Synthèse et exploitation des Fluorescent-core Microcavités de détection réfractométrique

Résumé

Microcavité capteurs fluorescents employer un noyau à haut indice de points quantiques de revêtement dans le canal de la silice micro-capillaires. Variation de l'indice de réfraction du fluide pompé dans le canal capillaire motif se déplace dans le spectre de fluorescence microcavité qui peut être utilisé pour analyser le milieu de chaîne.

Résumé

Cet article discute fluorescentes base microcavité à base de capteurs qui peuvent fonctionner dans une configuration d'analyse microfluidique. Ces structures reposent sur la formation d'une fluorescence de points quantiques (QD) de revêtement sur la surface de canal d'un micro-capillaire classique. QDs de silicium sont particulièrement intéressantes pour cette application, en partie en raison de leur toxicité négligeable par rapport à la II-VI et boîtes quantiques composés II-VI, qui est législativement substances réglementées dans de nombreux pays. Tandis que le spectre d'émission de l'ensemble est large et sans relief, un film de Si-QD sur la paroi de canal d'une des caractéristiques d'un ensemble de capillaires tranchants, des pics étroits dans le spectre de fluorescence, correspondant aux résonances électromagnétiques pour la lumière piégée à l'intérieur du film. La longueur d'onde de crête de ces résonances est sensible au milieu extérieur, ce qui permet au dispositif de fonctionner comme un détecteur réfractométrique dans lequel les points quantiques jamais entrer en contact physique avec la substance à analyser. Le dispositif expérimentalméthodes associées à la fabrication de la microcapillaires fluorescence de base sont décrites en détail, ainsi que les méthodes d'analyse. Enfin, une comparaison est faite entre ces structures et les plus largement étudiés liquide de base résonateurs en anneaux optiques, en termes de capacités de détection microfluidiques.

Introduction

Systèmes de détection des produits chimiques qui nécessitent des volumes d'échantillons que les petites et qui peuvent être incorporés dans des dispositifs portatifs ou sur le terrain exploitable pourrait conduire à l'élaboration d'un large éventail de nouvelles technologies. Ces technologies pourraient comprendre des diagnostics sur le terrain pour les maladies et les agents pathogènes, ^{1, 2} contaminants de l'environnement et la sécurité alimentaire. ³ Plusieurs technologies sont actuellement à l'étude pour les capteurs chimiques microfluidiques, avec des dispositifs basés sur la physique des résonances plasmons de surface (SPR) parmi les plus avancés. ⁴ Ces capteurs sont désormais capables de détecter de nombreuses biomolécules spécifiques et ont obtenu un succès commercial, mais surtout le matériel de laboratoire à grande échelle ^5.

Ces dernières années, les microcavités optiques ont augmenté de rivaliser avec les systèmes SPR. Microcavités peuvent être étonnamment sensible, avec la capacité démontrée pour détecter les virus simples ⁶ et peut-être même des biomolécules simples ^{7 (celle-ci reste l'objet d'un débat, 8 mais il ne fait aucun doute que les limites de détection de masse sont de 9 petits). Dans les microcavités, le mécanisme de détection repose sur des changements dans les résonances optiques provoqués par la présence d'un analyte dans le profil de champ électrique de la résonance. En règle générale, un analyte donné provoquera la résonance à changer la fréquence centrale, la visibilité ou la largeur de raie. Comme pour les systèmes SPR, microcavités peuvent agir en tant que non-spécifiques capteurs réfractométriques, ou en tant que biocapteurs fonctionnalisés pour une analyse spécifique.}

Microstructures diélectriques avec une section transversale circulaire (par exemple, des microsphères, des disques ou des cylindres) sont caractérisées par des résonances électromagnétiques connus comme les modes de galerie, ou WGMS, un terme qui remonte à des enquêtes de Lord Rayleigh d'effets acoustiques analogues ^10. Essentiellement, un WGM optique se produit quand une onde transversale circulaire fait le tour du section par réflexion interne totale, et revient à son point de départ en phase. Un exemple d'une résonance électromagnétique pour une microsphère de silice est illustré dans la figure 1a. Cette résonance est caractérisé par un maximum dans la direction radiale (n = 1), alors qu'un total de 53 longueurs d'onde s'adapter autour de l'équateur (L = 53), dont une partie seulement sont représentés. La partie évanescente de l'intensité de champ s'étend dans le milieu extérieur de la sphère limite; ainsi la WGM microsphère peut détecter le milieu extérieur.

