סינתזה והפעלה של microcavities פלורסנט ליבות לחישת Refractometric

Summary

חיישני microcavity פלורסנט ליבות להעסיק גבוה ציפוי מדד קוונטים-dot בערוץ של סיליקה microcapillaries. שינויים במקדם השביר של נוזלים נשאבים לתוך סיבת ערוץ נימי המשמרות בספקטרום פלואורסצנטי microcavity שניתן להשתמש בו כדי לנתח את מדיום הערוץ.

Abstract

נייר זה דן בחיישני ליבת ניאון microcavity מבוסס שיכול לפעול בהתקנת ניתוח microfluidic. מבנים אלה מבוססים על היווצרות קוונטים-dot ציפוי ניאון (QD) על פני השטח של ערוץ microcapillary הקונבנציונלי. QDs הסיליקון הם אטרקטיבי במיוחד ליישום זה, בשל בחלקו לרעילות הזניחה בהשוואה לII-VI וQDs המתחם II-VI, אשר נשלטים חומרי תחיקה במדינות רבות. בעוד ספקטרום פליטת ההרכב הוא רחב וחסר ייחוד, סרט Si-QD על קיר הערוץ של תכונות נימי סט של פסגות חדות, צרות בספקטרום הקרינה, המקבילה לתהודות אלקטרומגנטיים לאור הלכוד בתוך הסרט. גל השיא של תהודות אלה רגיש למדיום החיצוני, ובכך מאפשר למכשיר לתפקד כחיישן refractometric בי QDs לא בא במגע פיזי עם את אנליטי. הניסויישיטות הקשורות לייצור של microcapillaries ניאון הליבות הם דנו בפירוט, כמו גם את שיטות הניתוח. לבסוף, השוואה נעשית בין המבנים הללו ואת תהודת הטבעת האופטית חקר נרחבת יותר נוזלי הליבה, במונחים של יכולות חישת microfluidic.

Introduction

מערכות חישה כימית הדורשות נפחי מדגם קטנים בלבד, וכי ניתן לשלב את התקני כף יד או שדה מפורמטים יכולות להוביל לפיתוח של מגוון רחב של טכנולוגיות חדשות. טכנולוגיות מסוג זה יכול לכלול אבחון שדה למחלות ומזיקים, ^{1, 2} מזהמים סביבתיים ובטיחות מזון. ³ מספר טכנולוגיות נבדקות באופן פעיל לחיישנים כימיים microfluidic, עם מכשירים הבוסס על הפיזיקה של תהודות plasmon שטח (SPR) מהמתקדמים ביותר. ⁴ חיישנים אלה נמצאים כעת מסוגלים לאתר ביומולקולות ספציפית רבה וזכו להצלחה מסחרית, אם כי בעיקר כציוד מעבדה בקנה מידה גדול. ⁵

בשנים האחרונות, microcavities האופטי עלה להתחרות עם מערכות SPR מבוססים. Microcavities יכול להיות רגיש להפליא, עם יכולת מוכחת לגילוי וירוסים בודדים ⁶ ואולי אפילו היחידה ביומולקולות 8 אך אין ספק שמגבלות זיהוי ההמוניות הן ⁹ קטנים). בmicrocavities, מנגנון זיהוי מסתמך על שינויים בתהודות האופטיות הנגרמות על ידי הנוכחות של אנליטי במסגרת פרופיל השדה החשמלי של התהודה. בדרך כלל, אנליטי נתון יגרום לשינוי בתהודה בתדר מרכזי, ראות, או linewidth. כמו במערכות SPR, microcavities יכול לשמש כחיישני refractometric אינם ספציפיים, או כbiosensors פונקציונלי לניתוח ספציפי.

microstructures דיאלקטרי עם חתך עגול (למשל microspheres, דיסקים, או צילינדרים) מתאפיין בתהודות אלקטרומגנטיים המכונות מצבים לוחשים הגלריה, או WGMs, מונח שראשיתה בחקירות של הלורד Rayleigh של אפקטים אקוסטיים מקבילים. ¹⁰ בעיקרון, WGM אופטי מתרחש כאשר גל circumnavigates צלב של מעגליection ידי השתקפות מוחלטת פנימית, וחוזר לנקודת ההתחלה שלו בשלב זה. דוגמה לתהודה אלקטרומגנטית לmicrosphere סיליקה מודגמת באיור 1 א. תהודה זו מאופיינת במקסימום אחד בכיוון רדיאלי (n = 1), ואילו סך של 53 אורכי גל שיתאים סביב הקו המשווה (l = 53), רק שחלקם הראה. חלק החלוף של עוצמת השדה משתרע לתוך המדיום מחוץ לגבולות התחום, ולכן WGM microsphere יכול לחוש את המדיום החיצוני.

