Synteza i działanie mikrownęk z rdzeniem fluorescencyjnym w detekcji refraktometrycznej

Ogólnym celem niniejszej procedury jest opracowanie technologii mikrofluidycznego czujnika. Jest to realizowane poprzez wstępne wykonanie potencjalnych urządzeń za pomocą powlekania kapilar warstwą kropek kwantowych z krzemu. Drugim krokiem jest określenie, które z próbek spełniają podstawowe wymagania niezbędne do zastosowania w charakterze czujnika.

Następnie urządzenie pomiarowe zostaje podłączone do mikrosystemu pompowego w celu wprowadzenia analitów. Ostatnim krokiem jest zebranie widm fluorescencji i analiza wyników. Ostatecznie wykorzystuje się mikroskopię fluorescencyjną, aby wykazać pomiar refraktometryczny cieczy w kanale kapilarnym.

Główne zalety tego urządzenia to niewielki rozmiar, kompatybilność z mikroprzepływami oraz fakt, że można łatwo zaprojektować kompletne urządzenie zbudowane z zestawu stosunkowo niedrogich komponentów. Dzięki zastosowaniu kanału mikroprzepływowego do wnętrza kapilary można wpompować dowolny płyn. Najtrudniejszym etapem jest funkcjonalizacja powierzchni w celu wiązania specyficznych analitów.

Urządzenie to ma szeroki zakres potencjalnych zastosowań, takich jak bezpieczeństwo żywności, analiza wód gruntowych czy nawet opieka zdrowotna. Najtrudniejszym elementem pracy z tym urządzeniem jest niezwykle precyzyjny proces przygotowania próbek, który charakteryzuje się niskim wskaźnikiem sukcesu, ponieważ najmniejszy błąd może doprowadzić do niepowodzenia w przygotowaniu próbki. Wizualna demonstracja tej techniki pomaga zwiększyć skuteczność procesu.

Zacznij od przygotowania mikrokapilar. Pozyskaj kapilary krzemionkowe od dostawcy komercyjnego. Wybierz średnicę wewnętrzną około 25 do 30 µm dla uzyskania szerzej rozdzielonych rezonansów widmowych lub średnicę wewnętrzną około 100 µm.

W przypadku rezonansów o mniejszym odstępie i wyższych dobrociach, duże średnice zewnętrzne zapewnią większą trwałość i łatwiejszą manipulację mikrokomorami. Następnie należy użyć diamentowego przecinaka do włókien, aby odciąć z rolki kawałki kapilary o długości około 10 centymetrów. Każdy taki odcinek stanowi pojedynczą próbkę.

Podgrzewaj próbki w piecu rurowym w temperaturze 650 °C przez jedną godzinę w atmosferze tlenu. Proces ten usuwa kolorową osłonkę poliamidową, odsłaniając znajdującą się wewnątrz kapilarę kwarcową. Przed kontynuacją odczekaj, aż próbki powrócą do temperatury pokojowej.

Należy pozyskać wodorek YLS OX lub HSQ w jednym z jego płynnych roztworów tlenkowych i dostosować jego stężenie do zakresu odpowiedniego dla formowania kropek kwantowych. W przypadku kapilary będzie to wymagało przeprowadzenia kilku prób i błędów. Przy promieniu od 25 do 30 µm dobrym celem jest roztwór o stężeniu około 25% wagowo.

Po zakończeniu kroków przygotowawczych należy sporządzić kapilarę powleczoną, zanurzając przygotowane kapilary w roztworze HSQ i tlenku przepływnego. W miarę wciągania roztworu do kanału powinien być widoczny menisk. Gdy menisk osiągnie górną krawędź, należy wyjąć kapilarę i umieścić ją w szklanym tyglu.

Powtórz tę procedurę dla 20 do 30 kapilar, stosując dwa różne stężenia roztworów HSQ. Podczas napełniania kapilar w powietrzu, roztwór tlenku w formie płynnej należy przechowywać w schłodzeniu w rękawicy laboratoryjnej, jeśli jest to możliwe, aby zminimalizować ekspozycję roztworu na tlen i parę wodną. Kropki kwantowe tworzą się w matrycy krzemionkowej.

Podczas procesu wyżarzania umieść kapilary w piecu, w którym temperatura powinna wzrosnąć z temperatury pokojowej do 300 °C w ciągu 30 minut. Utrzymuj tę temperaturę przez trzy godziny, następnie zwiększ ją do 1100 °C w ciągu 45 minut i pozostań w tej temperaturze przez jedną godzinę. Pozostaw kapilarę do powolnego schłodzenia do temperatury pokojowej w ciągu około 12 godzin.

Proces ten pozwala na otrzymanie od 20 do 30 kapilar, których ścianki są pokryte warstwą fluorescencyjnych kropek kwantowych osadzonych w matrycy krzemionkowej. W celu charakterystyki próbek należy użyć mikroskopu fluorescencyjnego umożliwiającego zarówno obrazowanie, jak i spektroskopię w zakresie długości fal od 700 do 900 nanometrów. Rząd wybranych kapilar należy umieścić na stoliku w taki sposób, aby możliwe było łatwe przemieszczanie się między nimi.

