Synthese en Werking van TL-core microcavities voor Refractometermethode Sensing

Samenvatting

Fluorescent-core microcavity sensoren gebruiken een hoge-index quantum dot-coating in het kanaal van silica microcapillaries. Veranderingen in de brekingsindex van vloeistoffen gepompt capillaire kanalen leiden tot verschuivingen in de microcavity fluorescentie spectrum die kunnen worden gebruikt om het kanaal medium analyseren.

Samenvatting

Dit document bespreekt fluorescerende kern microcavity-gebaseerde sensoren die kan werken in een microfluïdische analyse setup. Deze structuren zijn gebaseerd op de vorming van een fluorescerende quantum dot-(QD) coating op het kanaal oppervlak van een conventionele microcapillair. Silicon QDs zijn vooral aantrekkelijk voor deze toepassing, mede door hun te verwaarlozen toxiciteit ten opzichte van de II-VI en II-VI verbinding QDs, die wetgevend zijn stoffen waarvan de controle in vele landen. Terwijl het ensemble emissiespectrum is breed en featureless een Si-QD film op de kanaalwand van een capillair een stel scherpe, smalle pieken in het fluorescentiespectrum, overeenkomend met de elektromagnetische resonanties voor licht gevangen in de film. De piekgolflengte van deze resonanties gevoelig is voor de externe medium, waardoor het mogelijk de inrichting te functioneren als een refractometrische sensor waarin nooit QDs in fysiek contact komen met de analyt. De experimentelewerkwijzen in verband met de fabricage van de fluorescerende kern microcapillaries in detail besproken, evenals de analysemethoden. Tenslotte wordt een vergelijking gemaakt tussen deze structuren en het breder onderzocht vloeistof kern optische ringresonatoren qua microfluïdische sensing mogelijkheden.

Inleiding

Chemische detectie systemen die slechts kleine monstervolumes vereist en die kan worden opgenomen in de hand gehouden of veld bediende inrichtingen kunnen leiden tot de ontwikkeling van tal van nieuwe technologieën. Dergelijke technologieën kunnen zijn veld diagnostiek voor ziekten en ziekteverwekkers, ¹ milieucontaminanten, ² en voedselveiligheid. ³ Verschillende technologieën worden actief onderzocht voor microfluïdische chemische sensoren, met apparaten op basis van de fysica van het oppervlak plasmonresonanties (SPR) tot de meest geavanceerde. ⁴ Deze sensoren zijn nu voor het opsporen van vele specifieke biomoleculen en hebben bereikt commercieel succes, maar voornamelijk als grotere schaal lab-apparatuur. ⁵

In de afgelopen jaren zijn optische microcavities gestegen concurreren met SPR-gebaseerde systemen. Microcavities kan zijn verbazingwekkend gevoelig, met bewezen vermogen om te detecteren enkele virussen ⁶ en misschien zelfs enkele biomoleculen ^{7 (de laatste blijft het onderwerp van discussie, 8 maar er is geen twijfel dat de massa detectielimieten zijn kleine 9). In microcavities de detectie mechanisme vertrouwt op veranderingen in de optische resonanties veroorzaakt door de aanwezigheid van een analyt in de elektrische veldprofiel van de resonantie. Meestal zal een bepaald analyt ertoe leiden dat de resonantie in te veranderen in het centrum van de frequentie, zichtbaarheid, of lijnbreedte. Zoals bij SPR systemen kunnen microcavities als aspecifieke refractometrische sensors of als biosensoren gefunctionaliseerd voor een specifieke analyse.}

Diëlektrische microstructuren met een cirkelvormige doorsnede (bijv. microsferen, schijven of cilinders) worden gekenmerkt door elektromagnetische resonanties wel de Whispering Gallery modes of WGMs een term uit naar Lord Rayleigh het onderzoek van analoge akoestische effecten ^10. Wezen een optische WGM treedt op wanneer een golf circumnavigates de cirkelvormige dwarsdoorsnede sectie door totale interne reflectie, en keert terug naar het startpunt in fase. Een voorbeeld van een elektromagnetische resonantie een silica microsfeer wordt getoond in figuur 1a. Deze resonantie wordt gekenmerkt door een maximum in de radiale richting (n = 1), terwijl in totaal 53 golflengten passen rond de evenaar (l = 53) zijn waarvan slechts enkele getoond. Het verdwijnende deel van de veldsterkte in het medium uitstrekt buiten het gebied grenzen, vandaar de microsfeer WGM voelt het externe medium.