Les capillaires sont un exemple particulièrement intéressant d'un capteur à base de WGM. Dans un capillaire, WGMS cylindriques peuvent se former autour de la section transversale circulaire, similaire au cas d'une sphère. Si la paroi capillaire est très mince, une partie du champ électromagnétique pénètre dans le canal capillaire (figure 1b). Ainsi, un tube capillaire peut être un capteur microfluidique pour des analytes injectés dans le canal. Il s'agit de la basis de fonctionnement de l'anneau de noyau liquide résonateur optique (LCORR). LCORRs ¹¹ reposent sur ​​le couplage évanescent de la lumière provenant d'une source laser accordable précision pour sonder les WGMS. Un aspect important de la LCORR est que les parois des capillaires doit être mince (~ 1 um) afin de s'assurer que les échantillons de mode du milieu du canal. Cela met quelques difficultés sur leur fabrication et les amène à être mécaniquement fragile.

Dans notre travail, nous avons développé une structure alternative que nous appelons une microcavité cœur fluorescent (FCM). ^12,13 Pour former un FCM, nous enduire les parois du canal d'un capillaire avec un fluorophore haut indice de réfraction (plus précisément, une couche de d'oxyde de silicium incorporés points quantiques). L'indice élevé du film est nécessaire de limiter le rayonnement émis, pour constituer les WGMS (figure 1c). Contrairement à la LCORR, dans un FCM modes apparaissent aussi nette maxima dans un spectre de fluorescence émise. L'épaisseur de lafilm est d'une importance capitale, si elle est trop épaisse, la WGM ne pas goûter à la moyenne dans le canal capillaire, et si elle est trop mince le confinement optique est perdu et les WGMS devient faible. Ainsi, la fabrication d'une carte FCM est un processus difficile, nécessitant une préparation minutieuse. C'est le thème principal de la présente étude.

Protocole

1. Préparation des matériaux

1. Microcapillaires Obtenir capillaires de silice à partir d'un fournisseur commercial. Nous achetons notre capillaires de Polymicro Technologies. Choisir un petit diamètre intérieur (~ 25 à 30 pm) pour plus éloignés les uns des résonances spectrales (par exemple plus d'une plage spectrale libre) ou d'un plus grand diamètre interne (~ 100 pm) pour les résonances plus étroitement espacées avec des facteurs de qualité supérieure. Un grand diamètre extérieur assure les FCMs sont durables et faciles à manipuler.
   1. Les capillaires sont livrés avec une couleur polyimide veste, qui doit d'abord être retiré. Couper des morceaux d'environ 10 cm de capillaire du rouleau, à l'aide de fibre de diamant couperet. Chaque pièce constitue un seul échantillon. Chauffer ceux-ci dans un four tubulaire à 650 ° C pendant une heure dans de l'oxygène pour brûler le revêtement. Ce procédé élimine le matériau de la gaine, ce qui expose le capillaire de silice à l'intérieur. Après refroidissement à température ambiante, retirez le capillaries du bateau de chauffage.
2. L'hydrogène silsesquioxane d'hydrogène solutions silsesquioxane (HSQ) est signalé consistent H ₁₂ Si ₈ O ₁₂ molécules avec une structure en forme de cage. ¹⁴ Ce matériau est commercialisé par Dow Corning. Acheter le HSQ dans un de ses Fox-série (oxyde de fluide) solutions, comme le renard-15. Ces solutions sont coûteuses et ont une durée de vie limitée, donc une planification minutieuse est nécessaire. L'évaporation du solvant MIBK fournit une concentration HSQ d'environ 18% en poids. Si la concentration est trop faible HSQ, les points quantiques peuvent pas se former dans le film. Si elle est trop élevée, les films peuvent être trop épais et se décoller de la surface de canal capillaire. Dans notre expérience, pour un capillaire d'un diamètre de 25 à 30 um intérieure, une solution contenant environ 25 FOx poids.% HSQ est le meilleur. Ainsi, il peut être nécessaire d'évaporer ou ajouter plus HSQ solvant (s'assurer qu'il est bien sec) afin de régler laconcentration. Que ce soit une dilution ou de concentration qui est nécessaire est difficile à déterminer sans tâtonnements, c'est à dire faire des échantillons et examiner les résultats, comme nous le verrons ci-dessous.

