Synthese und Betrieb von Leuchtstofflampen-core Mikrokavitäten für Refraktometrische Sensing

Summary

Fluoreszenzlichtbild-Kern Mikrokavität Sensoren verwenden eine hochbrechende Quantenpunkt-Beschichtung in dem Kanal von Siliciumdioxid Mikrokapillaren. Änderungen im Brechungsindex der Flüssigkeit in den kapillaren Kanal gepumpt verschiebt Ursache in der Mikrokavität Fluoreszenzspektrum, mit dem der Kanal Medium analysiert werden können.

Abstract

Dieses Papier diskutiert fluoreszierenden Kern Mikroresonator-basierte Sensoren, die in einem mikrofluidischen Analyse Setup bedienen können. Diese Strukturen werden auf der Bildung eines fluoreszierenden Quantenpunkt-(QD) Beschichtung auf der Kanaloberfläche eines herkömmlichen Mikrokapillare basiert. Silicon QDs sind besonders attraktiv für diese Anwendung, was zum Teil auf ihre vernachlässigbare Toxizität der II-VI-und II-VI-Verbindung QDs, die legislativ Substanzen sind in vielen Ländern kontrolliert verglichen. Während das Ensemble Emissionsspektrum ist breit und konturlose, einem Si-QD Film auf der Wand eines Kanals Kapillare besitzt eine Reihe von scharfen, schmalen Peaks im Fluoreszenzspektrum, entsprechend den elektromagnetischen Signale für Licht innerhalb des Films eingeschlossen ist. Die Peakwellenlänge dieser Resonanzen ist empfindlich gegenüber äußeren Mediums, wodurch eine das Gerät als refraktometrische Sensor, bei dem die Quantenpunkte nie in physischen Kontakt mit dem Analyten kommen funktionieren. Die experimentelleMethoden mit der Herstellung der Fluoreszenz-Core Mikrokapillaren assoziiert werden ausführlich diskutiert, sowie die Analysemethoden. Schließlich wird ein Vergleich zwischen diesen Strukturen und den weiter verbreiteten untersuchten flüssigen Kern-optischen Ringresonatoren hergestellt, ausgedrückt als mikrofluidische Sensing-Funktionen.

Introduction

Chemische sensing-Systeme, die nur kleine Probenvolumina erfordern und kann in der Hand gehalten oder Feld betätigbaren Vorrichtungen eingebaut werden könnte, um die Entwicklung einer Vielzahl von neuen Technologien. Solche Technologien könnte Feldes Diagnose für Krankheiten und Schädlinge, ¹ Umweltschadstoffe, ² und Lebensmittelsicherheit gehören. ³ Mehrere Technologien werden aktiv für mikrofluidische chemische Sensoren erforscht, mit Geräten zur Physik der Oberflächen-Plasmon-Resonanzen (SPR) zu den modernsten basiert. ⁴ Diese Sensoren sind jetzt zum Aufspüren von vielen Biomolekülen und erreicht haben, kommerziellen Erfolg, obwohl vor allem in größerem Maßstab Laborgeräte. ⁵

In den letzten Jahren sind optische Mikroresonatoren gestiegen, um mit SPR-basierten Systemen konkurrieren. Mikrokavitäten können erstaunlich sensibel, mit nachgewiesener Fähigkeit zur Erkennung einzelner Viren ⁶ und vielleicht sogar einzelne Biomoleküle 8 aber es gibt keinen Zweifel, dass die Masse Nachweisgrenzen kleinen ⁹ sind). In Mikrokavitäten stützt sich der Erfassungsmechanismus auf Änderungen der optischen Resonanzen durch die Anwesenheit eines Analyten innerhalb des elektrischen Feldes Profil der Resonanz verursacht. Typischerweise wird ein gegebenen Analyten bewirken, dass die Resonanz in der zentralen Frequenz, Sichtbarkeit oder Linienbreite zu verändern. Wie bei SPR-Systemen können Mikrohohlräume als unspezifische refraktometrische Sensoren handeln, oder als Biosensoren für eine bestimmte Analyse funktionalisiert.

Dielektrische Mikrostrukturen mit einem kreisförmigen Querschnitt (z. B. Mikrosphären, Scheiben oder Zylinder) durch elektromagnetische Resonanzen, wie die Flüstergangmoden Modi oder WGMs, ein Begriff aus dem Rayleigh-Untersuchungen von analogen akustischen Wirkung bekannt ist. ¹⁰ Wesentlichen eine optische WGM tritt auf, wenn eine Welle umrundet den kreisförmigen Querschnitt sbschnitt durch Totalreflexion, und kehrt zu seinem Ausgangspunkt in Phase. Ein Beispiel für eine elektromagnetische Resonanz für eine Silica-Mikrokugel ist in 1a veranschaulicht. Diese Resonanz von einer maximalen in radialer Richtung (n = 1) ist dadurch gekennzeichnet, während insgesamt 53 Wellenlängen um den Äquator (l = 53) passen, werden von denen nur einige dargestellt. Die evaneszenten Teil des Feldintensität erstreckt sich in dem Medium außerhalb der Kugel Grenze; ​​somit die Mikrokugel WGM enthaltene externen Medium zu erfassen.