Capillairen een bijzonder interessant voorbeeld van een WGM gebaseerde sensor. In een capillair cilindrische WGMs kan vormen rond de cirkelvormige doorsnede, vergelijkbaar met het geval van een bol. Als de capillaire wand zeer dun is, een deel van het elektromagnetische veld zich in het capillair kanaal (Figuur 1b). Aldus kan een capillaire een microfluïdische sensor voor analyten geïnjecteerd in het kanaal. Dit is de basis van de werking van de vloeibare kern optische resonator ring (LCORR). LCORRs ¹¹ afhankelijk van de verdwijnende koppeling van licht van een precisie afstembare laser bron tot de WGMs sonde. Een belangrijk aspect van de LCORR dat de capillaire wanden moet dun zijn (~ 1 pm) dat de mode monsters het kanaal medium waarborgen. Dit stelt een aantal problemen op hun fabricage en zorgt dat ze mechanisch kwetsbaar.

In ons werk hebben we een alternatieve structuur noemen we een fluorescerende kern microcavity (FCM). ^12,13 Een FCM vormen, voorzien wij de kanaalwanden van een capillair met een hoge brekingsindex fluorofoor (specifiek een laag oxide-embedded silicium quantum dots). De hoge index van de film moet de uitgezonden straling beperken en zo aan de WGMs (figuur 1c). In tegenstelling tot de LCORR in een FCM de modi weergegeven als scherpe maxima in een uitgezonden fluorescentie spectrum. De dikte van defilm is van cruciaal belang, maar als het te dik is de WGM niet genieten van het medium in de capillair kanaal, en als het te dun is de optische opsluiting verloren gaat en de WGMs te zwak wordt. Dus de vervaardiging van een FCM is een lastig proces, waarbij zorgvuldige voorbereiding. Dit is het belangrijkste onderwerp van de huidige papieren.

Protocol

1. Bereiding van Materials

1. Microcapillaries verkrijgen silica capillairen van een commerciële leverancier. Wij kopen onze haarvaten van Polymicro Technologies. Kies een kleine binnendiameter (~ 25 tot 30 micrometer) voor meer uiteengelegen spectrale resonanties (een grotere vrije spectrale bereik) of een grotere binnendiameter (~ 100 pm) voor dicht bij elkaar gelegen resonantie met hogere kwaliteit factoren. Een grote buitendiameter zorgt FCM duurzaam en gemakkelijk te manipuleren.
   1. De haarvaten zijn voorzien van een gekleurde polyimide jas, die eerst verwijderd moet worden. Snijd ongeveer 10-cm stukken van capillair van de rol, met behulp van diamant vezelmes. Elk stuk is een enkel monster. Verhit worden in een buisoven bij 650 ° C gedurende een uur in zuurstof om de afgezette coating. Dit proces verwijdert de jas materiaal, waardoor de silica in capillair. Na afkoelen tot kamertemperatuur, verwijder de capillaries van de verwarming boot.
2. Waterstof silsesquioxaan oplossingen Waterstof silsesquioxaan (HSQ) zou van H ₁₂ Si ₈ O ₁₂ moleculen bestaan ​​met een kooi-achtige structuur. ¹⁴ Dit materiaal is commercieel verkrijgbaar bij Dow Corning. Koop de HSQ in een van de Fox-serie (flowable oxide) oplossingen, zoals Fox-15. Deze oplossingen zijn duur en hebben een beperkte houdbaarheid, zodat nauwkeurige planning nodig. Verdamping van het oplosmiddel MIBK wordt een HSQ concentratie van ongeveer 18% gew. Als de HSQ concentratie te laag is, kan quantum dots geen deel in de film. Als het te hoog is, kan de films te dik en delamineren van het capillair kanaal oppervlak. In onze ervaring, voor een capillair met een 25-30 micrometer binnendiameter, een Fox oplossing die ~ 25 gew.% HSQ is het beste. Aldus kan het nodig zijn om verdampen of voeg meer HSQ oplosmiddel (zorg dat het droog is) om het aanpassenconcentratie. Of een verdunning of concentratie nodig is moeilijk te bepalen zonder trial and error, dat wil zeggen zelf monsters en de resultaten bekijken, zoals hieronder besproken.

