Summary

Синтез и эксплуатация Флуоресцентные-ядерный Микрополости для Рефрактометрические зондирования

Published: March 13, 2013
doi:

Summary

Флуоресцентные-ядерный датчики МР используют высоким индексом квантовых точек покрытия в канале кремнезема микрокапиллярах. Изменение показателя преломления жидкости закачивают в капиллярной причиной канала смещается в спектре флуоресценции микрополости, которые могут быть использованы для анализа канала среде.

Abstract

В настоящем документе рассматриваются основные флуоресцентные микрополости на основе датчиков, которые могут работать в микрофлюидных настройки анализа. Эти структуры на основе формирования флуоресцентных квантовых точек (КТ) покрытия на поверхности канала от обычного микрокапиллярной. Кремний КТ являются особенно привлекательными для данного приложения, отчасти из-за их незначительной токсичностью по сравнению с II-VI и II-VI КТ соединение, которое законодательно регулируемых веществ во многих странах. В то время как спектр излучения ансамбля широк и безликие, Si-QD пленки на стенке канала капиллярного особенности набора острые, узкие пики в спектре флуоресценции, соответствующие электромагнитные резонансы на свет в ловушке в фильме. Пик волны эти резонансы чувствительны к внешней среде, что позволяет устройству работать в качестве датчика рефрактометрического, в которых КТ никогда не вступать в физический контакт с анализируемым веществом. Экспериментальныеметоды, связанные с изготовлением флуоресцентных основных микрокапиллярах обсуждается в деталях, а также методы анализа. Наконец, сравнение между этими структурами и более широко исследуемой жидкости ядра оптических резонаторов кольца, с точки зрения микрофлюидных зондирования.

Introduction

Химическая зондирования системы, которые требуют лишь небольших объемов образца и которые могут быть включены в ручной или поле открывающиеся устройства может привести к развитию широкого спектра новых технологий. Такие технологии могут включать в себя поле для диагностики заболеваний и патогенных микроорганизмов, 1 загрязнителей окружающей среды, 2 и безопасности пищевых продуктов. 3 Несколько технологий в настоящее время активно изучаются для микрофлюидных химические сенсоры, с устройствами на базе физики поверхностных плазмонных резонансов (SPR) одними из самых передовых. 4 Эти датчики теперь способен обнаруживать многие специфические биомолекулы и добились коммерческого успеха, хотя в основном как крупномасштабные лабораторного оборудования 5.

В последние годы, оптических микрорезонаторов поднялись, чтобы конкурировать с SPR-систем. Микрополости может быть удивительно чувствительны, с продемонстрировал способность обнаруживать вирусы одного 6 и, возможно, даже одной биомолекулы <sдо> 7 (последняя остается предметом некоторых дебатов, 8, однако нет никаких сомнений в том, что ограничения массы обнаружения малых 9). В микрорезонаторах, механизм обнаружения зависит от изменений в оптических резонансов, вызванных наличием аналита в электрическом поле профиля резонанса. Как правило, данный аналита вызовет резонанс изменить в в центральной частоты, видимость, или ширина линии. Как и SPR систем, микрорезонаторах может выступать в качестве неспецифической рефрактометрического датчики, или в качестве биосенсоров функциональными для конкретного анализа.

Диэлектрических микроструктур с круглым поперечным сечением (например, микросферы, диски или цилиндры) характеризуются электромагнитного резонанса известны как шепчущей галереи, или гроссмейстеров, термин восходит к исследованиям лорда Рэлея аналогичных акустических эффектов 10. Существу, оптические WGM происходит, когда волна circumnavigates круглого сечения сперегиба на полное внутреннее отражение, и возвращается к своей отправной точкой в ​​фазу. Например электромагнитного резонанса для микросфер диоксида кремния показана на рисунке 1а. Этот резонанс характеризуется одним максимумом в радиальном направлении (п = 1), а в общей сложности 53 длин волн соответствовать вокруг экватора (L = 53), лишь некоторые из которых показаны. Затухающих части поля распространяется в среде вне сферы границей, таким образом микросферы WGM чувствую внешней среды.

