensibilidad se puede obtener a partir del error en los ajustes lineales ponderados, si se utilizan múltiples componentes.

Repita los pasos 1-7 para cada análisis. Aunque este procedimiento parece complicado, después de la aplicación inicial del procedimiento es fácil de automatizar, de forma que los conjuntos de datos grandes puede ser procesado por lotes para encontrar los turnos. Utilizamos un código de Mathematica escrito específicamente for este procedimiento, a fin de que los conjuntos de datos completos pueden ser procesadas por lotes "con sólo pulsar un botón". En principio, los desplazamientos espectrales incluso se puede calcular "en vivo", a pesar de que no lo ha hecho todavía.

Resultados

Las pequeñas desviaciones en el procedimiento de fabricación capilar puede conducir a cambios significativos en la tasa de éxito de la muestra. En la Figura 5 (ad), se muestran ejemplos representativos de no capilares, así como un éxito. Generalmente, la indicación visual de una muestra de éxito es una fluorescencia de color rojo combinado con una alta intensidad en las paredes de los capilares y un interior sin rasgos. El espectro de fluorescencia también indica claramente la diferencia entre el éxito ...

Discusión

Fluorescente de núcleo microcavidades se puede utilizar como sensores refractometría. Aunque hay ejemplos aislados de "enrolladas" microtubos que podrían actuar como sensores de microfluidos, en comparación con ²² microtubos, capilares será más fácil de integrar en las configuraciones de microfluidos y tienen considerables ventajas prácticas, ya que son fáciles de manejar y fácil de interfaz con un análisis configuración. Usando métodos convencionales de análisis de Fourier, los desplazamientos de l...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Tabla de Materiales	Empresa	Catálogo	Comentarios
sílice microcapilares
tubos flexibles microbore			polietileno, Tygon, etc
adhesivo	Mascot, Norland NOA
HSQ disolvió en MIBK			por ejemplo., FOX-15
metanol
etanol
agua destilada