2. Fabricage van gecoate Haarvaten

1. Het vullen van de capillaire Neem de stukken van capillaire bereid in stap 1.1 en dompel ze in de vos oplossing. Als een capillair in de oplossing moet kunt u de meniscus visueel volgen het kanaal, de oplossing wordt getrokken in de capillair (figuur 2a).
   1. Als de meniscus de top bereikt, verwijder de capillaire en plaats deze in een glas gloeien smeltkroes. Het nu volledig gevuld met Fox oplossing. Herhaal dit voor zo veel monsters mogelijk te maken, om de kans op succes te vergroten. We hebben doorgaans batches van 20-30 en het gebruik van twee verschillende concentraties van HSQ oplossingen door het gewicht. We vullen de haarvaten in de lucht, maar het houden van thij FOX oplossing gekoeld in een handschoenenkast wordt aanbevolen indien mogelijk, om de blootstelling van de oplossing zuurstof en waterdamp minimaliseren. Zelfs kleine blootstelling kan leiden tot gelering van de oplossing.
2. Gloeien Onthard de haarvaten in een twee fasen. Gloeien verdampt het oplosmiddel en zakt de HSQ kooistructuur, die een SiO _x film hecht aan de kanaalwanden. Annealing bij hogere temperaturen disproportionates de SiO _x film in Si quantum dots gedispergeerd in een silica matrix. Het uitgloeien wordt aan een 30 minuten helling van kamertemperatuur tot 300 ° C, een verblijftijd gedurende 3 uur om het oplosmiddel te verdampen, vervolgens een helling tot 1100 ° C in 45 min en een verblijftijd gedurende een uur precipiteren QDs.
   1. Laat de capillairen langzaam afkoelen (~ 12 hr) terug tot kamertemperatuur. Dit verkleint stress kraken van de film afgezet op de capillairwand. Andere gloeien protocollen kunnenWaarschijnlijk worden gevolgd en kunnen meer betrouwbaar, maar een hoge temperatuur hybridiseren stadium 1,000-1,100 ° C is altijd nodig om de QDs vormen. Aan het einde van deze stap, moet men (hopelijk) 20-30 capillairen met een laag van fluorescerende QDs ingebed in een matrix silica coating de kanaalwanden.