נימים הן דוגמה מעניינת במיוחד של חיישן WGM מבוסס. בעוד WGMs נימים, גלילי יכול להיוצר סביב החתך העגול, דומה למקרה לכדור. אם קיר הנימים דק מאוד, חלק מהשדה האלקטרומגנטי משתרע לתוך ערוץ הנימים (האיור 1b). לפיכך, נימים יכולות להיות חיישן microfluidic לanalytes הוזרק לתוך הערוץ. זה באס של מבצע של טבעת נוזלי ליבה האופטית מהוד (LCORR) ^11. LCORRs להסתמך על הצימוד החולף של אור ממקור ליזר דיוק tuneable לחקור את WGMs. היבט חשוב של LCORR הוא שקירות הנימים חייבים להיות רזים (~ 1 מיקרומטר) כדי להבטיח שאת הדגימות במצב בינונית הערוץ. זה מציב כמה קשיים בייצורם וגורם להם להיות שביר מכאני.

בעבודה שלנו, פתחו מבנה חלופי שאנו מכנים microcavity ליבת ניאון (FCM). ^12,13 כדי ליצור FCM, אנו מעייל קירות הערוץ של נימים עם fluorophore גבוה שבירת מדד (במיוחד, שכבה נקודתי התחמוצת סיליקון משובץ קוונטים). המדד הגבוה של הסרט נדרש להגביל את הקרינה הנפלטת, ובכך לבנות את WGMs (האיור 1 ג). בניגוד לLCORR, בFCM המצבים להופיע כmaxima חד בספקטרום נפלט פלואורסצנטי. העובי שלסרט הוא חשוב וקריטי, ואם הוא סמיך מדי WGM לא לטעום את המדיום בערוץ הנימים, ואם הוא דק מדי כליאה האופטית אבד וWGMs להיות חלש. לפיכך, הייצור של FCM הוא תהליך קשה, שדורש הכנה מדוקדקת. זה הנושא המרכזי של המאמר הנוכחי.

Protocol

1. הכנה של חומרים

1. Microcapillaries השג סיליקה נימים מן ספק מסחרי. אנו רוכשים נימינו מטכנולוגיות Polymicro. בחר בקוטר קטן פנימי (~ 25-30 מיקרומטר) לתהודות רפאים מופרדים באופן נרחב יותר (טווח ספקטרום חופשי גדול כלומר) או קוטר פנימי גדול יותר (~ 100 מיקרומטר) לתהודות יותר צפופים עם גורמי איכות גבוהות יותר. קוטר חיצוני גדול מבטיח את FCMs עמיד ומניפולציות בקלות.
   1. הנימים מגיעות עם מעייל בצבע polyimide, שתחילה יש להסירו. חותך חתיכות כ 10-סנטימטר של נימים מהגליל, תוך שימוש ביהלומי סיבי קופיץ. כל תכשיט מהווה מדגם יחיד. מחמם את אלה בצינור תנור על 650 מעלות צלזיוס במשך שעה אחת בחמצן כדי לשרוף את הציפוי. תהליך זה מסיר את חומר המעייל, חושף סיליקה נימים בפנים. לאחר הקירור לטמפרטורת חדר, להסיר capillaries מסירת החימום.
2. מימן פתרוני המימן silsesquioxane silsesquioxane (HSQ) הוא דיווח למורכב של _{12 8 12} מולקולות H Si O עם מבנה דמוי כלוב ^14. חומר זה הוא זמין מסחרי של Dow Corning. רכישת HSQ באחד מפתרוני FOX הסדרה שלו (תחמוצת נשטפת), כגון FOX-15. פתרונות אלה הם יקרים ויש להם חיי מדף מוגבלים, ולכן יש צורך תכנון קפדני. אידוי של MIBK הממס מספק ריכוז HSQ של כ 18%, לפי משקל. אם ריכוז HSQ נמוך מדי, נקודות קוונטיות לא יכולות להיוצר בסרט. אם הוא גבוה מדי, בסרטים יכולים להיות עבים מדי וdelaminate ממשטח ערוץ הנימים. מניסיוננו, לנימים בקוטר 25-30 מיקרומטר פנימי, פתרון שועל המכיל ~ 25 HSQ WT.% הוא טוב ביותר. לכן, זה עשוי להיות נחוץ כדי להתאדות או להוסיף ממס HSQ יותר (לוודא שהוא יבש) על מנת להתאיםריכוז. בין אם דילול או ריכוז הוא הכרחי קשה לקבוע ללא ניסוי וטעייה, כלומר לעשות כמה דגימות ולבחון את התוצאות, כפי שנדון בהמשך.