2. Fabrication d'enduit capillaires

1. Remplir le capillaire Prenez les morceaux de capillaire préparé à l'étape 1.1 et les tremper dans la solution Fox. Quand un capillaire est plongé dans la solution, vous devriez être en mesure de suivre visuellement au ménisque le canal, que la solution est aspirée dans le tube capillaire (Figure 2a).
   1. Lorsque le ménisque atteint le haut, retirer le tube capillaire et le placer dans un creuset en verre recuit. Il devrait maintenant être complètement rempli de solution Fox. Répétez cette opération pour que les échantillons que possible, afin d'accroître les chances de succès. En général, nous exécuter des lots de 20-30 et utiliser deux différentes concentrations de solutions HSQ en poids. Nous remplissons les capillaires dans l'air, mais t de maintienil FOx solution refroidie dans une boîte à gants est recommandé, si possible, afin de minimiser l'exposition de la solution à oxygène et de vapeur d'eau. Même de faibles expositions peuvent entraîner la gélification de la solution.
2. Recuit Recuit les capillaires dans un processus en deux étapes. Recuit évapore le solvant et la structure s'écroule cage HSQ, former un film de SiO _x adhérant aux parois du canal. Recuit à des températures plus élevées dismute le film de SiO _x dans les points quantiques de silicium dispersé dans une matrice de silice. Les étapes de recuit comprend une rampe 30-minute de la température ambiante à 300 ° C, un temps d'arrêt pendant 3 heures pour évaporer le solvant, puis une rampe de 1.100 ° C en 45 min, et un temps d'arrêt pendant une heure pour précipiter les boîtes quantiques.
   1. Laissez-le refroidir lentement capillaires (~ 12 h) retour à la température ambiante. Cela aide à réduire le stress liés à la fissuration du film déposé sur la paroi des capillaires. D'autres protocoles de recuit pourraitprobablement suivre et peut être plus fiables, mais une haute température de recuit scène à 1000-1100 ° C est toujours nécessaire de former les boîtes quantiques. A la fin de cette étape, on devrait (j'espère) ont 20-30 capillaires d'une couche de points quantiques fluorescents noyé dans un enrobage de silice matrice du canal murs.

