Summary
형광 코어 microcavity 센서는 실리카 microcapillaries의 채널에 높은 지수 양자 점 코팅을 채용하고 있습니다. 모세관 채널 원인으로 펌프 유체의 굴절률의 변화는 채널 매체를 분석하는 데 사용할 수있는 microcavity의 형광 스펙트럼에 주던 사람이야.
Abstract
본 논문은 마이크로 유체 분석 설정에서 작동 할 수 형광 핵심 microcavity 기반의 센서에 대해 설명합니다. 이러한 구조는 종래의 microcapillary의 채널 표면에 형광 양자 점 (QD) 코팅의 형성을 기반으로합니다. 실리콘 QDs는 기인들이 무시할 독성에 일부 legislatively 많은 나라에서 물질을 제어 II-VI 및 II-VI 화합물 QDs에 비해,이 응용 프로그램에 특히 매력적입니다. 앙상블 방출 스펙트럼은 모세 혈관 기능을 영화 안에 갇혀 빛의 전자기 resonances에 해당하는 형광 스펙트럼에 날카로운 좁은 봉우리의 집합의 채널 벽에시-QD 필름 광범위하고 특색에 있습니다. 이러한 resonances의 피크 파장은 따라서 QDs는 analyte과 물리적 접촉 오지있는 refractometric 센서로 작동 할 수있는 장치를 허용, 외부 매체에 민감합니다. 실험형광 코어 microcapillaries의 제조와 관련된 방법은뿐만 아니라 분석 방법 등, 상세하게 설명되어 있습니다. 마지막으로, 비교 마이크로 감지 기능 측면에서, 이러한 구조와 더 많은 조사 액체 코어 광학 링 resonators 사이에 이루어집니다.
Introduction
오직 작은 샘플 볼륨을 필요로 휴대용 또는 현장 실행할 장치에 통합 될 수 화학 감지 시스템은 새로운 기술의 다양한 발전으로 이어질 수 있습니다. 이러한 기술은 질병과 병원균, 1 환경 오염 물질, 2, 식품 안전을 위해 필드 진단을 포함 할 수 있습니다. 3 여러 기술을 적극적으로 가장 진보 간의 표면 plasmon의 resonances (SPR)의 물리학에 기반 장치, 마이크로 화학 센서에 대한 탐구되고있다. 네이 센서는 현재 많은 특정 분자를 검출 할 수 있으며, 상업적 성공을 달성 한, 주로 큰 규모의 실험실 장비하더라도 5.
최근 몇 년 동안, 광학 microcavities은 SPR 기반 시스템과 경쟁 할 증가하고 있습니다. Microcavities는 아마 증명 한 바이러스에게 6 감지 할 수있는 능력 및 단일 분자로, 놀랍 민감한 될 수 있습니다
원형 단면 (예 : 마이크로, 디스크, 또는 실린더)의 유전체 미세가 속삭이는 갤러리 모드, 또는 WGMs, 유사한 음향 효과 주님 레일 레이의 조사에 지어진 용어로 알려져 전자 resonances 특징을 가지고 있습니다. (10)은 기본적으로 광학 WGM를 파도가 원형 크로스을 circumnavigates 때 발생총 내부 반사, 위상에서의 시작 지점으로 돌아갑니다으로 ection. 실리카 microsphere에 대한 전자기 공명의 예는 그림 1a에 도시된다. 53 파장의 총 적도 (내가 = 53) 주위에 맞게 동안이 공명가 반경 방향에서 한 최대 (n은 = 1)에 의해 특징입니다, 일부만이이 표시됩니다. 필드 강도의 사라져가는 부분은 영역 경계 외부 매체로 확장, 따라서 microsphere의 WGM는 외부 매체를 감지 할 수 있습니다.
모세 혈관 WGM 기반 센서의 특히 흥미로운 예입니다. 모세관, 원통형 WGMs에서는 구형의 경우와 마찬가지로, 원형 단면 주위에 형성 할 수있다. 모세 혈관 벽이 매우 얇은 경우, 전자기 필드의 부분은 모세관 채널 (그림 1b)로 확장합니다. 따라서, 모세 혈관이 채널에 주입 analytes을위한 마이크로 센서 될 수 있습니다. 이 B입니다공진기 액체 핵심 광학 링 (LCORR)의 운영 asis. 11 LCORRs는 WGMs을 알아 내기 위해 정밀 tuneable 레이저 소스의 빛의 사라져가는 커플 링에 의존하고 있습니다. LCORR의 중요한 점은 모세관 벽이 모드 샘플 채널 매체 보장하기 위해 (~ 1 μm) 날씬한해야한다는 것입니다. 이 자신의 제조에 어려움을 배치하고 기계적 연약하게됩니다.