2. המצאה של נימים מצופות

1. מילוי הנימים קחנה את החתיכות של נימים שהוכנו בשלב 1.1 וטובלות אותם בפתרון פוקס. כאשר נימיו טבלה את הפתרון, אתה אמור להיות מסוגל לעקוב חזותי המניסקוס את הערוץ, כפתרון נשאב לתוך (איור 2a) נימים.
   1. כאשר המניסקוס מגיע העליון, הסר את הנימים ולמקם אותו בכור היתוך זכוכית חישול. עכשיו זה צריך להיות מלא לחלוטין עם פתרון פוקס. חזור על פעולה זו במשך כדוגמאות רבות ככל האפשר, כדי להגדיל את סיכויי הצלחה. אנחנו בדרך כלל להפעיל קבוצות של 20-30 ולהשתמש בשתי ריכוזים שונים של פתרוני HSQ לפי משקל. אנחנו ממלאים את נימי הדם באוויר, אבל לא שומרהוא פתרון פוקס צנן בתא כפפות מומלץ, אם אפשר, על מנת לצמצם את החשיפה של הפתרון לאדי חמצן ומים. גם חשיפות קטנות יכולות לגרום לgelation של הפתרון.
2. חישול לחשל את נימי הדם בתהליך דו שלבים. חישול מתאדה הממס ומתמוטט מבנה הכלוב HSQ, ויצר סרט _X SiO הקפדה על קירות הערוץ. חישול בטמפרטורות גבוהות יותר disproportionates סרט _X SiO לנקודות קוונטיות Si מפוזר במטריצת סיליקה. שלבי החישול כוללים רמפה 30-דקות מטמפרטורת חדר עד 300 מעלות צלזיוס, להתעכב ל3 שעות להתאדות הממס, אז כבש ל1100 מעלות צלזיוס ב 45 דקים ', ותשכון למשך שעה כדי לזרז את QDs.
   1. בואו הנימים מגניבות לאט (~ 12 שעות) בחזרה לטמפרטורת חדר. זה עוזר למזער פיצוח הקשורות ללחץ של הסרט הופקד על קיר הנימים. פרוטוקולי חישול אחרים יכוליםכנראה להיות אחרי ויכול להיות אמין יותר, אבל טמפרטורה גבוהה anneal במה ב1,000-1,100 מעלות צלזיוס הן תמיד הכרחיות כדי ליצור את QDs. בסופו של שלב זה, יש (בתקווה) יש 20-30 נימים בשכבת QDs ניאון המוטבעת בציפוי מטריצת סיליקה קירות הערוץ.