3. Caractérisation

1. Échantillonner vérifier le microscope à fluorescence sur lequel les capillaires sont montés tous les deux doivent effectuer l'imagerie et de la spectroscopie dans la gamme de longueur d'onde 700-900 nm. Configurations épifluorescence ou confocale sont appropriés à cet effet. Placez une rangée de capillaires candidat sur ​​la scène de sorte qu'il est facile de circuler entre eux pour l'analyse visuelle rapide (Figure 2b). Exciter le capillaire avec le rayonnement UV bleu ou soit dans l'espace libre sur la platine du microscope, ou directement à travers l'objectif en utilisant un filtre dichroïque, et d'observer l'image de fluorescence en utilisant les oculairesou une caméra couleur.
   1. Observer la fluorescence capillaire. Si la fabrication a été un succès, les capillaires se présentent une fluorescence rouge vif. C'est la première indication d'un échantillon favorable. Capillaires présentant une fluorescence jaune-orange (au lieu de la couleur rouge associée à des QDs) en général, ne possèdent pas les caractéristiques optiques souhaitées. Ces échantillons ont également tendance à former plus souvent des solutions à faible concentration HSQ. Certains capillaires peuvent présenter aucune fluorescence du tout, dans ce cas le film QD ne forment pas et le capillaire peut être mis au rebut (verre tranchants). Ceci est une indication que la solution peut ne pas avoir été aspiré dans le tube capillaire, ou il peut avoir été déficient en HSQ. Enfin, certains échantillons peuvent montrer un film fissuré ou texturé, ceux-ci peuvent également être mis au rebut.
   2. Jetez tous les échantillons mentionnés à l'étape précédente, sauf ceux qui montrent le brillant rouge caractéristique de fluorescence des QDs de silicium.
2. Vérifier la présence de WGMS dans les spectres de fluorescence Assurer l'image est aligné à volonté sur la fente d'entrée du spectromètre et recueillir un spectre de fluorescence. Ajuster le temps de collecte de manière à produire un signal acceptable sur bruit. Effectuer des étalonnages de longueur d'onde et l'intensité selon les besoins. Les spectres QD devrait être intense dans la gamme de longueur d'onde 700 à 900 nm. Spectra prises de la région correspondant à la paroi interne du capillaire doit montrer de fortes oscillations dues à la présence des modes de galerie cylindriques (WGMS), ce qui est la seconde condition avant-dernier d'un capteur de succès réfractométrique.
   1. Certains échantillons peuvent avoir une vive fluorescence rouge QD mais oscillations WGM manque dans le spectre. Ceci est une indication du film QD fissuré ou détachées de la paroi des capillaires, ce qui détruit les résonances optiques. Jeter capillaires sans WGMS. À ce stade, seul le (généralement small) la fraction des échantillons qui répondent aux exigences de capteurs restent. Il est une épreuve finale à réaliser.
3. Analyse réfractométrique Fixer les capillaires candidat pour le polyéthylène, le Tygon, le téflon, ou autre tube chimiquement compatible avec les solutions d'analytes destinés dont le diamètre intérieur doit être légèrement plus grand que le diamètre du capillaire extérieur. Le choix de la tubulure doit être faite de manière à ne pas réagir avec les solutions d'être pompé dans le tube capillaire.
   1. Utilisez un bon adhésif pour fixer le capillaire en verre à la tubulure, sinon l'interface capillaire tube fuira. Nous avons assez bon succès en utilisant Norland NOA-76 ou gel adhésif Mascot instantanée. Le choix de la colle dépend de son adhérence sur le verre et le tube capillaire, et une absence de réaction avec les fluides de canal. Prendre soin d'éviter que la colle de s'infiltrer dans le canal capillaire et le bloquer.
   2. Interface de la tubulurepar l'intermédiaire d'une seringue à un système micropumping. Avec des indices de réfraction des composés bien connus tels que le méthanol, l'éthanol, l'eau et peut être utilisé pour déterminer la sensibilité du dispositif de réfraction. C'est le test final d'un capteur de succès. Pomper chaque fluide, une à la fois, dans le capillaire, en veillant à ne pas faire éclater le joint adhésif entre le capillaire et le tube de production (figure 2c).
   3. Recueillir des spectres de chaque liquide à l'intérieur du capillaire. Utiliser un analyseur dans la trajectoire de la lumière pour faire la distinction entre TE-polarisés (WGMS parallèle à l'analyseur capillaire axe) et TM-polarisés (WGMS perpendiculaire à l'analyseur capillaire axe). Il devrait y avoir un changement dans la longueur d'onde des résonances WGM, soit TE ou TM, chaque solution différente dans le capillaire. S'il n'ya pas de changement observable, le film de points quantiques est trop épais et les WGMS ne prennent pas suffisamment goûter à la moyenne canal. Dans les échantillons de succès que nous observons sensibilités typiquement entre 5 et 15 nmpar unité de solution de l'indice de réfraction (RIU). Presque tous les échantillons qui ne montrent WGMS démontrer une sensibilité mesurable, mais en général seulement une petite fraction des capillaires préparé montrera WGMS.