Капилляры являются особенно интересный пример WGM на основе датчика. В капилляр, цилиндрическая гроссмейстеров могут образовываться вокруг круглого сечения, как и в случае для сферы. Если стенки капилляра очень тонкая, часть электромагнитного поля распространяется в капиллярный канал (рис. 1б). Таким образом, капиллярный может быть микрофлюидных датчик для аналитов вводят в канал. Это бASIS работы жидкого ядра оптической кольцевой резонатор (LCORR) 11. LCORRs полагаться на затухающих связи света с точностью перестраиваемый лазерный источник для исследования гроссмейстеров. Важным аспектом является то, что LCORR стенки капилляров должна быть тонкой (~ 1 мкм), чтобы гарантировать, что режим образцы канала среде. Это накладывает определенные трудности на их изготовление и заставляет их быть механически хрупкой.

В нашей работе, мы разработали альтернативную структуру мы называем флуоресцентные микрополости ядра (ТСМ). 12,13 Для формирования ТСМ, мы пальто стенки канала капиллярного с высоким показателем преломления флуорофора (в частности, слой Оксид встраиваемый кремниевых квантовых точек). Высокий индекс пленки необходимо ограничить излучения, тем самым созданию гроссмейстеров (рис. 1в). В отличие от LCORR, в FCM режимы выглядят как резкие максимумы в испускаемого спектра флуоресценции. ТолщинаФильм является критически важным, если он слишком толстый WGM не попробовать среды в капиллярный канал, и если оно слишком тонкое оптическое ограничение теряется и гроссмейстеров становятся слабыми. Таким образом, изготовление FCM является сложным процессом, требующим тщательной подготовки. Это основной теме данной работы.

Protocol

1. Подготовка материалов Микрокапиллярах Получить кремния капилляры от коммерческих поставщиков. Мы покупаем наши капилляры от Polymicro технологий. Выберите небольшой внутренний диаметр (~ 25 – 30 мкм) для более удаленных друг от друга спектральных резонансов (т.е. больши?…

Representative Results

Небольшие отклонения в капиллярной процедура изготовления может привести к значительным изменениям в скорости успех образца. На рисунке 5 (объявление), мы показываем типичные примеры неудачных капилляров, а также успешным. Как правило, визуальная индикация успешного образца …

Discussion

Флуоресцентные-ядерный микрорезонаторов может быть использован как рефрактометрического датчиков. Хотя есть единичные примеры "закатал" микропробирок, которые могли бы выступать в качестве микрофлюидных датчиков, 22 по сравнению с микропробирок, капилляры будет легче инт?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Это исследование было профинансировано NSERC, Канада.

Materials

Table of Materials Company Catalog # Comments
silica microcapillaries
flexible microbore tubing polyethylene, tygon, etc
adhesive Mascot, Norland NOA
HSQ dissolved in MIBK e.g., FOx-15
methanol
ethanol
distilled water

Table 1. List of materials used.

