Sintesi e funzionamento del fluorescente-core microcavità per il Rilevamento rifrattometrico

L'obiettivo generale di questa procedura è sviluppare una tecnologia di sensori microfluidici. Questo viene raggiunto innanzitutto fabbricando potenziali dispositivi codificando capillari con lo strato di punti quantici al silicio. Il secondo passo consiste nel determinare quali dei campioni soddisfano i requisiti fondamentali per essere utilizzati come sensore.

Successivamente, un dispositivo sensore viene collegato a un sistema di pompaggio microscopico per consentire l'introduzione degli analiti. L'ultimo passaggio consiste nella raccolta degli spettri fluorescenti e nell'analisi dei risultati. Infine, la microscopia a fluorescenza viene utilizzata per mostrare il rilevamento refrattometrico di fluidi in un canale capillare.

I principali vantaggi di questo dispositivo comprendono le ridotte dimensioni, la compatibilità con la microfluidica e il fatto che si può facilmente immaginare un dispositivo completo realizzato a partire da un insieme di componenti relativamente economici. Grazie al canale microfluidico, qualsiasi fluido può essere pompato all'interno della capillare. La parte più difficile consiste nel funzionalizzare la superficie al fine di legare analiti specifici.

Questo dispositivo ha un'ampia gamma di possibili applicazioni, come la sicurezza alimentare, l'analisi delle acque sotterranee o persino l'assistenza sanitaria. La parte più difficile di questo dispositivo è che la preparazione del campione è molto delicata e il tasso di successo è molto basso, poiché anche il minimo errore può portare al fallimento della preparazione del campione. Una dimostrazione visiva di questa tecnica contribuisce ad aumentare il tasso di successo.

Iniziare con la preparazione delle microcapillari. Ottenere capillari in silice da un fornitore commerciale. Scegliere un diametro interno di circa 25-30 micrometri per risonanze spettrali più ampiamente separate, oppure un diametro interno di circa 100 micrometri.

Per risonanze più ravvicinate con fattori di qualità più elevati, diametri esterni maggiori garantiranno microcavità più resistenti e facili da manipolare. Successivamente, utilizzare un cleaver a fibra di diamante per tagliare pezzi di capillare lunghi circa 10 centimetri dal rotolo. Ogni pezzo costituisce un singolo campione.

Riscaldare i campioni in un forno tubolare a 650 gradi Celsius per un'ora in atmosfera di ossigeno. Questo processo rimuove la guaina colorata in poliammide, esponendo la capillare di silice all'interno. Attendere che i campioni ritornino alla temperatura ambiente prima di procedere.

Acquisire idrogeno YLS OX o HSQ in una delle sue soluzioni ossidiche fluide e regolare la sua concentrazione in un intervallo appropriato per la formazione di punti quantici. Ciò richiederà alcune prove ed errori per un capillare. Con un raggio compreso tra 25 e 30 micrometri, una soluzione di circa il 25% in peso rappresenta un buon obiettivo.

Una volta completati i passaggi preparatori, produrre un capillare rivestito immergendo i capillari preparati nella soluzione di HSQ e ossido fluido. Il menisco dovrebbe essere visibile mentre la soluzione risale nel canale. Quando il menisco raggiunge la sommità, rimuovere il capillare e posizionarlo in un bicchiere o in un crogiuolo in posizione inclinata.

Ripetere questa procedura per 20-30 capillari utilizzando due concentrazioni diverse di soluzioni HSQ. In peso, mentre i capillari vengono riempiti in aria, la soluzione ossidica fluida viene mantenuta refrigerata all'interno di una camera a gas inerte, se possibile, per minimizzare l'esposizione della soluzione all'ossigeno e al vapore acqueo. I punti quantici si formano nella matrice di silice.

Durante il processo di ricottura, posizionare i capillari in un forno impostato per aumentare la temperatura da quella ambiente a 300 gradi Celsius in 30 minuti. Mantenere tale temperatura per tre ore, quindi aumentare fino a 1100 gradi Celsius in 45 minuti e mantenere tale temperatura per un'ora. Lasciare raffreddare lentamente il capillare fino alla temperatura ambiente in circa 12 ore.

Questo processo produce da 20 a 30 capillari le cui pareti sono ricoperte da uno strato di punti quantici fluorescenti incorporati in una matrice di silice. Per caratterizzare i campioni, utilizzare un microscopio a fluorescenza in grado di eseguire sia imaging che spettroscopia nell'intervallo di lunghezze d'onda da 700 a 900 nanometri. Posizionare una fila dei capillari selezionati sulla piastra in modo che sia facile spostarsi tra di essi.