Kapillaren sind ein besonders interessantes Beispiel für eine WGM-basierten Sensor. In einer Kapillare, zylindrischen WGMs kann um den kreisförmigen Querschnitt zu bilden, ähnlich zu dem Fall für eine Kugel. Wenn der Kapillarwand ist sehr dünn, erstreckt Teil des elektromagnetischen Feldes in den Kapillarkanal (Abb. 1b). Somit kann eine Kapillare eine mikrofluidische Sensor zum Analyten in den Kanal injiziert werden. Dies ist der basis Arbeitsweise des flüssigen Kern optischen Ringresonator (LCORR). LCORRs ¹¹ setzen auf der evaneszenten Kopplung von Licht von einer Präzision abstimmbare Laserquelle, die WGMs sondieren. Ein wichtiger Aspekt der LCORR ist, dass die Kapillarwände muss dünn (ca. 1 um), um sicherzustellen, dass die Proben-Modus der Kanal Medium. Dies stellt einige Schwierigkeiten auf ihrer Herstellung und bewirkt, dass sie mechanisch empfindlich.

In unserer Arbeit haben wir einen alternativen Aufbau einer so genannten fluoreszierenden Kern Mikrokavität (FCM) entwickelt. ^12,13 Um ein FCM bilden, beschichten wir die Kanalwände einer Kapillare mit einem hohen Brechungsindex Fluorophor (speziell eine Schicht aus Oxid-Embedded Silizium-Quantenpunkten). Die hohen Index des Films ist erforderlich, um die emittierte Strahlung zu beschränken, damit den Aufbau der WGMs (Abbildung 1c). Im Gegensatz zu der LCORR in einem FCM die Modi als scharfe Maxima in einer emittierten Fluoreszenzspektrum. Die Dicke derFilm ist von entscheidender Bedeutung, wenn sie zu dick ist die WGM nicht Abtasten des Mediums in den Kapillarkanal, und wenn sie zu dünn ist die optische Begrenzung verloren geht und die WGMs schwach werden. Somit ist die Herstellung eines FCM ein schwieriger Prozess, erfordern eine sorgfältige Vorbereitung. Dies ist das zentrale Thema der aktuellen Papier.

Protocol

Ein. Herstellung von Materialien

1. Mikrokapillaren Erhalten Kapillaren von einem kommerziellen Anbieter. Wir beziehen unsere Kapillaren aus Polymicro Technologies. Wähle eine kleine Innendurchmesser (~ 25 - 30 um) zum weiter getrennt spektralen Resonanzen (dh ein größerer freier Spektralbereich), oder einen größeren Innendurchmesser (~ 100 um) zum enger beabstandeten Resonanzen mit höherer Qualität Faktoren. Ein großer Außendurchmesser sorgt die FCMs sind langlebig und leicht zu manipulieren.
   1. Die Kapillaren mit einem farbigen Polyimid Jacke, die erste entfernt werden müssen kommen. Geschnitten etwa 10 cm Stücke Kapillare von der Rolle, mit Diamant Trenngerät. Jedes Stück ist eine einzige Probe. Heizen diese in einem Rohrofen bei 650 ° C eine Stunde lang in Sauerstoff zu verbrennen die Beschichtung. Dieser Vorgang entfernt die Jacke Material, Aussetzen der Kieselsäure im Inneren Kapillare. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur, entfernen Sie die capillaries von der Heizung Boot.
2. Hydrogensilsesquioxan Lösungen Hydrogensilsesquioxan (HSQ) wird berichtet, daß aus H ₁₂ O ₁₂ Si _8-Moleküle mit einer käfigartigen Struktur bestehen. ¹⁴ Dieses Material ist im Handel erhältlich von Dow Corning. Erwerben der HSQ in einer seiner FOx-Serie (Fließvehikeloxid) Lösungen wie FOx-15. Diese Lösungen sind teuer und haben eine begrenzte Haltbarkeit, so sorgfältige Planung erforderlich ist. Verdampfen des Lösungsmittels MIBK stellt eine HSQ-Konzentration von etwa 18 Gew.%. Wenn der HSQ-Konzentration zu niedrig ist, kann kein Quantenpunkten in dem Film zu bilden. Wenn sie zu hoch ist, können die Folien zu dick und delaminieren aus dem Kapillarkanal Oberfläche. In unserer Erfahrung, für eine Kapillare mit einer 25-30 um Innendurchmesser, ein Fuchs Lösung mit ~ 25 Gew.% HSQ am besten ist. So kann es notwendig sein, verdampfen oder fügen Sie mehr HSQ Lösungsmittel (darauf achten, dass es trocken ist), um die EinstellungKonzentration. Ob eine Verdünnung oder Konzentration notwendig ist, ist schwierig, ohne Versuch und Irrtum bestimmen, dh um einige Proben und untersuchen die Ergebnisse, wie nachstehend erläutert.