4. Analyse des données

1. Obtention des spectres de fluorescence Prenez un spectre de la fluorescence de l'échantillon. Pour les applications de biodétection, la surface de canal doit d'abord être fonctionnalisé pour des analytes spécifiques. La surface du film de silice est essentiellement QD, tant de recettes de modification de surface existent. Quel que soit l'application, la dernière étape est le traitement des données et l'analyse.
   1. La réalisation de faibles limites de détection nécessite la mesure de petites variations spectrales, idéalement la «résolution shift" devrait être nettement inférieure à la résolution du spectromètre nominale ou pas. Il faut être prudent dans le traitement spectral pour cette raison. En particulier, le spectromètre imageur de nombreuxs le spectre ne peuvent être projetés parfaitement à l'horizontale sur le CCD, donc si, entre les analyses, l'image d'échantillonnage dérive verticale sur la fente, faux décalages spectraux peuvent être obtenus. Utilisez tous les moyens nécessaires pour s'assurer que cela ne se produise; par exemple utiliser un étalonnage standard pour déterminer l'angle du spectre projeté et corriger pour elle, de minimiser la dérive de l'échantillon, et veiller à ce que les mêmes pixels CCD sont utilisés pour obtenir tous les spectres .
      Un exemple d'image spectrale est représenté sur la figure 3, où les modes apparaissent comme de fortes oscillations en des emplacements correspondant aux parois du canal. Utilisez un code Mathematica ordinateur (ou ce que votre groupe préfère) pour importer les images spectrales de sortie, les données spectrales 1D, et d'effectuer un ajustement de courbe et de l'analyse de Fourier des changements WGM, comme décrit ci-dessous.
2. Ajustement de la courbe Déterminer la longueur d'onde maximale WGM pour mesurer de petits décalages spectraux dus à des analytes in le canal de la FCM. Monter un mode unique à une fonction qui décrit la forme spectrale - c'est un moyen courant d'obtenir la position du pic. Dans le cas idéal, ce sera une fonction lorentzienne (avec conversion correcte de longueur d'onde à des unités de fréquence via δλ = │-cδf / f ² │ où c est la vitesse de la lumière):
   
   Dans l'équation. 1, A est un paramètre d'échelle et f ₀ est la fréquence centrale. Malheureusement, les GCF ne sont pas un cas idéal.
   1. Dans les cavités cylindriques WGMS sont inclinées vers des fréquences plus élevées, en raison probablement de la mise au point de résonances spirale (WGMS ayant une composante non nulle du vecteur d'onde axial). Lorentzienne ¹⁵ s'adapte donc de mauvais résultats pour déterminer la position de crête. Malheureusement, il n'existe pas de fonction es'adapte à une distribution de Lorentzians chevauchent des WGMS spirale. Dans des travaux antérieurs ^16, nous avons suggéré qu'un asymétrique lorentzienne ¹⁷ serait un meilleur ajustement:
      