우리의 작업에서 우리는 우리가 형광 핵심 microcavity (FCM)를 호출 다른 구조를 개발했습니다. 12,13를 FCM을 형성하기 위해, 우리 코트 높은 굴절 색인 형광 (특히,의 층과 모세의 채널 벽 산화 - 임베디드 실리콘 양자 점). 영화의 높은 색인이를 WGMs (그림 1C)을 구축, 방출 방사선을 한정해야합니다. LCORR는 대조적으로, FCM에 모드가 방출 형광 스펙트럼에 날카로운 맥시멈으로 나타납니다. 의 두께너무 두꺼운 경우 WGM은 모세관 채널의 미디어를 샘플링하지 않으며, 너무 얇은 경우 광학 구속이 손실 및 WGMs가 약이 될 수 있습니다,이 영화는 매우 중요합니다. 따라서, FCM의 제조는주의 준비를 필요로 어려운 과정입니다. 이것은 현재 논문의 주요 주제입니다.
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Protocol
1. 재료 준비
- Microcapillaries는 방송 업체로부터 실리카 모세관을 가져옵니다. 우리는 Polymicro 기술로부터 모세 혈관을 구입할 수 있습니다. 더 많은 분리 된 스펙트럼 resonances에 대한 (즉, 더 큰 자유 스펙트럼 범위) 또는 더 높은 품질의 요소와 밀접하게 이격 된 resonances을 위해 더 큰 내부 직경 (~ 100 μm) - 작은 내부 직경 (30 μm ~ 25)를 선택합니다. 대형 외부 직경은 FCMs은 내구성이며, 쉽게 넘어 보장합니다.
- 모세 혈관 먼저 제거해야합니다 색 폴리이 미드 자켓,이 마련되어 있습니다. 다이아몬드 섬유 식칼을 사용하여 롤에서 모세의 약 10 cm 조각을 잘라 버릴거야. 각 태그는 하나의 샘플을 의미합니다. 코팅을 구울 수 산소에서 1 시간 650 ° C에서 튜브 용광로에서 이러한을 가열. 이 과정은 실리카는 내부 모세관 노출 자켓 소재를 제거합니다. 실내 온도에 냉각 한 후 capillari에게 제거난방 배에서 에스.
- 수소 실 세스 퀴 옥산 솔루션 수소 실 세스 퀴 옥산 (HSQ)은 새장과 같은 구조로 H 12시 8 O 12 분자로 구성 할보고됩니다. 14 본 자료는 다우 코닝에서 상업적으로 사용할 수 있습니다. 이러한 FOX-15의 여우 시리즈 (유동성 산화물) 솔루션의 하나 HSQ를 구입합니다. 이 솔루션은 고가이며 제한된 수명을 가지고 있으므로 신중한 계획이 필요합니다. MIBK 용매의 증발은 무게 약 18 % HSQ 농도를 제공합니다. HSQ 농도가 너무 낮 으면 양자 점은 영화에 형성되지 않을 수 있습니다. 너무 높은 경우 영화 모세관 채널 표면에서 너무 두껍고 delaminate 수 있습니다. 우리의 경험에서 25-30 μm 내부 직경 ~ 25 중량. %의 HSQ을 포함하는 여우 솔루션 모세관에 가장 적합합니다. 따라서, 그것은을 조정하기 위해 더 많은 HSQ 용매를 (이것은 건조되어 있는지 확인하기) 증발하거나 추가 할 필요가있을 수 있습니다농도. 희석 또는 농도가 필요하다이든 시행 착오없이 결정하기가 어렵습니다, 아래에 설명으로 즉, 샘플을 만들고 결과를 확인합니다.
2. 코팅 모세 혈관의 제조
- 모세관 단계 1.1에서 준비 모세의 조각을 타고 여우 솔루션으로 찍었다가 대신합니다. 솔루션은 모세관 (그림 2A)에 그려집니다으로 모세 혈관이 솔루션을 과감하게 될 때, 당신은 시각적으로 채널 백업 메 니스 커스를 수행 할 수 있어야합니다.