2. Herstellung von beschichteten Kapillaren

1. Befüllen der Kapillare Nehmen Sie die Teile der Kapillare in Schritt 1,1 vorbereitet und tauchen sie in der FOX-Lösung. Wenn eine Kapillare in die Lösung getaucht wird, sollten Sie in der Lage sein, um visuell folgen den Meniskus bis der Kanal, wie die Lösung in die Kapillare (Abbildung 2a) gezogen wird.
   1. Wenn der Meniskus die Spitze erreicht, entfernen Sie die Kapillare und legen Sie sie in einem Glas Glüh-Tiegel. Es sollte jetzt vollständig mit Fuchs-Lösung gefüllt werden. Wiederholen Sie diesen Vorgang für so viele Proben wie möglich, um die Chancen auf Erfolg erhöhen. Wir typischerweise ausgeführt Chargen von 20-30 und mit zwei verschiedenen Konzentrationen von HSQ Lösungen Gewichtsprozent. Wir füllen die Kapillaren in der Luft, aber halten ter FOx Lösung in einem Handschuhfach gekühlt wird empfohlen, wenn möglich, um die Exposition der Lösung Sauerstoff und Wasserdampf zu minimieren. Selbst kleine Engagements in Gelierung der Lösung führen.
2. Glühen Glühen die Kapillaren in einem zweistufigen Verfahren. Tempern verdampft das Lösungsmittel und kollabiert die HSQ Käfigstruktur, Bilden einer SiO _x-Film anhaftende den Kanalwänden. Glühen bei höheren Temperaturen disproportioniert die SiO _x-Film in Si Quantenpunkte dispergiert in einer Silica-Matrix. Die Annealing-Schritte umfassen einen 30-Minuten-Rampe von Zimmertemperatur auf 300 ° C, eine 3 h Verweilzeit, um das Lösungsmittel zu verdampfen, dann eine Rampe zu 1.100 ° C in 45 min und einem für eine Stunde verweilen, die gebildeten QDs.
   1. Lassen Sie die Kapillaren langsam abkühlen (~ 12 Stunden) wieder auf Raumtemperatur. Dies trägt dazu bei stressbedingten Aufbrechen des Films abgeschieden auf der Kapillarwand minimieren. Andere Glühen Protokolle könntenWahrscheinlich verfolgt und kann mehr zuverlässig, aber ein Hochtemperatur-Glühen Bühne 1.000-1.100 ° C ist immer notwendig, um die QDs bilden. Am Ende dieses Schritts sollte eine (hoffentlich) 20-30 Kapillaren mit einer Schicht aus fluoreszierendem QDs in einer Silica-Matrix Beschichten der Kanalwände eingebettet.