      Ici, une inclinaison et B sont des paramètres. Comme on peut le voir à la figure 4, Eq. 2 fait un meilleur ajustement aux données que Eq. 1, mais malheureusement il n'a aucune base physique de la théorie des WGMS.
3. Analyse de Fourier à décalage variante, les données peuvent être traitées en utilisant une transformée de Fourier discrète, et la phase correspondant décalages mesurés à partir du spectre de Fourier. Cette méthode tire parti de la périodicité de l'ensemble du spectre, par opposition à l'aide d'un WGM arbitraire unique. Il ne mesure pas la position de longueur d'onde maximale, mais les mesures au lieu d'un changement globalun spectre de WGM donnée par rapport à un spectre de référence arbitraire.
   1. Utiliser la différence Δφ phase de la composante de Fourier de forte puissance qui correspond à l'oscillation principale WGM spectrale, pour obtenir le changement spectral. Cela correspond à un décalage de fréquence réelle de WGM:
      Af = Δφ (f _max - f _min) / (2πk),
      où f _min et f _max est la fréquence minimale et maximale dans le spectre. Cependant, beaucoup d'informations peuvent être éliminés si seul le composant principal est utilisé, en outre, les questions de troncature, il peut être difficile de déterminer quel composant est le principal. Souvent, les meilleurs résultats nécessitent quelques essais et erreurs quant aux composantes de Fourier pour sélectionner.
   2. Le théorème de décalage utilise à la place de tous les composants de Fourier. En conséquence, pour un déplacement pur, chaque composant individuel est décalée proportionnel à k (avec kétant le nombre de composants). En d'autres termes, δφ _k = mk, où la proportionnalité m est une mesure de l'évolution réelle. Le décalage de fréquence totale est donc donnée par:
      Af = m (f _max - f _min) / (2π).
      Ce qui nécessite d'être m obtenue à partir d'un ajustement linéaire à des différences de phase ΔΦ _k pour tout ou partie des composantes de Fourier.
   3. Pour les données réelles, la relation linéaire ΔΦ _k = mk aura incertitude due au signal de bruit de fond et, ce qui peut avoir un effet significatif sur les composantes de Fourier de faible puissance. Ainsi, nous recommandons un ajustement linéaire pondérée, dans laquelle le poids de chaque composant est proportionnelle à sa puissance, afin d'obtenir la pente de la ΔΦ _k vs graphe k. Le spectre peut être filtrée à travers le composant principal avant le montage, retirer les deux hautes fréquences (nfréquences oise) et basse (découplé de fluorescence de fond). La fréquence passe de l'équation. 4 sont ensuite convertis en unités de longueur d'onde.
   4. Contrairement au cas des ajustement de courbe, un WGM "longueur d'onde" n'est jamais obtenue, mais plutôt un changement de longueur d'onde est mesurée sur l'ensemble du spectre par rapport à un spectre de référence arbitraire. La procédure est alors répétée pour chaque spectre à analyser. Les étapes de cette procédure sont les suivantes:
      1. Autre spectres en unités de fréquence pour assurer une constante intervalle spectral libre.
      2. Choisissez le jeu de données de référence (c.-à-WGM le premier spectre de fluorescence) à partir de laquelle toutes les équipes seront mesurés.
      3. Interpoler les spectres d'obtenir un espacement de fréquence uniforme ^18.
      4. Effectuer une transformée de Fourier discrète pour obtenir les composants de puissance et de phase de chaque spectre.
      5. Trouvez les différences de phase pour tous les k composantes d'un WGM donnéespectre pour lequel la valeur de décalage est souhaitée, en ce qui concerne le spectre de référence.
      6. Trouver le décalage de phase en utilisant la différence de phase de la composante de Fourier supporte principal uniquement, ou une forme linéaire pondérée des composants sélectionnés. Cela vous donnera l'Af déphasage ou δλ entre le spectre de WGM et le spectre de référence.
      7. Les erreurs affectant les décalages spectraux (au seuil de détection) peut être mesurée par la collecte de spectres répétée pour le même analyte. Une incertitude sur la sensibilité peut être obtenue à partir de l'erreur dans les ajustements linéaires pondérés, si vous utilisez plusieurs composantes.

Répétez les étapes 1-7 pour chaque analyse. Bien que cette procédure semble compliqué, après la mise en œuvre initiale de la procédure est simple d'automatiser, de sorte que de vastes ensembles de données peuvent être traitées par lots pour trouver les quarts de travail. Nous utilisons un code Mathematica écrit spécifiquement for cette procédure, de sorte que des ensembles complets de données peuvent être traitées par lots "en appuyant sur un bouton». En principe, les décalages spectraux peuvent même calculé «en direct», même si nous n'avons pas encore fait cela.

Résultats

De faibles écarts dans le procédé de fabrication capillaire peut conduire à des changements significatifs dans le taux de réussite de l'échantillon. Dans la figure 5 (ad), nous montrons des exemples représentatifs des capillaires échoué ainsi comme un succès. Généralement, l'indication visuelle d'un échantillon de succès est une fluorescence rouge associée à une intensité élevée à la paroi des capillaires et un intérieur sans relief. Le spectre de fluorescence indique aussi clairement la différence entr...

Discussion

Fluorescence de base microcavités peuvent être utilisés en tant que capteurs réfractométriques. Bien qu'il existe des exemples isolés de «remontées» microtubes qui pourraient servir de capteurs microfluidiques, ²² par rapport à microtubes, des capillaires sera plus facile à intégrer dans des configurations microfluidiques et avoir des avantages pratiques considérables, car ils sont faciles à manipuler et simple à l'interface avec une analyse configuration. En utilisant les méthodes classiques de l'...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Table des matières	Entreprise	Catalogue	Commentaires
silice microcapillaires
tuyau souple microbore			polyéthylène, tygon, etc
adhésif	Mascot, Norland NOA
HSQ dissous dans MIBK			ex., Fox-15
méthanol
l'éthanol
de l'eau distillée