סינתזה והפעלה של microcavities פלורסנט ליבות לחישת Refractometric
13 במרץ 2013
חיישני microcavity פלורסנט ליבות להעסיק גבוה ציפוי מדד קוונטים-dot בערוץ של סיליקה microcapillaries. שינויים במקדם השביר של נוזלים נשאבים לתוך סיבת ערוץ נימי המשמרות בספקטרום פלואורסצנטי microcavity שניתן להשתמש בו כדי לנתח את מדיום הערוץ.
המטרה הכוללת של הליך זה היא לפתח טכנולוגיית חיישנים מיקרופלואידיים. זה מושג על ידי ייצור מכשירים פוטנציאליים על ידי קידוד נימים עם שכבת הנקודות הקוונטיות של הסיליקון. השלב השני הוא לקבוע אילו מהדגימות עומדות בדרישות הבסיסיות לשימוש כחיישן.
לאחר מכן, מכשיר חיישן מחובר למערכת שאיבה מיקרו כדי לאפשר הכנסת אנליטים. השלב האחרון הוא איסוף ספקטרום פלואורסצנטי וניתוח התוצאות. בסופו של דבר, מיקרוסקופיה פלואורסצנטית משמשת להצגת חישה מטרית רפרקטיבית של נוזלים בתעלה נימית.
היתרונות העיקריים של מכשיר זה כללו את גודלו הקטן, התאימות המיקרופלואידית שלו והעובדה שניתן לדמיין בקלות מכשיר שלם שנבנה מסט של רכיבים זולים למדי. בגלל התעלה המיקרופלואידית, ניתן לשאוב כל נוזל בתוך הנימים. החלק הקשה ביותר הוא לתפעל את פני השטח על מנת להיקשר לאנליטים ספציפיים.
למכשיר זה יש מגוון רחב של יישומים פוטנציאליים, כגון בטיחות מזון, ניתוח מי תהום או אפילו שירותי בריאות. החלק הקשה ביותר במכשיר זה הוא שהכנת הדגימה היא מאוד קפדנית, ויש אחוזי הצלחה נמוכים מאוד מכיוון שהדבר הקטן ביותר יכול להוביל לכישלון בהכנת הדגימה. הדגמה חזותית של טכניקה זו עוזרת להגדיל את אחוזי ההצלחה.
התחל בהכנת מיקרו נימים. השג נימי סיליקה מספק מסחרי. בחר קוטר פנימי של כ-25 עד 30 מיקרומטר עבור תהודה ספקטרלית מופרדת יותר, או קוטר פנימי של כ-100 מיקרומטר.
עבור תהודה קרובה יותר עם גורמי איכות גבוהים יותר, קטרים חיצוניים גדולים יבטיחו חללי מיקרו עמידים יותר וקלים למניפולציה. לאחר מכן, השתמש בקליבר סיבי יהלום כדי לחתוך כ-10 סנטימטרים חתיכות נימים מהגליל. כל יצירה מהווה מדגם יחיד.
מחממים את הדגימות בתנור צינור בחום של 650 מעלות צלזיוס למשך שעה בחמצן. תהליך זה מסיר את מעיל הפוליאמיד הצבעוני כדי לחשוף את נימי הסיליקה שבתוכו. המתן עד שהדגימות יחזרו לטמפרטורת החדר לפני שתמשיך.
השג מימן YLS OX או HSQ באחת מתמיסות התחמוצת הניתנות לזרימה והתאם את ריכוזו לטווח מתאים להיווצרות נקודות קוונטיות. זה ידרוש קצת ניסוי וטעייה לנימים. עם רדיוס של 25 עד 30 מיקרומטר, תמיסה של כ-25% במשקל היא מטרה טובה.
עם השלמת שלבי ההכנה, יש לייצר נימים מצופים על ידי טבילת הנימים המוכנים בתמיסת HSQ ותחמוצת זורמת. המניסקוס צריך להיות גלוי כאשר התמיסה נמשכת במעלה התעלה. כאשר המניסקוס מגיע למעלה, הסר את הנימים והניח אותו בכוס, כור היתוך כורך.