3. Charakterisierung

1. Stichprobenkontrolle der Fluoreszenz-Mikroskop auf die Kapillaren montiert werden, müssen sowohl Bildgebung und Spektroskopie in der 700-900 nm Wellenlängenbereich durchzuführen sind. Epifluoreszenz oder konfokalen Setups sind für diesen Zweck geeignet. Legen Sie eine Reihe von Kandidaten Kapillaren auf der Bühne, so dass es einfach ist, zwischen ihnen für die schnelle visuelle Analyse (Abb. 2b) bewegen. Erregen die Kapillare mit blauen oder UV-Strahlung entweder in freier Raum auf dem Mikroskoptisch oder direkt durch die Objektivlinse unter Verwendung eines dichroitischen Filter, und beobachten des Fluoreszenzbilds mit den Okularenoder eine Farbkamera.
   1. Beachten Sie die Kapillare Fluoreszenz. Wenn die Herstellung erfolgreich war, wird die Kapillaren weisen eine leuchtend rote Fluoreszenz. Dies ist der erste Hinweis auf eine positive Probe. Kapillaren ausstellenden orange-gelbe Fluoreszenz (statt der roten Farbe mit den QDs verbunden sind) in der Regel nicht die gewünschten optischen Eigenschaften. Diese Proben neigen auch dazu, öfter bilden in Lösungen mit einem niedrigen HSQ Konzentration. Einige Kapillaren kann keine Fluoreszenz überhaupt zeigen, in diesem Fall der QD Film nicht zu bilden, und die Kapillare kann verworfen (Glas Kleie) werden. Dies ist ein Hinweis, dass die Lösung nicht in die Kapillare kann gezeichnet wurden, oder es kann in HSQ defizienten haben. Schließlich können einige Proben zeigen eine gerissene oder strukturierten Folie, diese können auch verworfen werden.
   2. Verwerfen aller Proben in dem vorhergehenden Schritt mit Ausnahme derjenigen, die die hellrote Fluoreszenz charakteristisch Silicium QDs zeigen erwähnt.
2. Prüfen auf die Anwesenheit von WGMs im Fluoreszenzspektren sicher, dass das Bild ausgerichtet ist, wie auf dem Eintrittsspalt des Spektrometers gewünschten und sammeln ein Fluoreszenzspektrum. Einstellen der Sammelzeit, um einen akzeptablen Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erzeugen. Führen Wellenlänge und Intensität Kalibrierungen wie erforderlich. Die QD Spektren sollten in dem Wellenlängenbereich von 700 bis 900 nm intensiv. Spectra aus dem entsprechenden Bereich der Kapillare Innenwand getroffen werden sollten zeigen starke Schwankungen aufgrund der Anwesenheit der zylindrischen Whispering Gallery Modi (WGMs), das ist die second-to-last Erfordernis einer erfolgreichen refraktometrische Sensor.
   1. Einige Proben dürfen einen leuchtend roten QD-Fluoreszenz aber Mangel WGM Oszillationen im Spektrum. Dies ist ein Indiz der QD Film gerissen oder von der Kapillarwand, die die optischen Resonanzen zerstört delaminiert. Entsorgen Kapillaren ohne WGMs. An dieser Stelle wird nur der (typischerweise small)-Fraktion von Proben, die die Anforderungen erfüllen Sensor verbleiben. Es gibt eine letzte Test durchgeführt werden.
3. Refraktometrische Bestimmung Befestigen des Kandidaten Kapillaren an Polyethylen, Tygon, Teflon oder anderen Schläuchen chemisch kompatibel mit der beabsichtigten Analytlösungen dessen Innendurchmesser sollte geringfügig größer als der kapillare Außendurchmesser. Die Wahl der Schlauch sollte so beschaffen sein, da nicht mit den Lösungen in die Kapillare gepumpt werden reagieren.
   1. Verwenden Sie eine gute Klebstoff auf die Glaskapillare auf das Rohr legen, da sonst die Kapillar-Schlauch-Schnittstelle wird undicht. Wir haben recht gute Erfolge mit Norland NOA-76 oder Mascot Sekundenkleber Gel. Die Wahl des Klebers hängt von seiner Haftung an der Glaskapillare und dem Schlauch, und ein Fehlen einer Reaktion mit den Kanal-Fluiden. Darauf achten, dass der Klebstoff eindringt in den Kapillarkanal und Blockieren zu verhindern.
   2. Schnittstelle den Schlauchüber eine Spritze zu einer micropumping System. Verbindungen mit bekannten Brechungsindizes, wie Methanol, Ethanol, und Wasser kann das refraktometrische Empfindlichkeit der Vorrichtung zu bestimmen. Dies ist der letzte Test für eine erfolgreiche Sensor. Jedes Fluid zu pumpen, eine nach der anderen, in die Kapillare, so dass nicht das Klebedichtung zwischen der Kapillare und dem Rohrstrang (2c) platzen.
   3. Sammle Spektren mit jeder Flüssigkeit in der Kapillare. Verwenden eines Analysators in den Strahlengang zwischen TE-polarisierte WGMs (Analysator parallel zur Achse Kapillare) und TM-polarisierte WGMs (Analysator senkrecht zur Achse Kapillare) zu unterscheiden. Es sollte eine Verschiebung der Wellenlänge der WGM Resonanzen, entweder TE oder TM werden, wobei jede andere Lösung in die Kapillare. Wenn es keinen beobachtbaren Verschiebung ist der Quantenpunkt-Schicht zu dick und die WGMs nicht ausreichend Abtasten des Kanals Medium. In erfolgreichen Proben beobachten wir Empfindlichkeiten in der Regel zwischen 5 und 15 nmpro Lösung Brechungsindex Einheit (RIU). Fast alle Proben, die anzeigen WGMs tun zeigen messbare Empfindlichkeit, jedoch typischerweise nur ein kleiner Bruchteil der vorbereiteten Kapillaren WGMs zeigen.

4. Data Analysis

1. Beziehen die Fluoreszenzspektren Nehmen Sie ein Spektrum der Fluoreszenz von Ihrer Probe. Biosensor für Anwendungen weist die erste Kanaloberfläche, um nach bestimmten Analyten funktionalisiert werden. Die Oberfläche der Folie ist im wesentlichen QD Kieselsäure, so viele Oberflächenmodifizierung Rezepturen bestehen. Unabhängig von der Anwendung, ist der letzte Schritt der Datenverarbeitung und-analyse.
   1. Erreichen niedrige Nachweisgrenzen erfordert die Messung von kleinen spektralen Verschiebungen im Idealfall die "shift Auflösung" sollte deutlich kleiner als der nominelle Spektrometerauflösung oder Pech. Es muss in der spektralen Verarbeitung durch diese ausgeübt werden. Insbesondere bei vielen Bildgebungsspektrometers das Spektrum nicht perfekt horizontal auf die CCD projiziert werden, so wenn zwischen Analysen, driftet das Musterbild vertikal auf den Schlitz, falsche Spektralverschiebungen erhalten werden. Verwenden Sie, was Mittel sind notwendig, um sicherzustellen, dass dies nicht geschieht, z. B. die Verwendung eines Kalibrierstandards, um den Winkel des projizierten Spektrums zu bestimmen und zu korrigieren ist, minimieren Probe Drift, und sicherzustellen, dass die gleichen CCD-Pixel verwendet werden, um alle Spektren zu erhalten .
      Ein Beispiel Spektralbild ist in 3, wo die Modi werden als starke Schwingungen an Stellen entsprechend den Kanalwänden gezeigt. Verwenden eines Mathematica Computercode (oder was Ihre Gruppe), um die spektrale Bilder, die Ausgabe 1D Spektraldaten und führen Kurvenanpassung und Fourier-Analyse der WGM Verschiebungen, wie unten beschrieben, zu importieren.
2. Kurvenanpassung Bestimmen Sie die WGM Peakwellenlänge zu kleinen spektralen Verschiebungen aufgrund von Analyten zu messen in der FCM-Kanal. Setzen Sie einen Single-Mode auf eine Funktion, die spektrale Form beschreibt - dies ist ein üblicher Weg, um die Spitzenposition zu erhalten. Im Idealfall wird dies eine Lorentz-Funktion sein (mit der korrekten Konvertierung von Wellenlänge in Frequenz-Einheiten über δλ = │-cδf / f ² │ wobei c die Lichtgeschwindigkeit):
   