3. Kenschetsing

1. Steekproefsgewijze controle De fluorescentie microscoop waarop de haarvaten worden gemonteerd, moeten zowel beeldvorming en spectroscopie uit te voeren in de 7-900 nm golflengte. Epifluorescentie of confocale opstellingen zijn geschikt voor dit doel. Plaats een rij van de kandidaat capillairen op het podium zodat het makkelijk tussen ze naar snelle visuele analyse (Figuur 2b). Prikkel de capillair met blauwe of UV-straling, hetzij in de vrije ruimte op de microscoop podium, of rechtstreeks via het objectief met behulp van een dichroic filter, en let op de fluorescentie beeld met behulp van de oculairsof een kleurencamera.
   1. Let op de capillaire fluorescentie. Als de fabricage succesvol was, zal de haarvaten vertonen een heldere rode fluorescentie. Dit is de eerste aanwijzing van een gunstige monster. Capillairen vertonen oranje-gele fluorescentie (in plaats van de rode kleur die bij de QDs) in het algemeen niet de gewenste optische eigenschappen. Deze monsters hebben ook de neiging om vaker te vormen in oplossingen met een lage HSQ concentratie. Sommige capillairen vertoont geen fluorescentie op alle, in dit geval de QD film niet gevormd en het capillair kan worden verwijderd (glas kruizen). Dit is een aanwijzing dat de oplossing niet zijn getekend in de capillaire, of het kan zijn deficiënt in HSQ. Tot slot kunnen sommige monsters vertonen een gebarsten of getextureerde film, deze kunnen ook worden weggegooid.
   2. Gooi alle monsters in de vorige stap uitzondering dat het heldere rode fluorescentie karakteristiek van silicium QDs tonen.
2. Controleer de aanwezigheid van WGMs in de fluorescentie spectra Controleer het beeld is geplaatst, zoals gewenst op de ingangsspleet van de spectrometer en verzamel een fluorescentiespectrum. Stel de verzameltijd om een ​​aanvaardbare signaal-ruisverhouding produceert. Voer golflengte en intensiteit kalibraties zoals vereist. De QD spectra moet intens in het golflengtegebied 700-900 nm. Spectra uit het gebied dat overeenkomt met de capillaire binnenwand moet vertonen sterke trillingen door de aanwezigheid van de cilindrische Whispering Gallery modes (WGMs), dit is de tweede naar laatste voorwaarde van een succesvolle refractometrische sensor.
   1. Sommige monsters mag een heldere rode QD fluorescentie, maar gebrek aan WGM oscillaties in het spectrum. Dit is een indicatie dat de QD film gescheurd of gedelamineerd van de capillaire wand, die de optische resonanties vernietigt. Gooi haarvaten zonder WGMs. Op dit punt alleen de (meestal small) fractie van monsters die de sensor blijven voldoen. Er is nog een uit te voeren test.
3. Refractometrische Bevestig de kandidaat haarvaten polyethyleen, tygon, teflon of andere lijnen chemisch verenigbaar met de beoogde analyt oplossingen waarvan binnendiameter moet iets groter dan de buitendiameter capillair. De keuze van buis moet worden gemaakt niet reageren met de oplossingen worden gepompt in het capillair.
   1. Gebruik een goede lijm op de glazen capillaire aan de buis bevestigen, anders wordt de capillaire buis-interface zal lekken. We hebben redelijk goed succes met behulp van Norland NOA-76 of Mascot snellijm gel. De keuze van de lijm afhankelijk van de hechting aan het glas capillair en de buis, en een gebrek aan reactie met het kanaal vloeistoffen. Wees voorzichtig de lijm niet doorsijpelen in de capillaire kanalen en blokkeren.
   2. Interface de slangvia een spuit met een micropumping systeem. Verbindingen met bekende brekingsindices zoals methanol, ethanol en water kan gebruikt worden om de gevoeligheid van de refractometrische apparaat. Dit is de laatste test van een succesvolle sensor. Pomp elke vloeistof, een voor een, in het capillair, er voor zorgend dat de kleefband barsten tussen het capillair en de buis (figuur 2c).
   3. Verzamel spectra met elke vloeistof in de capillair. Gebruik een analysator in de lichtweg onderscheid tussen TE gepolariseerd WGMs (analyzer evenwijdig aan de as capillaire) en TM-gepolariseerd WGMs (analyzer haaks op de as capillair). Er moet een verschuiving in de golflengte van de WGM resonanties, hetzij TE of TM, dat voor elk andere oplossing in het capillair. Als er geen waarneembare verschuiving, de quantum dot-film is te dik en de WGMs onvoldoende proeven het kanaal medium. In succesvolle voorbeelden zien we gevoeligheden meestal tussen de 5 en 15 nmper oplossing brekingsindex unit (RIU). Bijna alle monsters die aantonen WGMs doen tonen een meetbare gevoeligheid, maar meestal slechts een klein deel van bereide capillairen zal WGMs.