3. אפיון

1. לטעום לבדוק מיקרוסקופ פלואורסצנטי בי הנימים הם רכובים חייבות לבצע גם הדמיה וספקטרוסקופיה בטווח אורכי הגל 700-900 ננומטר. setups Epifluorescence או confocal מתאים למטרה זו. הנח שורה של מועמד הנימים על הבמה, כך שזה קל לעבור ביניהם לניתוח חזותי מהיר (האיור 2b). להלהיב את הנימים עם קרינת UV או כחולה או בשטח פנוי על במת מיקרוסקופ, או ישירות דרך העדשה האובייקטיבית באמצעות מסנן Dichroic, ולבחון את תמונת פלואורסצנטי באמצעות העיניתאו מצלמה בצבע.
   1. שים לב פלואורסצנטי הנימים. אם הייצור היה מוצלח, הנימים תפגנה פלואורסצנטי אדום בוהק. זה הסימן הראשון של מדגם חיובי. נימים מציגות זרחני כתום צהוב (במקום הצבע האדום מזוהים עם QDs) באופן כללי אין לי המאפיינים האופטיים הרצויים. דגימות אלה גם נוטות ליצור לעתים קרובות יותר בפתרונות בעלי ריכוז HSQ נמוך. נימים חלקם עשויות להראות לא פלואורסצנטי בכלל, במקרה זה סרט QD לא יצר והנימים יכולות להיות מושלכת (זכוכית חדה). זו אינדיקציה לכך שהפתרון שאולי לא היה נמשך לתוך הנימים, או שאולי היה זה חסר HSQ. לבסוף, כמה דוגמאות עשויות להראות סרט סדוק או מרקם, אלה גם יכולים להיות מושלכים.
   2. השלך את כל הדגימות שהוזכרו בשלב הקודם, למעט אלו שמראים אופייניים פלואורסצנטי אדום הבוהק של QDs סיליקון.
2. לבדוק את קיומו של WGMs בספקטרום פלואורסצנטי ודא התמונה מיושרת כרצון על חריץ הכניסה של ספקטרומטר ולאסוף ספקטרום קרינה. התאם את זמן האיסוף על מנת לייצר יחס מקובל אות לרעש. ביצוע כיולי גל ועצמה כפי שנדרש. ספקטרום QD צריך להיות אינטנסיבי בטווח אורכי הגל 700-900 ננומטר. ספקטרה נלקחה מהאזור המקביל לקיר הפנימי נימים צריכה להראות תנודות חזקות בשל נוכחותם של מצבי גלריות הלחשים הגליליים (WGMs); זה הדרישה שנייה שלפני האחרונה של חיישן refractometric מוצלח.
   1. דגימות מסוימות יש פלואורסצנטי אדום בוהק QD אבל תנודות WGM חוסר בספקטרום. זו אינדיקציה לסרט QD סדוק או delaminated מקיר הנימים, שהורס את התהודות האופטיות. השלך נימים בלי WGMs. בשלב זה, רק (בדרך כלל sma) שבריר ll של דוגמאות העומדות בדרישות החיישן יישאר. יש מבחן אחד אחרון שיש לבצע.
3. ניתוח Refractometric צרף מועמד נימי פוליאתילן, tygon, טפלון, או צינורות כימיים תואמים את הפתרונים המיועדים אנליטי שהקוטר פנימי צריך להיות מעט גדול יותר מהקוטר החיצוני הנימים אחרים. הבחירה של צינור צריכה להיעשות כדי שלא להגיב עם הפתרונים להישאב לתוך הנימים.
   1. השתמש בדבק טוב לצרף זכוכית נימים לצינור, אחרת ממשק נימים-הצינור ידלוף. יש לנו הצלחה סבירה באמצעות דבק ג'ל קמע מיידי ארצות הצפון נועה-76 או. הבחירה של דבק תלויה בהידבקות שלה לכוס נימים וצינורות, וחוסר תגובה עם נוזלי הערוץ. השתמש כדי למנוע הדבקה ממחלחל לתוך ערוץ הנימים וחוסמים אותה.
   2. ממשק הצינורותבאמצעות מזרק למערכת micropumping. תרכובות עם מדדי שבירה ידועות כגון מתנול, אתנול, ומים יכולות לשמש כדי לקבוע את רגישות refractometric של המכשיר. זה המבחן הסופי של חיישן מוצלח. לשאוב כל נוזל, אחת בכל פעם, לנימים, ולוודא שלא פרץ את חותם הדבק בין הנימים והצינורות (איור 2 ג).
   3. איסוף ספקטרום עם כל נוזל בתוך הנימים. השתמש מנתח בנתיב האור להבחין בין WGMs TE-המקוטב (מקביל למנתח נימי ציר) וWGMs TM-מקוטב (בניצב למנתח נימי ציר). צריך להיות שינוי באורך הגל של תהודת WGM, או TE או TM, עם כל פתרון אחר בנימים. אם אין שינוי ניכר, סרט קוונטים-dot עבה מדי ולא מספיק WGMs אין לטעום בינוני ערוץ. בדגימות מוצלחות שאנו רואים בדרך כלל רגישויות בין 5 ל 15 ננומטריחידה לפתרון מקדם שביר (Riu). כמעט כל הדגימות שעושות WGMs להראות להפגין רגישות למדידה, אך בדרך כלל רק חלק קטן של נימי דם מוכנות ייראה WGMs.

4. ניתוח נתונים

1. קבלת ספקטרום פלואורסצנטי קח ספקטרום של הקרינה שלך לדוגמא. עבור יישומי biosensing, משטח הערוץ ראשון צריך להיות פונקציונלי לanalytes הספציפי. פני השטח של סרט QD הוא למעשה סיליקה, כל כך הרבה מתכוני שינוי פני שטח קיימים. ללא תלות ביישום, השלב האחרון הוא העיבוד וניתוח הנתונים.
   1. השיג מגבלות זיהוי נמוכות דורש מדידת רפאים קטנות משמרות באופן אידיאלי "רזולוצית המשמרת" צריכה להיות קטנה משמעותי מרזולוצית ספקטרומטר הנומינלית או המגרש. טיפול חייב להיות מבוצע בעיבוד הרפאים בגלל זה. בפרט, בספקטרומטר הדמיה רבהשל הקשת לא יכולה להיות מוקרנת בצורה מושלמת בצורה אופקית על גבי CCD, ולכן אם, בין ניתוחים, לדוגמא התמונה נסחפת אנכית בחריץ, משמרות רפאי שווא ניתן לקבל. השתמש בכל אמצעים נחוצים כדי להבטיח שזה לא יקרה; למשל להשתמש בכיול סטנדרטי כדי לקבוע את הזווית של הספקטרום המוקרן ולתקן אותה, למזער סחף מדגם, ולהבטיח כי פיקסלים CCD אותן משמשים כדי לקבל את כל הספקטרום .
      תמונת רפאי דוגמה מוצגת באיור 3, שבו המצבים להופיע כתנודות חזקות במקומות מתאימים לקירות הערוץ. השתמש בקוד מחשב Mathematica (או מה שהקבוצה שלך מעדיפה) כדי לייבא את תמונות רפאים, תפוקת הנתונים ספקטרליים 1D, ולבצע התאמה עקומה וניתוח פורה של משמרות WGM, כפי שיתואר להלן.
2. התאמת עקומות קבעי את אורך גל שיא WGM למדוד משמרות רפאים קטנות בשל analytesn ערוץ FCM. Fit מצב יחיד לפונקציה שמתארת ​​את צורת הרפאים - זו היא דרך מקובלת להשגת עמדת השיא. במקרה האידיאלי, זו תהיה פונקציה הלורנצי (עם המרה תקינה מגל ליחידות תדר דרך δλ = │-cδf / f ² │ כאשר c הוא מהירות אור):
   