   In Gl. 1 ist, A ein Skalierungsparameter und f ₀ die Mittenfrequenz. Leider sind FCMs keine ideale Fall.
   1. In die zylindrische Hohlräume sind WGMs zu höheren Frequenzen, wahrscheinlich infolge der Entwicklung von spiralförmigen Resonanzen (WGMs mit einem von Null verschiedenen axialen Komponente des Wellenvektors) verzerrt. Lorentz ¹⁵ passt daher eine schlechte Leistung zur Bestimmung der Peak-Position. Leider gibt es keine Funktion thbei wird eine Verteilung von überlappenden Lorentzians von den spiralförmigen WGMs passen. In einer früheren Arbeit ^{16 haben} wir vorgeschlagen, dass eine schiefe Lorentz ¹⁷ würde eine bessere Passform zu geben:
      
      Dabei sind a und b Parameter Schräglauf. Wie in Abbildung 4, Gl gesehen werden. 2 nicht geben eine bessere Anpassung an die Daten als Gl. 1, aber leider hat es keine physikalische Grundlage für die Theorie der WGMs.
3. Fourier Shift-Analyse Alternativ können die Daten verarbeitet unter Verwendung einer diskreten Fourier-Transformation, und die entsprechenden Phasenverschiebungen aus dem Fourier-Spektrum gemessen. Diese Methode nutzt die Periodizität des gesamten Spektrums, um mit einer einzigen beliebigen WGM entgegen. Es misst nicht die Peakwellenlänge Position, sondern misst insgesamt eine Verschiebungeiner gegebenen WGM Spektrums in Bezug auf eine beliebige Referenz-Spektrum.
   1. Verwenden Sie die Phasendifferenz Δφ für die High-Power-Fourier-Komponente, die auf die wichtigsten WGM spektrale Schwingung entspricht die spektrale Verschiebung zu erhalten. Dies entspricht einer realen WGM Frequenzverschiebung:
      Af = Δφ (f _max - f _min) / (2πk)
      wobei f _min und f _max sind die minimale und maximale Frequenz in dem Spektrum. Allerdings können viele Informationen verworfen werden, wenn nur die Hauptkomponente verwendet wird, zusätzlich Trunkierung Probleme kann es schwierig zu bestimmen, welche Komponente das wichtigste ist. Oftmals erfordern die besten Ergebnisse einige trial and error zu denen Fourier-Komponenten zu wählen.
   2. Die Verschiebung Theorem verwendet stattdessen alle der Fourier-Komponenten. Dementsprechend wird für eine reine Verschiebung wird jedes einzelne Bauteil verschoben proportional k (mit kwobei die Komponente Nummer). Mit anderen Worten, δφ _k = mk, wobei die Proportionalität m ist ein Maß für die wirkliche Verschiebung. Die Gesamtmenge Frequenzverschiebung ist somit gegeben durch:
      Af = m (f _max - f _min) / (2π).
      Dies erfordert m, von einer linearen Anpassung an die Phasendifferenzen ΔΦ _k für einige oder alle der Fourier-Komponenten erhalten werden.
   3. Für echte Daten, die lineare Beziehung ΔΦ _k = mk wird die Unsicherheit durch Lärm und Hintergrund-Signal, das einen signifikanten Effekt in den Low-Power-Fourier-Komponenten haben kann. So empfiehlt sich eine gewichtete lineare Anpassung, bei denen das Gewicht für jede Komponente proportional zu seiner Leistung ist, um die Steigung der ΔΦ _k vs zu erhalten k Graphen. Das Spektrum kann rund um die Hauptkomponente vor der Montage gefiltert werden, um sowohl hohe Frequenzen (entfernen noise) und niedrigen Frequenzen (entkoppelt Fluoreszenz-Hintergrund). Die Frequenzverschiebungen aus Gl. 4 werden dann in Wellenlängen umgerechnet.
   4. Anders als im Fall für die Kurvenanpassung wird ein WGM "Wellenlänge" nie erhalten, sondern eine Verschiebung der Wellenlänge ist auf dem gesamten Spektrum bezüglich einer willkürlichen Referenzspektrum gemessen. Das Verfahren wird dann wiederholt für jedes Spektrum analysiert werden. Die Schritte dieses Verfahrens sind wie folgt:
      1. Konvertieren Sie die Spektren in Frequenz-Einheiten, um eine konstante freie Spektralbereich zu gewährleisten.
      2. Wählen Referenzdatensatz (dh die erste WGM Fluoreszenzspektrum), aus dem alle Schichten gemessen werden.
      3. Interpolieren die Spektren einheitliche Frequenzabstand zu erhalten. ¹⁸
      4. Führen Sie eine diskrete Fourier-Transformation, um die Leistung und Phase Komponenten jedes Spektrum zu erhalten.
      5. Finde die Phasendifferenzen für alle k Komponenten eines gegebenen WGMSpektrums, für die die Verschiebungswert gewünscht wird, in Bezug auf das Referenzspektrum.
      6. Finden die Phasenverschiebung unter Verwendung der Phasendifferenz von im Haupt Fourierkomponente einzige oder eine gewichtete lineare Anpassung an die ausgewählten Komponenten. Dies wird die Phasenverschiebung öf oder δλ zwischen der WGM-Spektrum und dem Referenzspektrum.
      7. Die Fehler in den Spektralverschiebungen (Nachweisgrenze) kann durch Sammeln wiederholte Spektren für den gleichen Analyten gemessen werden. Eine Unsicherheit in der Empfindlichkeit von dem Fehler in den gewichteten linearen Anpassungen erhalten werden, wenn mehrere Komponenten verwendet werden.