חזור על כך עבור 20 עד 30 נימים באמצעות שני ריכוזים שונים של תמיסות HSQ. לפי משקל, בזמן שהנימים מתמלאים באוויר, תמיסת התחמוצת הניתנת לזרימה נשמרת מקוררת בתא כפפות אפשרי כדי למזער את חשיפת התמיסה לחמצן ואדי מים. הנקודות הקוונטיות נוצרות במטריצת הסיליקה.
בתהליך החישול, הכניסו את הנימים לתנור שמוגדר להעלות את הטמפרטורה מטמפרטורת החדר ל-300 מעלות צלזיוס במשך 30 דקות. להתעכב בטמפרטורה זו במשך שלוש שעות, ואז להעלות ל-1100 מעלות צלזיוס תוך 45 דקות ולהישאר בטמפרטורה זו למשך שעה. הניחו לנימים להתקרר לאט לטמפרטורת החדר במשך כ-12 שעות.
תהליך זה מביא ל-20 עד 30 נימים שקירותיהם מצופים בשכבה של נקודות קוונטיות פלואורסצנטיות המשובצות במטריצת סיליקה. כדי לאפיין את הדגימות, השתמש במיקרוסקופ פלואורסצנטי שיכול לבצע גם הדמיה וגם ספקטרוסקופיה בטווח אורכי הגל של 700 עד 900 ננומטר. הניחו שורה של נימי המועמדים על הבמה כך שיהיה קל לנוע ביניהם.
לניתוח חזותי מהיר, עורר כל נימים בקרינה כחולה או אולטרה סגולה, בשטח פנוי על במת המיקרוסקופ או ישירות דרך עדשת האובייקטיב. בעזרת פילטר דיכרואי, התבונן בפלואורסצנטיות של הנימים באמצעות העינית או מצלמה צבעונית. אם הייצור הצליח, הנימים יציגו נימים פלואורסצנטיים אדומים בוהקים המציגים פלואורסצנטיות כתומה צהובה, או בכלל לא, מעידים על ריכוז HSQ נמוך במהלך הייצור.
יש להשליך אותם יחד עם אלה עם סרט סדוק או מרקם. ספקטרום נקודות קוונטיות צריך להיות אינטנסיבי בטווח של 700 עד 900 ננומטר. ספקטרום שנלקח מהדופן הנימים הפנימית אמור להראות תנודות חזקות עקב נוכחות של מצב גלריה לוחש, להשליך כל דגימות שאינן מראות עדות למצב זה.
לאחר מכן, הכינו דוגמאות לניתוח מטרי עקשן. השתמש בדבק מתאים כדי לחבר כל קצה של נימי מועמד לפוליאתילן או צינורות דומים כדי לשאת נוזלים לתוך הנימים והרחק מהם. לאחר הדבקת הצינור הראשון המתן להחלמתו לפני שתנסה להדביק את הצד השני.
הקוטר הפנימי של הצינורות צריך להיות מעט גדול יותר מהקוטר החיצוני של הנימים. היזהר כדי למנוע מדבק לחלחל לתוך תעלת הנימים ולחסום אותה. לאחר מכן, חבר את הצינור עם המזרק למערכת שאיבה מיקרו.
היו מוכנים לשאוב תרכובות בעלות מקדמי שבירה ידועים כמו מתנול, אתנול ומים. יש לשאוב כל נוזל בזה אחר זה לתוך הנימים כדי לקבוע את רגישות מטר השבירה של המכשיר. אוספים ספקטרום עם כל נוזל בתוך הנימים.
השתמש במנתח בנתיב האור כדי למדוד תזוזות במצבי גלריית הלחישה עם כל פתרון שונה בנימי. אם אין תזוזה נצפית, הסרט הקוונטי עבה מדי ויש להשליך את הנימים. לדגימות מוצלחות יש בדרך כלל רגישות של חמישה עד 15 ננומטר לתמיסה.
נתוני יחידת אינדקס השבירה נאספים באמצעות הגדרת מדד השבירה. התחל בלקיחת ספקטרום ייחוס של נימי חיישן ליישומי ביו-חישה. יש לעשות זאת לאחר תפקוד משטח התעלה.