   במשוואה. 1, הוא פרמטר דרוג ו F ₀ הוא התדר המרכזי. למרבה הצער, FCMs אינו מקרה אידיאלי.
   1. בחללים גליליים את WGMs מוטים לכיוון תדרים גבוהים יותר, בשל סיכוי להתפתחות של תהודות ההולכות (WGMs עם רכיב צירי אינו אפס של wavevector). ¹⁵ הלורנצי מתאים ולכן ביצועים נמוכים לקביעת מיקום השיא. למרבה הצער, אין פונקצית הביתאים חלוקת Lorentzians החופף מWGMs ההולכות. בעבודה הקודמת שהצענו כי ^{16 17} הלורנצי מוטה היה נותן התאמה טובה יותר:
      
      כאן, ו-B skewing פרמטרים. כפי שניתן לראות באיור 4, EQ. 2 עושים לתת התאמה טובה יותר לנתונים מהמשוואה. 1, אבל לצערי אין לה בסיס פיזי בתאוריה של WGMs.
3. ניתוח המשמרת פורה לחלופין, הנתונים יכול להיות מעובד באמצעות התמרה פורה בדידה, ואת השלב המקביל המשמרות נמדדו מהספקטרום הפורה. שיטה זו מנצלת את המחזוריות של כל הספקטרום, בניגוד לשימוש WGM שרירותי אחת. זה לא למדוד את מיקום שיא הגל, אך במקום זאת מודד שינוי כוללשל ספקטרום WGM ניתן ביחס לספקטרום התייחסות שרירותית.
   1. השתמש Δφ פרש המופע עבור הרכיב הפורה עם ההספק גבוה שמתאים לתנודת רפאי WGM העיקרית להשגת שינוי ספקטרלי. זה מתאים לשינוי תדר WGM אמיתי של:
      δf = Δφ (ו _max - f _דקות) / (2πk),
      כאשר f _דקות ו f _{מקסימום} הן המינימום ותדר מקסימאלי בספקטרום. עם זאת, מידע רב יכול להיות מושלך אם רק המרכיב העיקרי משמש, בנוסף, סוגיות עיצור יכולות לעשות את זה קשה לקבוע איזה רכיב הוא העניין העיקרי. לעתים קרובות, את התוצאות הטובות ביותר דורשות קצת ניסוי וטעייה לגבי איזה רכיבים פורים כדי לבחור.
   2. משפט המשמרת במקום משתמש בכל הרכיבים הפורים. בהתאם לכך, לשינוי טהור, כל רכיב בודד מוסט פרופורציונלי ליא (עם kלהיות מספר הרכיב). במילים אחרות, δφ _k = ח"כ, שבו מ 'המידתי היא אמת מידה לשינוי האמיתי. שינוי התדר הכולל כך ניתן על ידי:
      δf = מ '(ו _max - f _דקות) / (2π).
      זה דורש מ 'שיופק מכושר יניארית להבדלים בשלב ΔΦ _k לחלק או את כל המרכיבים הפורים.
   3. לנתונים אמיתיים, ביחס ליניארי ΔΦ _k = הח"כ יהיה חוסר ודאות עקב אות לרעש ורקע, אשר יכול להשפיע באופן משמעותי ברכיבים הפורים בהספק נמוך. לפיכך, אנו ממליצים בכושר יניארית משוקלל, שבו המשקל לכל רכיב הוא פרופורציונלי לכוחו, על מנת לקבל את השיפוע של ΔΦ לעומת _k גרף k. הספקטרום ניתן לסנן סביב המרכיב העיקרי לפני הולם, כדי להסיר את שני תדרים גבוהים (nתדרי Oise) ונמוך (רקע פלואורסצנטי כשהתיר). התדר עובר ממשוואה. 4 הם מומרים ליחידות אורך גל.
   4. שלא כמו במקרה של התאמה עקומה, "גל" WGM הוא שלא הושג, אך במקום שינוי אורך גל נמדד על פני כל הספקטרום ביחס לספקטרום התייחסות שרירותית. אז ההליך חוזר על עצמו לכל ספקטרום שיש לנתח. השלבים להליך זה הם כדלקמן:
      1. המר את ספקטרום תדרים ליחידות על מנת להבטיח טווח ספקטרום חופשי מתמיד.
      2. בחר את מערך ההתייחסות (כלומר ספקטרום פלואורסצנטי WGM הראשון) שממנו תהיינה ניתן למדוד את כל המשמרות.
      3. לשרבב את הספקטרום להשיג ריווח תדירות אחידה. ¹⁸
      4. בצע התמרה פורה בדידה לקבל את מרכיבי הכח ושלב של כל ספקטרום.
      5. מצא את הבדלי פאזה עבור כל רכיבי K של WGM ניתןספקטרום בו שווי השינוי הוא רצוי, ביחס לספקטרום ההתייחסות.
      6. מצא פאזה באמצעות פרש המופע של או המרכיב העיקרי הפורה בלבד, או התאמה ליניארית משוקללת לרכיבים הנבחרים. זה ייתן לי δf שלב המשמרת או δλ בין ספקטרום WGM וספקטרום ההתייחסות.
      7. את הטעויות במשמרות הרפאים (גבול הגילוי) ניתן למדוד על ידי איסוף ספקטרום נשנה לאותו אנליטי. חוסר ודאות ברגישות ניתן לקבל את השגיאה בהתקפי יניארי המשוקללים, אם רכיבים מרובים משמשים.