Wiederholen Sie die Schritte 1-7 für jede Analyse. Während dieses Verfahren klingt kompliziert, nach der ersten Implementierung des Verfahrens ist einfach zu automatisieren, so dass große Datenmengen können Batch verarbeitet, um die Verschiebungen zu finden. Wir verwenden eine Mathematica-Code speziell fo geschriebenr dieses Verfahren, so dass komplette Datensätze können Batch-Verarbeitung "mit dem Drücken einer Taste". Im Prinzip können die spektralen Verschiebungen sogar errechnet, "live", obwohl wir dies noch nicht getan.

Representative Results

Kleine Abweichungen in der Kapillare Herstellung Prozedur kann zu erheblichen Veränderungen in der Probe Erfolgsquote führen. In Abbildung 5 (ad) zeigen wir repräsentative Beispiele von gescheiterten Kapillaren sowie ein erfolgreiches Jahr. Im Allgemeinen ist die visuelle Anzeige einer erfolgreichen Probe eine rote Fluoreszenz mit einer hohen Intensität an den Wänden und einer Kapillare featureless Innenraum kombiniert. Das Fluoreszenzspektrum auch deutlich zeigt den Unterschied zwischen Erfolg und Misserfolg (Abbildung 5e). Ein gutes Beispiel sollte zeigen, gut definierte (Sichtbarkeit ≈ 0,5) WGM Oszillationen im Spektrum.

Die Setup kann so programmiert werden, Spektren kontinuierlich erfolgen als Analyten in den Kapillarkanal (6a) gepumpt werden. Verwendung der oben beschriebenen Technik kann die Datenanalyse als Batch-Job auf dem ganzen WGM Spektren, die Verschiebung als unterschiedliche Analyte in die Kapillare injiziert werden sollte durchgeführt werden.Hier zeigen wir die Ergebnisse einer kontinuierlichen Zeitreihe (dh ein Sensorgramm) wie Wasser, Methanol, Ethanol und schließlich nacheinander in den Kanal gepumpt. Nur die wichtigsten Fourier-Komponente wurde in diesem Fall gewählt (Abb. 6b), da die Ergebnisse wurden als zufriedenstellend auch bei dieser einfachen Analyse. Die Fehlerbalken stellen eine Standardabweichung der Peakposition für die ersten 100 Messungen (mit Wasser im Kanal).

Sensorgramm Betrieb dieser Geräte (dh kontinuierliche Zeitreihe als einzelne statische Messungen Gegensatz) vermeidet fehlende potentiell interessante Merkmale einer Analyse. Zum Beispiel sehen wir eine "Beule" in der WGM Verschiebung von Daten zwischen Wasser und Methanol, was darauf hinweist Analyt mit einem höheren Brechungsindex als die beiden reinen Komponenten. In der Tat sind Wasser-Methanol-Gemischen bekannt, einen höheren Brechungsindex als entweder reiner Phase, ¹⁹ auf das Vorliegen einer kleinen mi habenxing Bereich zwischen den beiden Lösungen. Für Biosensorik Messungen, erwarten wir, dass Sensorgramm Messungen werden entscheidend für die Bestimmung der Art und Spezifität des Analyten bindend. In Abb. 6c, sehen wir auch, dass die Unsicherheit in der Peak-Position ~ 10 Uhr, die wesentlich kleiner als die 110 pm Teilung des Spektrometers ist. Diese Verbesserung ist erreichbar, weil der Datenanalyse-Methode, die hier detektieren Verschiebungen können eine Größenordnung kleiner als der Pitch-Spektrometer.