Per un'analisi visiva rapida, eccitare ogni capillare con radiazione blu o ultravioletta, sia nello spazio libero sul palchetto del microscopio sia direttamente attraverso l'obiettivo. Utilizzando un filtro dicromatico, osservare la fluorescenza dei capillari mediante l'oculare o una fotocamera a colori. Se la fabbricazione è stata eseguita correttamente, i capillari mostreranno una fluorescenza rossa intensa; capillari che mostrano una fluorescenza giallo-arancione o assenza di fluorescenza indicano una bassa concentrazione di HSQ durante la fabbricazione.

Questi devono essere scartati insieme a quelli con un film incrinato o con una superficie irregolare. Gli spettri dei punti quantici devono essere intensi nell'intervallo da 700 a 900 nanometri. Gli spettri registrati dalla parete interna della capillare devono mostrare forti oscillazioni dovute alla presenza di una modalità di galleria sussurrante; scartare tutti i campioni che non mostrano evidenza di questa modalità.

Successivamente, preparare i campioni per l'analisi metrica refrattaria. Utilizzare un adesivo appropriato per fissare ciascuna estremità di un capillare candidato a un tubo in polietilene o simile, al fine di convogliare i fluidi all'interno e all'esterno del capillare. Dopo aver incollato il primo tubo, attendere che si indurisca prima di tentare di incollare l'altro lato.

Il diametro interno dei tubi deve essere leggermente superiore al diametro esterno della capillare. Prestare attenzione per evitare che l'adesivo penetri nel canale capillare e lo ostruisca. Successivamente, collegare il tubo alla siringa e al sistema di micro-pompaggio.

Prepararsi a pompare composti con indici di rifrazione noti, come metanolo, etanolo e acqua. Pompare ogni liquido singolarmente all'interno della capillare per determinare la sensibilità metrica del dispositivo rispetto all'indice di rifrazione. Registrare gli spettri con ciascun liquido presente all'interno della capillare.

Utilizzare un analizzatore nel percorso della luce per misurare gli spostamenti delle modalità di Whispering Gallery con ciascuna soluzione diversa nel capillare. Se non si osserva alcuno spostamento, il film quantistico è troppo spesso e il capillare deve essere scartato. I campioni di successo presentano tipicamente una sensibilità compresa tra cinque e 15 nanometri per soluzione.

I dati in unità di indice di rifrazione vengono raccolti utilizzando l'allestimento refrattometrico. Iniziare acquisendo uno spettro di riferimento di un capillare sensore per applicazioni di biosensing. Questa operazione deve essere eseguita dopo che la superficie del canale è stata funzionalizzata.

Per raggiungere specificamente bassi limiti di rilevamento, è necessario adottare precauzioni per minimizzare la deriva del campione. Utilizzare inoltre uno standard di calibrazione per correggere lo spettrometro in lunghezza d'onda e intensità. Infine, acquisire i dati spettrali introducendo l'analita nel capillare del sensore.

Analizzare i dati con i metodi descritti nel manoscritto. L'apparato può essere programmato per acquisire spettri in modo continuo mentre gli analiti vengono pompati nel canale capillare. In alto è mostrato un insieme di spettri registrati mentre venivano fatti passare nel capillare metanolo, poi acqua e infine etanolo.

Gli spettri sono stati acquisiti in sequenza dal rosso al blu. Questa figura mostra lo spettro di potenza principale di ciascuno spettro fluorescente. La componente 40 rappresenta l'oscillazione principale del modo di risonanza a galleria sussurrante osservabile.

Le differenze di fase per la componente 40esima sono state convertite in spostamenti di lunghezza d'onda e riportate in funzione del tempo. Come mostrato qui. Le barre di errore rappresentano una deviazione standard dello spostamento del picco per 60 misurazioni.

L'ingrandimento mostra la sensibilità media nell'intervallo di indice di rifrazione compreso tra metanolo ed etanolo. Si noti che l'analisi dei dati di serie temporali continue rivela un picco nei dati di spostamento tra acqua e metanolo. Questo è coerente con la presenza di una piccola regione di miscelazione con un indice di rifrazione superiore rispetto a quello di ciascuna fase pura. Una volta padroneggiato.

Questa tecnica può richiedere alcune ore per essere eseguita, ma anche fino a qualche giorno per essere completata.