4. Data-analyse

1. Verkrijgen fluorescentiespectra Neem een spectrum van de fluorescentie van het monster. Voor biosensing toepassingen, het kanaal oppervlak moet eerst worden gefunctionaliseerd voor specifieke te analyseren. Het oppervlak van de film hoofdzakelijk QD silica, zoveel oppervlaktemodificatie voorschriften bestaan. Ongeacht de toepassing, de laatste stap is de data verwerking en analyse.
   1. Het bereiken van lage detectiegrenzen vereist het meten van kleine spectrale verschuivingen-ideaal van de "shift resolutie" moet aanzienlijk kleiner zijn dan de nominale spectrometer resolutie of toonhoogte. Wees voorzichtig in de spectrale verwerking als gevolg van deze. In het bijzonder, op vele imaging spectrometers het spectrum niet perfect horizontaal geprojecteerd op de CCD, waardoor indien tussen analyses het voorbeeld drijft verticaal op de spleet, false spectrale verschuivingen kunnen worden verkregen. Gebruik alle middelen die nodig zijn om ervoor te zorgen dat dit niet gebeurt, bijvoorbeeld gebruik maken van een kalibratie standaard om de hoek van het geprojecteerde spectrum bepalen, en voor het corrigeren, minimaliseren monster drift, en ervoor te zorgen dat dezelfde CCD pixels worden gebruikt om alle spectra te verkrijgen .
      Een voorbeeld spectraal beeld is weergegeven in figuur 3, waar de modes lijken sterk oscillaties op locaties die overeenkomen met de kanaalwanden. Gebruik een computer Mathematica code (of wat de groep voorkeur) de spectrale beelden, output de 1D spectrale gegevens en voert curve fitting en Fourier analyse van de WGM verschuivingen, zoals hieronder beschreven importeren.
2. Curve fitting Bepaal de WGM piek golflengte van kleine spectrale verschuivingen als gevolg van analyten gemeten in de FCM-kanaal. Plaats een single mode naar een functie die de spectrale vorm beschrijft - dit is een gebruikelijke manier om de top positie te verkrijgen. In het ideale geval zal dit een Lorentz-functie (met de juiste omzetting van golflengte frequentie apparaten via δλ = │-cδf / f ² │ waarbij c de snelheid van het licht):
   
   In Eq. 1, A is een schaal parameter en f ₀ is de centrale frequentie. Helaas, FCM's zijn niet het ideale geval.
   1. In cilindrische holten de WGMs zijn scheef naar hogere frequenties, waarschijnlijk door de ontwikkeling van spiraalvormige resonanties (WGMs met een nul axiale component van de golfvector). Lorentz ¹⁵ past dus slecht presteren voor het bepalen van de piekpositie. Helaas, er is geen functie ebij past een verdeling van overlappende Lorentzians van de spiraalvormige WGMs. In eerder werk ¹⁶ we gesuggereerd dat een scheve Lorentz ¹⁷ zou een betere pasvorm te geven:
      