Schließlich kann die durchschnittliche Empfindlichkeit der Kapillare aus dem Netz Verschiebung für die drei Lösungen über den entsprechenden Analyten Brechungsindexbereich erhalten werden. Dies hängt im wesentlichen von der Schichtdicke und der Brechungsindex ab. Letzteres ist bekannt, ~ 1.67 sein, von ellipsometrischen Messungen am Flachfolien hergestellt unter Verwendung von ähnlichen Verfahren. ²⁰ Für einen 30-um-Innendurchmesser kann die theoretische maximale Empfindlichkeit berechnet werdenmit der Störungstheorie Ansatz Ref entwickelt. ^21, mit den zylindrischen Lösungen statt der sphärischen. Bei dieser Methode für Kanal-Index von 1,33, die maximale Empfindlichkeit des (n, l) = (1, 190) in der Nähe Modus λ = 780 nm gleich 25,7 nm / RIU für eine Filmdicke von 265 nm aufweist. Die experimentelle durchschnittliche Empfindlichkeit beträgt 16,0 nm / RIU in diesem Wellenlängenbereich, was anzeigt, dass die Filmdicke suboptimalen ist.

Abbildung 1. Elektrisches Feld Amplitude für die Flüstergangmoden Moden einer Mikrokugel (a), einer LCORR (b), und ein FCM (c). In den beiden letztgenannten Fällen ist der Analyt innerhalb des Kanals, für eine Mikrokugel ist der Analyt außen und benötigt daher eine separate Kammer. Die radiale Modenordnung ist 1, während die Winkelgeschwindigkeit um beträgt 53, 52, einend 65 jeweils.

Abbildung 2. (A) eine Kapillare Tauchen in einer Lösung aus FOx-15. Obwohl es nicht möglich ist, um den Meniskus auf dem Foto zu sehen, kann der Experimentator beobachten sie aufsteigen den Kanal. (B) Eine Reihe von abschließenden Kapillaren auf dem Mikroskoptisch für einleitende Analyse. Eine 445-nm-Laser auftrifft nahe der Mitte des am weitesten links Kapillare, die rote Leuchten ist die Si-QD Fluoreszenz. Dies scheint besonders intensiv am Ende der Kapillare aufgrund wellenleitenden innerhalb der Glaskapillare Wänden. (C) Eine erfolgreiche Analyse in der mikrofluidischen Einrichtung gehalten Kapillare. Fluid in der Kapillare von der Mikropumpe (nicht dargestellt) eingespritzt strömt von rechts nach links durch den Kanal, und tritt in ein weiteres Rohr für die Entsorgung.

Abbildung 3. Ein typisches WGM Spektrum. Die obere Fluoreszenzbild zeigt die Position des Spektrometers Eintrittsspalt, zusammen mit der entsprechenden 2D Spektralbild. Die endgültige 1D Spektrum erhalten wird aus dem Karton Region.

Abbildung 4 A Einmoden aus einer Kapillare WGM Spektrum extrahiert und passen mit einer reinen Lorentz (Gl. 1; rote Linie). Und windschief Lorentz (Gl. 2; blaue Linie). Während letztere natürlich bietet eine bessere Passform, Peak Fitting ist in der Regel nicht die beste Option für die Identifizierung sehr kleinen spektralen Verschiebungen, wie erforderlich, um niedrige Nachweisgrenzen zu erreichen.

Abbildung 5. > (Ad) zeigen einen Satz von Fluoreszenzbildern von fehlgeschlagenen und ein erfolgreicher FCM (a):. Keine Lumineszenz; diese Kapillare nicht richtig füllen oder die Lösung wurde vollständig eingedampft (b) gelb-orange Fluoreszenz im Kapillarkanal.. Hier ist der fluoreszierenden Region nicht an den Wänden der Kapillare, sondern in der Mitte. In einigen Proben, erscheint die Folie schrumpfen in der Mitte des Kanals. (C) zeigt eine starke rote Fluoreszenz aber fehlt WGMs im Spektrum. Einige von Unregelmäßigkeiten in der Schichtstruktur beobachtbar. (D) war ein erfolgreicher Kapillare mit guten WGMs. Eine Signatur von erfolgreichen Filmen ist der Kanal Einheitlichkeit und ein Mangel an unregelmäßige. Die entsprechenden Fluoreszenz-Spektren werden in (e) gezeigt.

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Abbildung 6. (A) ein Satz von Spektren, wie Methanol aufgenommen, dann Wasser, dann Ethanol wurden in die Kapillare gepumpt. Die Spektren wurden nacheinander von rot nach blau entnommen. (B) zeigt die Fourier Leistungsspektrums jedes Fluoreszenzspektrum. Der ^40-te Komponente stellt die wichtigsten beobachtbaren WGM Schwingung. Die entsprechenden Phasendifferenzen wurden für diese Komponente erst dann vorgenommen, und in (c) aufgetragen, nach Überführung in Wellenlängenverschiebungen über Gl. 4. Die Fehlerbalken stellen eine Standardabweichung der Spitzenwertverschiebung für 60 Messungen. Der Einschub zeigt das durchschnittliche Empfindlichkeit über den Brechungsindexbereich von Methanol zu Ethanol. Theoretisch, verschiebt sich die Wellenlänge mit zunehmender Brechungsindex und sind daher nicht streng linear, in Übereinstimmung mit den beobachteten Verschiebung Daten.