באופן ספציפי כדי להשיג מגבלות זיהוי נמוכות יש לנקוט בזהירות כדי למזער את סחף הדגימה. השתמש גם בתקן כיול כדי לתקן את הספקטרומטר עבור אורך הגל והעוצמה. לבסוף, אסוף נתונים ספקטרליים עם האנליט שהוכנס לנימים של החיישן.
לנתח את הנתונים בשיטות המתוארות בכתב היד. ניתן לתכנת את המערך כך שייקח ספקטרום ברציפות כאשר אנליטים נשאבים לתוך התעלה הנימים. בחלק העליון יש קבוצה של ספקטרום שנלקח כמתנול, ואז מים, ואז אתנול נשאב לנימים.
הספקטרום נלקח ברצף מאדום לכחול. איור זה מציג את ספקטרום ההספק של כל ספקטרום פלואורסצנטי. הרכיב ה-40 מייצג את תנודת מצב הגלריה הלוחשת העיקרית הנצפית.
הפרשי הפאזה עבור הרכיב ה-40 הומרו לשינויים באורך הגל ושורטטו כפונקציה של זמן. כפי שניתן לראות כאן. פסי השגיאה מייצגים סטיית תקן אחת של משמרת השיא עבור 60 מדידות.
הכניסה מציגה את הרגישות הממוצעת על פני טווח מקדם השבירה ממתנול לאתנול. שימו לב שניתוח נתוני סדרות הזמן הרציפות חושף בליטה בנתוני ההסטה בין מים למתנול. זה עולה בקנה אחד עם נוכחותו של אזור ערבוב קטן עם מקדם שבירה גבוה יותר משני הפאזה הטהורה לאחר שליטה.
ביצוע טכניקה זו יכול להימשך מספר שעות, אך עד כמה ימים להשלים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה דן בפיתוח של טכנולוגיית חיישן מיקרופלואידי המשתמשת בחיישני מיקרו-חלל (microcavity) בעלי ליבה פלורסצנטית. חיישנים אלו מנצלים ציפוי נקודות קוונטיות בעלות מקדם שבירה גבוה בתוך מיקרו-קפילריות סיליקה כדי לנתח שינויים במקדם השבירה של נוזלים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מיקרופלואידיקה
- טכנולוגיית חיישנים
- מיקרוסקופיה פלואורסצנטית
רקע
- חיישנים מיקרופלואידיים חיוניים לניתוח תכונות של נוזלים.
- נקודות קוונטיות מספקות פלואורסצנציה מוגברת לצורך זיהוי.
- שינויים במקדם השבירה עשויים להעיד על הרכב הנוזל.
- מיקרו-קפילריות סיליקה מתאימות להובלת נוזלים.
מטרת המחקר
- להכין חיישנים מיקרופלואידיים באמצעות נקודות קוונטיות מסיליקון.
- להעריך את ביצועי החיישנים הללו עם דגימות שונות.
- לחבר את החיישנים למערכות שאיבה מיקרוסקופיות להחדרת האנליט.
שיטות שבהן נעשה שימוש
- הכנה של קפילריים מצופים בנקודות קוונטום של סיליקון.
- בדיקת דגימות לתאימות לחיישן.
- שילוב עם מערכות מיקרו-שאיבה.
- איסוף וניתוח של ספקטרומים פלואורסצנטיים.
תוצאות עיקריות
- ייצור מוצלח של חיישנים מיקרופלואידיים.
- הדגמה של יכולות חישוש מדד שבירה.
- מיקרוסקופיה פלואורסצנטית ניתחה ביעילות דגימות נוזלים.
- התוצאות מעידות על פוטנציאל ליישומים שונים בניתוח נוזלים.
מסקנות
- חיישני מיקרו-חלל בעלי ליבה פלואורסצנטית הם ברי-יישום עבור אנליזה של נוזלים.
- טכנולוגיית נקודות קוונטיות משפרת את ביצועי החיישן.