- 초승달 모양의 상단에 도달하면 모세관을 제거하고 유리 어닐링 도가니에 배치합니다. 그것은 이제 완전히 여우 솔루션으로 가득해야합니다. 성공의 가능성을 높이기 위해 가능한 한 많은 샘플에 대해이 과정을 반복합니다. 우리는 일반적으로 20-30의 배치를 실행하고 무게로 HSQ 솔루션의 두 가지 농도를 사용합니다. 우리는 공기에있는 모세 혈관을 작성할 수 있지만 유지 t가능하면 그는 글러브 박스에 차게 여우 솔루션은 산소와 수증기에 솔루션의 노출을 최소화하기 위해 권장합니다. 비록 작은 노출이 솔루션의 겔화 될 수 있습니다.
- 두 단계 과정에서 모세 혈관을 어닐링 어닐링. 어닐링은 용매를 증발하고 채널 벽에 준수 그런가 X 필름을 형성 HSQ 케이지 구조를 축소. 높은 온도에서 소둔은시 양자 점에 SIO X 영화는 실리카 매트릭스에 분산 disproportionates. 어닐링 단계는 30 분 실온에서 300 램프 ° C, 용매를 증발하는 3 시간에 머물러 다음 1100에 램프 ° 45 분, 그리고이 QDs를 침전 한 시간 동안 머물러에서 C.를 포함
- 실온으로 돌아 (~ 12 시간) 모세 혈관은 천천히 시원한 보자. 이 모세 혈관 벽에 증착 필름의 스트레스 관련 균열을 최소화하는 데 도움이됩니다. 기타 어닐링 프로토콜 수아마도 따라야 더 신뢰할 수 있지만, 고온 1,000-1,100에서 무대를 단련 ° C는 항상 QDs를 형성 할 필요가 있습니다. 이 단계의 끝에서, 하나는 (희망) 실리카 매트릭스 코팅 채널이 벽에 포함 된 형광 QDs의 레이어로 20-30 모세 혈관이 있어야합니다.
3. 성격 묘사
- 모세 혈관은 700-900 nm의 파장 범위에서 이미징 및 분광을 모두 수행해야합니다 탑재되어있는 형광 현미경을 확인 드셔보세요. Epifluorescence 또는 공 촛점 설정이 목적에 적합합니다. 빨리 시각적 분석 (그림 2B)에 대한 그들 사이에 이동이 용이 있도록 스테이지에있는 후보 모세 혈관의 행을 삽입합니다. 중 현미경 무대에서 여유 공간, 또는 직접 이색 성 필터를 사용하여 목표 렌즈를 통해 청색 또는 UV 방사선으로 모세 혈관을 자극하고, 접안 렌즈를 사용하여 형광 이미지를 관찰또는 컬러 카메라.
- 모세관 형광을 관찰합니다. 제조가 성공했다면 모세 혈관은 밝은 붉은 색 형광을 전시합니다. 이 유리한 샘플의 첫 번째 표시입니다. 일반적으로 오렌지 노란색 형광을 (대신 QDs과 관련된 붉은 색의) 전시 모세 혈관 원하는 광학 특성이 없습니다. 이 샘플은 또한 낮은 HSQ 농도와 솔루션에 더 자주 형성하는 경향이 있습니다. 일부 모세 혈관은 전혀 형광 표시하지 않을 수 있습니다,이 경우에는 QD이 영화는 형성하지 않았고, 모세는 (유리 sharps) 폐기 할 수 있습니다. 이 솔루션은 모세관에 그려되지 않았을 수 있습니다, 또는 HSQ에 결함되었습니다 수 있다는 표시입니다. 마지막으로, 일부 샘플 금이 간이나 질감이 필름을 표시 할 수 있습니다,이 또한 폐기 할 수 있습니다.
- 실리콘 QDs의 밝은 적색 형광 특성을 보여 제외한 이전 단계에서 언급 된 모든 샘플을 폐기하십시오.
- 형광 스펙트럼의 WGMs의 존재가 분광계의 입구 슬릿에 원하는대로 이미지를 정렬되었는지 확인하고 형광 스펙트럼을 수집를 확인합니다. 허용 신호 대 잡음 비율을 생산하기로 있도록 수집 시간을 조정합니다. 필요에 따라 파장 및 강도 보정을 수행합니다. QD 스펙트럼는 700에서 900 나노 미터의 파장 범위에서 강렬한해야합니다. 모세관 내벽에 해당하는 지역에서 가져온 스펙트럼은 원통형 속삭 갤러리 모드 (WGMs)의 존재로 인해 강력한 진동을 표시해야한다이 성공적으로 refractometric 센서의 두 번째 - 투 - 마지막 요구 사항입니다.