      Hier zijn a en b parameters scheeftrekken. Zoals te zien in figuur 4, Eq. 2 geeft wel een betere fit met de data dan Eq. 1, maar helaas het heeft geen fysieke basis in de theorie van WGMs.
3. Fourier analyse shift alternatief kunnen de data worden verwerkt volgens een discrete Fourier transformatie, en de overeenkomstige faseverschuivingen gemeten vanaf de Fourier spectrum. Deze methode maakt gebruik van de periodiciteit van het gehele spectrum, in tegenstelling tot met een arbitraire WGM. Het meet niet de piek golflengte positie, maar in plaats daarvan meet een algemene verschuivingvan een bepaalde WGM spectrum met betrekking tot een willekeurige referentie spectrum.
   1. Gebruik het faseverschil Δφ de krachtige Fourier component die overeenkomt met de voornaamste WGM spectrale oscillatie verkrijgen spectrale verschuiving. Dit komt overeen met een echte WGM frequentieverschuiving van:
      Af = Δφ (f _max - _min f) / (2πk),
      waarin f _{min en} fmax zijn de minimale en maximale frequentie in de spectra. Echter veel informatie worden verwijderd wanneer alleen de hoofdcomponent gebruikt, daarnaast truncatie problemen kan het moeilijk te bepalen welke component de belangrijkste is. Vaak de beste resultaten vereist wat trial and error over welke Fourier componenten te selecteren.
   2. De verschuiving stelling gebruikt in plaats van alle Fourier componenten. Dus voor een pure verschuiving wordt elke individuele component verschoven evenredig met k (met kwaarbij de component nummer). Met andere woorden, δφ _k = mk, waarbij de evenredigheid m is een maat voor de werkelijke verandering. De totale frequentieverschuiving wordt dus gegeven door:
      Af = m (f _max - _min f) / (2π).
      Dit vereist m worden met behulp van lineaire fit aan de faseverschillen ΔΦ _k voor sommige of alle van de Fourier componenten.
   3. Voor de echte gegevens, de lineaire relatie ΔΦ _k = mk zal moeten onzekerheid ten gevolge van lawaai en achtergrond signaal, dat een significant effect kan hebben in de low-power Fourier componenten. Aldus bevelen wij een gewogen lineaire fit, waarbij het ​​gewicht van elke component is evenredig aan de kracht om de helling van de ΔΦ _k vs verkrijgen k grafiek. Het spectrum kan worden gefilterd rondom het element voor de montage zowel hoge frequenties (n verwijderenoise) en lage frequenties (losgekoppeld fluorescentie achtergrond). De frequentie verschuift van Eq. 4 worden omgezet in golflengte eenheden.
   4. Anders dan voor curve fitting wordt een WGM "golflengte" nooit verkregen, maar een golflengteverschuiving wordt gemeten over de gehele spectrum met betrekking tot een willekeurige referentie spectrum. De procedure wordt dan herhaald voor elke spectrum te analyseren. De stappen van deze procedure zijn de volgende:
      1. Converteer de spectra in de frequentie-eenheden naar een constante vrije spectrale bereik te garanderen.
      2. Kies de referentie-dataset (dwz de eerste WGM fluorescentie spectrum) van waaruit alle verschuivingen zullen worden gemeten.
      3. Interpoleren de spectra uniforme frequentie-afstand te verkrijgen ^18.
      4. Voer een discrete Fourier transformatie om de kracht en fasecomponenten van elk spectrum verkregen.
      5. Zoek de faseverschillen voor alle k componenten van een gegeven WGMspectrum waarvan de omschakelwaarde gewenst, ten opzichte van de referentie spectrum.
      6. Vind de faseverschuiving met het faseverschil van de hoofdzone Fourier component alleen, of een gewogen lineaire fit aan de geselecteerde componenten. Dit geeft de faseverschuiving Af en δλ tussen de WGM spectrum en de referentie-spectrum.
      7. De fouten in de spectrale verschuivingen (de detectielimiet) kan worden gemeten door het verzamelen van herhaalde spectra voor dezelfde analyt. Onzekerheid in de gevoeligheid worden verkregen van de fout in de gewogen lineaire fits als meerdere componenten gebruikt.

Herhaal de stappen 1-7 voor elke analyse. Hoewel deze procedure klinkt ingewikkeld, na de initiële implementatie van de procedure is eenvoudig te automatiseren, zodat grote datasets voor serieproductie kunnen worden verwerkt om de verschuivingen te vinden. We gebruiken een Mathematica-code speciaal geschreven for deze procedure, zodat de volledige datasets voor serieproductie kunnen worden verwerkt "met een druk op de knop". In principe kan de spectrale verschuivingen zelfs berekend "live", maar we hebben dit nog niet gedaan.

Resultaten

Kleine afwijkingen in de capillaire fabricageprocedure kan leiden tot significante veranderingen in het monster slagingspercentage. In Figuur 5 (ad) tonen wij representatieve voorbeelden van niet capillairen en succesvol. Algemeen de visuele indicatie van een succesvol monster een rode fluorescentie gecombineerd met een hoge intensiteit in de capillaire wanden en een kenmerkloze interieur. De fluorescentie spectrum geeft ook duidelijk aan het verschil tussen succes en falen (figuur 5e)....

Discussie

Fluorescent-core microcavities kan worden gebruikt als refractometrische sensoren. Hoewel er voorbeelden van geïsoleerde "opgerold" microbuizen die kunnen fungeren als sensoren microfluïdische, ²² vergeleken met microbuisjes zal capillairen gemakkelijker te integreren in microfluïdische configuraties en aanzienlijke praktische voordelen, omdat zij gemakkelijk gehanteerd en gemakkelijk interface met een analyse setup. Fourier analyse met conventionele werkwijzen kunnen golflengte verschuivingen die t...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Tabel van materialen	Vennootschap	Catalogus #	Reacties
silica microcapillaries
flexibele microbore buis			polyethyleen, Tygon, etc
lijm	Mascot, Norland NOA
HSQ opgelost in MIBK			bijvoorbeeld., Fox-15
methanol
ethanol
gedestilleerd water