Discussion

Fluorescent-core Mikrokavitäten können als refraktometrische Sensoren verwendet werden. Während es vereinzelte Beispiele von "gerollt", die als Reaktionsgefässe mikrofluidische Sensoren, ²² im Vergleich zum Mikrogefäß wirken könnten, werden Kapillaren leichter in mikrofluidische Setups integrieren und erhebliche praktische Vorteile, da sie leicht und einfach zu handhaben Schnittstelle mit einer Analyse Setup. Verwendung herkömmlicher Fourieranalyse Methoden kann Wellenlängenverschiebungen, die mindestens eine Größenordnung kleiner als die Steigung des Spektroskopiesystem sind nachgewiesen werden. Diese Methode erlaubt auch die Integration in Sensorgramm-Typ Messsysteme.

Diese FCMs würde hauptsächlich mit flüssigem Kern-optischen Ringresonatoren (LCORRs) konkurrieren. ^23,24,25 LCORRS sind, die Glaskapillaren durch Erhitzen und Ziehen, Pumpen HF in den Kanal, um die innere Oberfläche Kapillare oder des Erwärmens und Aufblasen aufzulösen wurden ausgedünnt mit Druckgas. ²⁶ Diese Behandlungen führen zu einer Kapillare mit Mikrometer dünne Wände, wie erforderlich, um WGMs eine evaneszenten sich in den Kapillarkanal unterstützen. LCORR Biosensoren zum Nachweis einer Vielzahl unterschiedlicher Analyten nachgewiesen. ^27,28,29,30

FCMs mehrere klare Vorteile und Einschränkungen im Vergleich mit LCORRs. Beide Geräte beruhen auf der Strömung eines Analyten durch einen Kapillarkanal. Beide sind auf Silica-Chemie beruhen und können mit ähnlichen Methoden funktionalisiert werden. Allerdings ist die Auflösung und Nachweisgrenze des LCORR besser sein wird, vorausgesetzt äquivalenten Daten Analyseverfahren verwendet werden. Dies liegt daran, LCORRs auf Präzision abstimmbaren Laser Messungen, die einen sehr hohen Abtastrate haben, während eine herkömmliche FCMs Spektrometer verwenden basieren. Dies verringert die Nachweisgrenzen (und potenziell die Empfindlichkeit ³¹⁾ des FCM. Wir haben bisher erreicht, im besten Fall eine Nachweisgrenze of um 10 ^-5 RIU mit Variationen dieser Technik, während ein Wert von 10 ^-6 RIU ist Standard in LCORRs. Ein zusätzliches Problem betrifft die Verwendung eines Spektrometers im Gesamtsystem einsehbar. Die Fluoreszenz von Si-QDs kann leicht mit kleinem Footprint, ungekühlten Hand-Spektrometer Geräten wie dem Ocean Optics USB2000-Serie (derzeit ein Aufwand von ~ $ 2.000) gemessen werden. Allerdings wird die Verwendung eines solchen Geräts mit FCMs erfordern Überlegung und Prüfung des experimentellen Aufbaus, da es möglicherweise nicht einfach zu WGM Spektren von einem kleinen Bereich der Kapillare zu erhalten, ohne Verwendung eines Mikroskopobjektivs und einem abbildenden Spektrometers.

LCORRs erfordern die Verwendung von Vorrichtungen, die sowohl teuer als auch schwierig zu bedienen "im Feld", wie einem abstimmbaren Laser und präzise Nanopositionier Ausrüstung ist. Weiterhin ist die dünnwandige Kapillare sowohl fragil und schwierig zu handhaben. FCMs hingegen benötigen eine blaue Lichtquelle, wie einer simple Diodenlaser oder LED, und Optik, um die Fluoreszenz Bild auf den Eintrittsspalt eines Spektrometers zu projizieren. Der FCM ist auch viel robuster als die dünnwandigen LCORR. Das Verfahren könnte auch auf verschiedene Arten von fluoreszierenden Schichten, die höhere Wirkungsgrade und unterschiedliche Spitzenwellenlängen, um Si-QDs verglichen haben könnte verlängert werden. Somit würde die Wahl einer bevorzugten Sensor (LCORR vs FCM) wahrscheinlich von der beabsichtigten Anwendung abhängen. Wenn sehr geringe Konzentrationen von Analyten vorhanden sind, würde die niedrigen Nachweisgrenzen des LCORR vorteilhaft sein. Wenn Benutzerfreundlichkeit, Haltbarkeit und experimentelle Kosten ist das Hauptanliegen, dann die FCM könnte eine bessere Option, wenn das Spektrometer ohne Verwendung eines Fluoreszenzmikroskops integrierbar sein. Obwohl mit deutlich unterschiedlichen Vor-und Nachteile, sind beide Geräte für mikrofluidische Analyse einer Vielzahl von potentiellen Analyten vielversprechend.

Materials

Name	Company	Catalog Number	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.