W celu szybkiej analizy wizualnej należy naświetlić każdą kapilarę promieniowaniem niebieskim lub ultrafioletowym, albo w wolnej przestrzeni na stoliku mikroskopu, albo bezpośrednio przez obiektyw. Przy użyciu filtra dichroicznego należy obserwować fluorescencję kapilar za pomocą okularu lub kamery kolorowej. Jeśli proces wytwarzania przebiegł pomyślnie, kapilary będą wykazywać jasną czerwoną fluorescencję; kapilary wykazujące fluorescencję żółto-pomarańczową lub brak fluorescencji wskazują na niskie stężenie HSQ podczas wytwarzania.

Należy je odrzucić wraz z próbkami, które mają pękniętą lub teksturowaną warstwę filmu. Widma kropek kwantowych powinny być intensywne w zakresie od 700 do 900 nanometrów. Widma pobrane z wewnętrznej ścianki kapilary powinny wykazywać silne oscylacje wynikające z obecności modu szeptalnej galerii; należy odrzucić wszystkie próbki, które nie wykazują dowodów na występowanie tego modu.

Następnie należy przygotować próbki do analizy wskaźnika refrakcyjnego. Za pomocą odpowiedniego kleju należy przytwierdzić każdy koniec badanej kapilary do rurek polietylenowych lub podobnych, aby umożliwić doprowadzanie i odprowadzanie płynów z kapilary. Po przyklejeniu pierwszej rurki należy odczekać do czasu utwardzenia kleju przed przystąpieniem do przyklejenia drugiej strony.

Średnica wewnętrzna rurek powinna być tylko nieco większa od średnicy zewnętrznej kapilary. Należy zachować ostrożność, aby klej nie przedostał się do kanału kapilary i go nie zablokował. Następnie należy połączyć rurkę ze strzykawką z systemem mikropompującym.

Należy przygotować związki o znanych współczynnikach załamania światła, takie jak metanol, etanol i woda. Każdy płyn należy pompować pojedynczo do kapilary, aby określić czułość urządzenia na zmiany współczynnika załamania. Należy zebrać widma dla każdego z płynów znajdujących się w kapilarze.

Użyj analizatora w torze świetlnym, aby zmierzyć przesunięcia modów galerii szeptów (Whispering Gallery modes) dla każdego z różnych roztworów w kapilarze. Jeśli nie zaobserwowano przesunięcia, oznacza to, że film kwantowy jest zbyt gruby i kapilarę należy odrzucić. Próbki pomyślnie przygotowane wykazują zazwyczaj czułość od 5 do 15 nanometrów na roztwór.

Dane dotyczące jednostek współczynnika załamania światła są gromadzone przy użyciu układu pomiarowego współczynnika załamania. Należy rozpocząć od wykonania widma referencyjnego kapilary czujnika stosowanej w aplikacjach biosensorycznych. Powinno to zostać wykonane po funkcjonalizacji powierzchni kanału.

Aby uzyskać niskie granice detekcji, należy zadbać o zminimalizowanie dryftu próbki. Należy również użyć wzorca kalibracyjnego w celu skorygowania spektrometru pod kątem długości fali i intensywności. Na koniec należy zebrać dane widmowe po wprowadzeniu anality do kapilary czujnika.

Przeanalizuj dane zgodnie z metodami opisanymi w manuskrypcie. Układ może zostać zaprogramowany do ciągłego pomiaru widm podczas pompowania analitów do kanału kapilarnego. Na górze znajduje się zestaw widm zarejestrowanych podczas pompowania do kapilary kolejno metanolu, wody, a następnie etanolu.

Widma były rejestrowane sekwencyjnie od czerwieni do błękitu. Rysunek ten przedstawia widmo mocy Fouriera dla każdego widma fluorescencyjnego. 40. składowa reprezentuje główną obserwowalną oscylację modu szeptu galerii.

Różnice faz dla 40. składowej przeliczono na przesunięcia długości fali i przedstawiono jako funkcję czasu. Jak widać tutaj. Słupki błędów reprezentują jedno odchylenie standardowe przesunięcia piku dla 60 pomiarów.

Wstawka przedstawia średnią czułość w zakresie współczynnika załamania światła od metanolu do etanolu. Należy zauważyć, że analiza danych z ciągłych serii czasowych ujawnia wybrzuszenie w danych dotyczących przesunięcia pomiędzy wodą a metanolem. Jest to zgodne z obecnością niewielkiego obszaru mieszania o wyższym współczynniku załamania światła niż w przypadku którejkolwiek z czystych faz po opanowaniu techniki.

Wykonanie tej techniki może zająć kilka godzin, jednak jej pełne zakończenie może wymagać nawet kilku dni.