References

  1. Mairhofer, J., Roppert, K., Ertl, P. Microfluidic Systems for Pathogen Sensing. A Review. Sensors. 9, 4804-4823 (2009).
  2. Jokerst, J. J., Emory, J. M., Henry, C. S. Advances in microfluidics for environmental analysis. Analyst. 137, 24-34 (2012).
  3. Neethirajan, N., Kobayashi, K., et al. Microfluidics for food, agriculture and biosystems industries. Lab on a Chip. 11, 1574-1586 (2011).
  4. Amarie, D., Alileche, A., et al. Microfluidic Devices Integrating Microcavity Surface-Plasmon-Resonance Sensors: Glucose Oxidase Binding-Activity Detection. Analytical Chemistry. 82, 343-352 (2010).
  5. Vollmer, F., Arnold, S., Keng, D. Single virus detection from the reactive shift of a whispering-gallery mode. PNAS. 105, 20701-20704 (2008).
  6. Armani, A. M., Kulkarni, R. P., et al. Single-Molecule Detection with Optical Microcavities. Science. 317, 783-787 (2007).
  7. Arnold, S., Shopova, I., Holler, S. Whispering gallery mode bio-sensor for label-free detection of single molecules: thermo-optic vs. reactive mechanism. Optics Express. 18, 281-287 (2009).
  8. Vollmer, F., Braun, D., et al. Protein detection by optical shift of a resonant microcavity. Applied Physics Letters. 80, 4057-4059 (2002).
  9. Rayleigh, L. The problem of the whispering gallery. Philosophical Magazine. 20, 115-120 (1910).
  10. White, I. M., Oveys, H., Fan, X. Liquid-core optical ring-resonator sensors. Optics Letters. 9, 1319-1321 (2006).
  11. Rodriguez, J. R., Bianucci, P., et al. Whispering gallery modes in hollow cylindrical microcavities containing silicon nanocrystals. Applied Physics Letters. 92, 131119 (2008).
  12. Bianucci, P., Rodriguez, J. R., et al. Whispering gallery modes in silicon nanocrystal coated microcavities. Physica Status Solidi A. 206, 965 (2009).
  13. Hessel, C. M., Henderson, E. J., et al. Hydrogen Silsesquioxane: A Molecular Precursor for Nanocrystalline Si-SiO2 Composites and Freestanding Hydride-Surface-Terminated Silicon Nanoparticles. Chemistry of Materials. 18, 6139-6146 (2006).
  14. Poon, A. W., Chang, R. K., Lock, J. A. Spiral morphology-dependent resonances in an optical fiber: effects of fiber tilt and focused Gaussian beam illumination. Opt. Lett. 23, 1105-1107 (1998).
  15. Silverstone, J. W., McFarlane, S., Manchee, C. P. K., Meldrum, A. Ultimate resolution for sensing with microcavities. Optics Express. 20, 8284-8295 (2012).
  16. Stancik, A. L., Brauns, E. B. A simple asymmetric lineshape for fitting infrared absorption spectra. Vibrational Spectroscopy. 47, 66-69 (2008).
  17. Lomb, N. R. Least-squares frequency analysis of unequally spaced data. Astrophysics and Space Science. 39, 447-462 (1976).
  18. Scott, R. P. W. The thermodynamic properties of methanol-water association and its effect on solute retention in liquid chromatography. Analyst. 125, 1543-1547 (2000).
  19. Manchee, C. P. K., Zamora, V., et al. Refractometric sensing with fluorescent-core microcavities. Optics Express. 19, 21540-21551 (2011).
  20. Teraoka, I., Arnold, S. Enhancing Sensitivity of a Whispering Gallery Mode Microsphere Sensor by a High-Refractive Index Surface. Layer. J. Opt. Soc. Am. B. 23, 1434-1441 (2006).
  21. Huang, G., Bolanos Quinones, V. A., et al. Rolled-up optical microcavities with subwavelength wall thicknesses for enhanced liquid sensing applications. ACS Nano. 4, 3123-3130 (2010).
  22. Fan, X. D., White, I. M., et al. Overview of novel integrated optical ring resonator bio/chemical sensors. Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). 6452, M4520-M4520 (2007).
  23. White, I. M., Zhu, , et al. Refractometric sensors for lab-on-a-chip based on optical ring resonators. IEEE Sensors J. 7, 28-35 (2007).
  24. Li, H., Fan, X. Characterization of sensing capability of optofluidic ring resonator biosensors. Applied Physics Letters. 97, 011105 (2010).
  25. Zamora, V., Díez, A., et al. Refractometric sensor based on whispering gallery modes of thin capillaries. Optics Express. 15, 12011-12016 (2007).
  26. Suter, J. D., White, I. M., et al. Label-free quantitative DNA detection using the liquid core optical ring resonator. Biosensors and Bioelectronics. 23, 1003-1009 (2008).
  27. White, I. M., Oveys, H., et al. Integrated multiplexed biosensors based on liquid core optical ring resonators and antiresonant reflecting optical waveguides. Applied Physics Letters. 89, 191106 (2006).
  28. Yang, G., White, I. M., Fan, X. An opto-fluidic ring resonator biosensor for the detection of organophosphorus pesticides. Sensors and Actuators B: Chemical. 133, 105-112 (2008).
  29. Zhu, H., Dale, P. S. Rapid and Label-Free Detection of Breast Cancer Biomarker CA15-3 in Clinical Human Serum Samples with Optofluidic Ring Resonator Sensors. Anal. Chem. 81, 9858-9865 (2009).
  30. Redding, B., Marchena, E., et al. Comparison of raised-microdisk whispering-gallery-mode characterization techniques. Optics Letters. 35, 998-1000 (2010).

Play Video

Cite This Article
McFarlane, S., Manchee, C., Silverstone, J. W., Veinot, J., Meldrum, A. Synthesis and Operation of Fluorescent-core Microcavities for Refractometric Sensing. J. Vis. Exp. (73), e50256, doi:10.3791/50256 (2013).

View Video