חזור על שלבים 1-7 לכל ניתוח. בעוד הליך זה נשמע מסובך, לאחר היישום לראשונה ההליך הוא פשוט לאוטומציה, כך שערכות נתונים גדולות יכולות להיות מעובד תצווינה למצוא את המשמרות. אנו משתמשים בקוד שנכתב Mathematica fo במיוחדr זה הליך, כך שערכות נתונים מלאות יכולות להיות מעובד יצווה "בלחיצת כפתור". בעיקרון, את משמרות רפאים יכולות אפילו חשבו "חיות", אף שלא עשו זאת עדיין.

Representative Results

סטיות קטנות בהליך ייצור הנימים יכולות להוביל לשינויים משמעותיים בשיעור הצלחת המדגם. באיור 5 (מודעה), אנו מציגים דוגמאות מייצגות של נימים נכשלו, כמו גם מוצלחת. ככלל, האינדיקציה ויזואלית של מדגם מוצלח היא פלואורסצנטי אדום בשילוב עם עצמה גבוהה בקירות הנימים ופנים חסרי ייחוד. ספקטרום פלואורסצנטי גם מצביע בבירור את ההבדל בין הצלחה וכישלון (האיור 5e). מדגם טוב צריך להראות מוגדרות היטב (ראות ≈ 0.5) תנודות WGM בספקטרום.

ההתקנה ניתן לתכנת לקחת ספקטרום ברציפות כanalytes נשאבים לתוך תעלת הנימים (איור 6 א). באמצעות הטכניקה שתוארה לעיל, ניתוח הנתונים יכול להתבצע כעבודה יצווה על כל ספקטרום WGM, שאמור לעבור כanalytes שונה מוזרקים לתוך הנימים.כאן, אנו מציגים את התוצאות לסדרת זמן רציפה (כלומר sensorgram) כמים, מתנול, אתנול ולבסוף נשאבים לתוך רצף של הערוץ. רק המרכיב העיקרי הפורה נבחר במקרה זה (איור 6 ב), שכן התוצאות משביעות רצון אפילו נחשבו לניתוח פשוט זה. ברי השגיאה מייצגים סטיית תקן אחת של העמדה לשיא על 100 המדידות הראשונות (עם מים בערוץ).

פעולת Sensorgram של מכשירים אלו (סדרת זמן מתמשך כלומר בניגוד למדידות סטטיות בודדות) נמנעה חסרת תכונות פוטנציאליות מעניינות של ניתוח. לדוגמה, אנו רואים "להקפיץ" את הנתונים במשמרת WGM בין מים ומתנול, המציין אנליטי עם מקדם שבירה גבוהה יותר מאשר כל מרכיב הטהור. למעשה, תערובות מים מתנול ידועים יש מדד גבוה יותר שבירה מאשר כל שלב הטהור, ¹⁹ מצביע על הנוכחות של מיילים קטניםאזור xing בין שני פתרונות. לbiosensing מדידות, אנו צופים כי מדידות sensorgram תהיינה מכריעות לקביעת האופי והייחוד של כריכת אנליטי. באיור 6 ג, אנחנו גם רואים שחוסר הוודאות בעמדת השיא הוא ~ 10 בלילה, שהוא קטן בהרבה ממגרש 110 הצהריים של ספקטרומטר. שיפור זה הוא בר השגה בשל שיטת ניתוח הנתונים, שיכול לזהות שינויים כאן בסדר גודל קטן יותר ממגרש ספקטרומטר.