- מחקרים עתידיים עשויים להרחיב את היישומים בתחומים מגוונים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
חיישני מיקרו-חלל עם ליבה פלואורסצנטית המשתמשים בנקודות קוונטום של סיליקון מאפשרים אנליזה רפרקטומטרית בעלת רגישות גבוהה בסביבות מיקרו-פלואידיות, ובכך תומכים בתהליכי גילוי בשלבים מוקדמים של ביו-פארמה. החשיפה ללא מגע ותאימותם לאנליטים מגוונים מקלות על פיתוח בדיקות חסונות והפחתת סיכונים מכניסטיים. טכנולוגיה זו מגבירה את הביטחון החזוי בנקודות תפנית קריטיות בשרשרת המחקר והפיתוח.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- תומך בחקירה של אינטראקציות ביולוגיות בשלב הנוזלי ללא מגע ישיר עם האנאליט.
- מאפשר תיקוף פונקציונלי של קישור למטרה באמצעות שינויים במדד השבירה.
- מסייע בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי בידוד תגובת שכבת הנקודות הקוונטיות לשינויים סביבתיים.
- מספק פלטים ספקטרליים כמותיים לסריקה מונחית-השערה.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מספק ספקטרום פלואורסצנציה כמותי וניתן לשחזור לצורך סטנדרטיזציה של בדיקות.
- מכין מערכות מיקרופלואידיות מאושרות להערכת תרכובות בשלבים הבאים.
- מאפשר ניתוח רב-ערוצי (multiplexed) וניתן להרחבה באמצעות מערכי מיקרו-קפילריות.
- תומך בסריקה מהירה של תכונות נוזלים הרלוונטיות לתהליכי עבודה בביו-פארמה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מציע פוטנציאל לשילוב עם זיהוי של סמנים ביולוגיים בנוזלים הרלוונטיים למחלה.
- שומר על רצף תרגומי על ידי מזעור הסיכון לזיהום הדגימה.
- מספק זיהוי רגיש לצורך תיקוף של מערכות מודלים פרה-קליניות.
- מאפשר קבלת החלטות לגבי קידום המהלך המותאמות לסיכון, על בסיס נתונים ספקטרליים חסונים.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
שיטה זו לחשיפה רפרקטומטרית המבוססת על מיקרו-חללי תהודה (microcavity) מתאימה לכל השלבים, החל מגילוי ראשוני דרך פיתוח בדיקות ועד לתיקוף פרה-קליני, ותומכת הן בבדיקת היפותזות והן באנליזה כמותית.
- ביולוגיה של גילוי: מאפשרת בידוד של משתנים בלתי תלויים ומדידה ישירה של הסטות ספקטרליות המושרות על ידי נוזלים.
- סריקה: מספקת פלטים פלואורסצנטיים סטנדרטיים וניתנים לשחזור לצורך מוכנות של הבדיקה.
- אנליטיקה: מספקת נתונים כמותיים של הסטת אורך גל לצורך ניתוח השוואתי בין תנאים שונים.
- מחקר תרגומי: תומכת בהתאמת סממנים ביולוגיים ובהמשכיות ממודלים in vitro למודלים פרה-קליניים.
- שימוש חוזר ארגוני: מציעה פלטפורמת חישה מודולרית וניתנת לשימוש חוזר, הניתנת להתאמה להקשרי מו"פ מרובים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזוי ומפחית עמימות מכניסטית במבחנים בשלב הנוזלי.
- ערך תפעולי: משפר את הסטנדרטיזציה, השחזוריות והניתנות להרחבה של תהליכי עבודה בחשיבה מיקרופלואידית.
- ערך אסטרטגי: משפר את איכות קבלת ההחלטות (go/no-go) ואת היעילות ההונית על ידי הפיכת אנליזות בשלבים מוקדמים ליציבות.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכונים ובקידום של תוכניות גילוי.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות במיקרופלואידיקה, בכימיה של נקודות קוונטיות ובספקטרוסקופיה של פלואורסצנציה.
- נדרשת גישה לציוד למיקרו-ייצור מדויק ולניתוח ספקטרלי.
- נדרשת סטנדרטיזציה קפדנית בין צוותים להכנת דגימות ולניתוח נתונים.
- התאמה למערכות מודל שונות עשויה לדרוש פונקציונליזציה של פני השטח עבור אנליטים ספציפיים.
- הכנת הדגימות רגישה לטעויות קטנות, המשפיעות על תנובת המכשירים ועל השחזוריות.