לבסוף, הרגישות הממוצעת של הנימים ניתן לקבל המשמרת הנקיה לשלושת הפתרונים, מעל הטווח השביר אנליטי המתאים. זה יהיה תלוי בעיקר בעובי הסרט והשביר. האחרון ידועים להיות ~ 1.67, ממדידות ellipsometric על סרטים שטוחים שהוכנו תוך שימוש בשיטות דומות. ²⁰ לקוטר פנימי 30-מיקרומטר, הרגישות המרבית התיאורטית ניתן לחשבשימוש בגישת תורת ההפרעות פותחה במס. ^21, באמצעות פתרונות הגליליים במקום אלה הכדוריים. בשיטה זו, לראשי ערוץ של 1.33, רגישות מקסימלית של (n, l) = (1, 190) המצב הקרוב λ = 780 nm שווה 25.7 ננומטר / Riu לעובי סרט של 265 ננומטר. הרגישות הממוצעת הניסיונית היא 16.0 ננומטר / Riu בטווח אורך גל זה, המציין את עובי הסרט הוא תת אופטימלי.

איור 1. משרעת שדה החשמלית למצבים לוחשים הגלריות של microsphere (), LCORR (ב), וFCM (ג). בשני המקרים האחרונים אנליטי נמצא בערוץ; לmicrosphere, אנליטי הוא מחוץ ולכן זקוק לחדר נפרד. כדי המצב הרדיאלי הוא 1, תוך כדי הזוויתי הוא 53, 52, nd 65, בהתאמה.

האיור 2. (א) בן נימים טבל בפתרון של FOX-15. למרות שלא ניתן לראות את המניסקוס בתצלום, הנסיין יכול לצפות בו עולה הערוץ. (ב) סדרה של נימים סופיות על במת מיקרוסקופ לניתוח ראשוני. ליזר 445 ננומטר הוא אירוע בסמוך למרכז השמאלי ביותר הנימים; הזוהר האדום פלואורסצנטי Si-QD. זה מופיע אינטנסיבי במיוחד, בסופו של הנימים, בשל waveguiding בתוך קירות זכוכית נימים. (ג) מוצלח נימים נערכה בהתקנת ניתוח microfluidic. נוזל שהוחדר לתוך הנימים מmicropump (לא מוצג) זורם מימין לשמאל בערוץ, ונכנס לצינור אחר לסילוק.

= "תמיד">
איור 3. ספקטרום WGM טיפוסי. תמונת פלואורסצנטי העליונה מציגה את עמדתו של חריץ כניסת ספקטרומטר, יחד עם תמונת רפאי 2D המקבילה. ספקטרום 1D הסופי הוא חולץ מהאזור התאגרף.

איור 4 מצב יחיד שחולץ מן ספקטרום WGM נימים וכושר טוב עם הלורנצי טהור (1 Eq.; קו אדום). והלורנצי מוטים (Eq. 2; קו כחול). בזמן האחרון ללא ספק מספק מתאים התאמה טובה יותר, שיא הוא בדרך כלל לא האופציה הטובה ביותר לזיהוי שינויי רפאים קטנים מאוד, כנדרש כדי להשיג את מגבלות זיהוי נמוכות.

איור 5. > (מודעה) מראה סדרה של תמונות פלואורסצנציה של נכשל וFCM מוצלח ():. לא הארה, זה נימים לא מלא כראוי או הפתרון היה כולו התאדה (ב) פלואורסצנטי הצהוב כתום בערוץ הנימים.. כאן, באזור הניאון הוא לא על קירות הנימים אלא במרכז. בכמה דוגמאות, הסרט נראה תצטמק באמצע הערוץ. (ג) מראה פלואורסצנטי האדום חזק אבל חסר WGMs בספקטרום. חלק מהחריגות משתקפות במבנה הסרט. (ד) היו מוצלחות עם נימי WGMs טוב. חתימה אחד מסרטים המוצלחים היא אחידות ערוץ וחוסר תכונות חריגות. ספקטרום פלואורסצנטי המקביל מוצגים ב( ה).

256/50256fig6highres.jpg "/>
איור 6. (א) סדרה של ספקטרום נלקחה כמו מתנול, אז מים, ולאחר מכן אתנול נפלטו לנימים. הספקטרום נלקח ברצף מאדום לכחול. (ב) מראה את ספקטרום ההספק הפורה של כל ספקטרום קרינה. רכיב ^ה 40 מייצג את תנודת WGM הנצפית הראשית. ההבדלים בשלב המתאימים נלקחו לרכיב זה בלבד, והם זממו ב( ג), לאחר המרה למשמרות גל דרך משוואה. 4. ברי השגיאה מייצגים סטיית תקן אחת מהשיא המשמר במשך 60 מדידות. ההבלעה מראה את הרגישות הממוצעת מעל טווח מקדם השבירה ממתנול לאתנול. תיאורטית, גל משמרות גידול במקדם שבירה גוברת ובשל כך אינם מוחלט ליניארי, בהסכם עם נתוני המשמרת הנצפות.

Discussion

microcavities פלורסנט ליבות יכול לשמש כחיישני refractometric. אמנם יש דוגמאות בודדות של microtubes "מגולגל" שיכול לשמש כחיישני microfluidic, ²² בהשוואה לmicrotubes, נימים תהיינה קלות יותר להשתלב setups microfluidic ויש יתרונות מעשיים רבים, שכן הם טפלו בקלות ופשוטה לממשק עם ניתוח התקנה. שימוש בשיטות ניתוח קונבנציונליות פורות, משמרות גל כי הם לפחות בסדר גודל קטן יותר מהמגרש של מערכת ספקטרוסקופיה ניתן לאתר. שיטה זו מאפשרת גם אינטגרציה לתוך מערכות מדידת sensorgram סוג.

FCMs אלה הייתי בעיקר להתחרות עם תהודת טבעת אופטית נוזל ליבה (LCORRs). ^23,24,25 LCORRS הוא זכוכית נימים שדוללו על ידי חימום ומושך, שאיבת HF לערוץ כדי לפזר את המשטח פנימי נימים, או חימום ואינפלציה עם גז דחוס^26. תוצאת טיפולים אלה בנימים עם קירות דקים-מיקרומטר, כפי שנדרשו כדי לתמוך WGMs בעלי זנב חלוף הארכה לערוץ נימים. biosensors LCORR הוכח לגילוי מגוון של analytes היעד השונה. ^27,28,29,30

FCMs יש כמה יתרונות ומגבלות ברורים בהשוואה עם LCORRs. שני המכשירים מסתמכים על זרימת אנליטי באמצעות ערוץ נימים. שניהם מבוססים על כימית סיליקה ויכול להיות פונקציונלי תוך שימוש בשיטות דומות. עם זאת מגבלת הרזולוציה וזיהוי של LCORR תהיה טובה יותר, בהנחה ששיטות ניתוח נתונים מקבילות משמשות. הסיבה לכך היא LCORRs מבוססת על מדידות ליזר מתכוננים דיוק שיש להם קצב דגימה גבוהה מאוד, ואילו FCMs שימוש ספקטרומטר קונבנציונלי. זה מקטין את מגבלות זיהוי (ואולי הרגישות ³¹⁾ של FCM. השגנו עד כה, במקרה הטוב, זיהוי מגבלת oו סביב 10 ^-5 Riu באמצעות וריאציות של טכניקה זו, ואילו ערך של 10 ^-6 Riu הוא סטנדרטי בLCORRs. סוגיה נוספת, לגבי השימוש בספקטרומטר בעלות הכוללת של המערכת. הקרינה מן Si-QDs קלות ניתן למדוד עם מכשירי טביעת רגל קטנה, שאינה מקוררת יד שנערכו-ספקטרומטר כגון אוקיינוס ​​אופטיקה USB2000 סדרה (חשבון ~ 2,000 דולרים כיום). עם זאת, שימוש במכשיר כזה עם FCMs ידרוש בחינה ובניסוי של ההתקנה הניסיונית, שכן הוא לא יכול להיות פשוט להשיג ספקטרום WGM מאזור קטן של הנימים ללא שימוש במיקרוסקופ אובייקטיבי וספקטרומטר הדמיה.

LCORRs דורש שימוש במנגנון שהוא גם יקר וקשה לתפעול "בשדה", כגון ליזר מתכונן וציוד nanopositioning מדויק. יתר על כן, הנימים דקות דופן הן גם שבירות וקשה להתמודד. FCMs, לעומת זאת, זקוק למקור אור כחול כמו siליזר דיודה mple או LED, ואופטיקה כדי להקרין תמונת פלואורסצנטי אל חריץ הכניסה של ספקטרומטר. FCM הוא גם הרבה יותר חזק מאשר LCORR דק הדופן. השיטה גם יכולה להיות מורחבת לסוגים שונים של שכבות ניאון שיכול ביעילות גבוהה יותר ואורכי גל שונים שיא, בהשוואה לSi-QDs. לכן, הבחירה של חיישן מועדף (LCORR לעומת FCM) הייתי כנראה תלויה ביישום המיועד. אם ריכוזים נמוכים מאוד של אנליטי הם הווה, את מגבלות זיהוי הנמוכות של LCORR תהיינה יתרון. אם נוחות שימוש, עמידות, ועלות ניסוי היא הדאגה העיקרית, אז FCM יכול להיות אפשרות טובה יותר אם ספקטרומטר יכול להיות משולב ללא שימוש במיקרוסקופ פלואורסצנטי. למרות שיש יתרונות ומגבלות שונים במובהק, שני המכשירים מבטיחים עבור ניתוח microfluidic של מגוון רחב של analytes הפוטנציאלי.

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.