- 일부 샘플 스펙트럼의 밝은 붉은 색 QD 형광하지만 부족 WGM의 진동이있을 수 있습니다. 이 표시 QD 영화는 광학 resonances을 파괴 모세 혈관 벽에서 금이 간 또는 delaminated입니다. WGMs없이 모세 혈관을 폐기하십시오. 이 시점에서, 만 (일반적으로 SMA센서 요구 사항을 충족 샘플 붙인다) 일부가 남아있다. 수행 할 마지막 시험이 있습니다.
- Refractometric 분석 tygon, 테플론, 또는 누구의 내경 모세관 외경보다 약간 커야합니다 의도 analyte 솔루션과 화학적으로 호환 다른 튜브, 폴리에틸렌으로 후보 모세 혈관을 연결합니다. 모세관에 펌핑을하게 할 수있는 솔루션과 반응하지로 튜브의 선택 그렇게하여야한다.
- 튜브에 모세관 유리를 첨부 할 좋은 접착제를 사용하고, 그렇지 않으면 모세 - 튜브 인터페이스가 누출됩니다. 우리는 놀 랜드 NOA-76 또는 마스코트 인스턴트 접착제 젤을 사용하여 합리적으로 좋은 성공을 갖추고 있습니다. 접착제의 선택은 모세관 유리 및 튜브, 그리고 채널 유체와 반응 부족의 접착력에 따라 달라집니다. 모세관 채널 안으로 들어 와서하고 차단에서 접착제를 방지하기 위해주의를 사용합니다.
- 튜브를 인터페이스micropumping 시스템에 주사기를 통해. 이러한 메탄올, 에탄올 및 물과 같은 잘 알려진 굴절 인덱스가있는 화합물은 장치의 refractometric 감도를 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 이 성공적으로 센서의 마지막 시험입니다. (그림 2C) 모세관과 튜브 사이의 접착제 인장을 터뜨릴하지 않도록하고, 모세관에 각각 유체를 한 번에 하나씩, 펌프입니다.
- 모세관 내부의 각 액체와 스펙트럼을 수집합니다. TE-편광 WGMs (축 모세관하기 위해 분석기 병렬) 및 TM-편광 WGMs (축 모세관하기 위해 분석기 수직)를 구분하는 빛 경로에 분석기를 사용하십시오. 모세의 각 다른 솔루션으로, WGM resonances, TE 또는 TM 하나의 파장에 변화가 있어야합니다. 더 관찰 변화가없는 경우, 양자 점 영화가 너무 두꺼운하며 WGMs는 충분히 채널 매체를 맛보실하지 않습니다. 성공적인 샘플에서 우리는 일반적으로 5 ~ 15 nm의 민감한를 관찰당 솔루션 굴절률 장치 (RIU). 거의 쇼 WGMs을 모든 샘플 측정 감도를 보여하지만, 준비된 모세 혈관의 작은 부분 일반적으로 만 WGMs을 보여줍니다.
4. 데이터 분석
- 형광 스펙트럼은 샘플의 형광 스펙트럼을 가지고 구하기. biosensing 응용 프로그램의 경우, 채널 표면은 특정 analytes에 대한 기능화 할 첫번째가 있습니다. QD 필름의 표면은 기본적으로 실리카입니다, 많은 표면 수정 조리법이 존재하므로. 에 관계없이 응용 프로그램의, 마지막 단계는 데이터 처리 및 분석입니다.
- 낮은 검출 한계를 달성하는 것은 "변화 해상도"는 공칭 분광계 해상도 나 피치보다 훨씬 작아야합니다 작은 스펙트럼 변화 - 이상적으로 측정이 필요합니다. 케어는이 때문에 스펙트럼 처리에 행사해야합니다. 특히 많은 이미지 분석기에의 스펙트럼은 CCD에 완벽하게 수평 투영 할 수 없습니다, 분석 사이의 샘플 이미지가 슬릿에 수직으로 앉, 경우에 따라서 허위 스펙트럼 변화를 얻을 수있다. 이 발생하지 않도록하는 데 필요한 어떤 수단을 사용하여, 예를 들어 투영 스펙트럼의 각도를 결정하고 그것을 해결하기 위해 표준 보정을 사용하여 샘플 드리프트를 최소화하고, 동일한 CCD 픽셀 모든 스펙트럼을 얻을하는 데 사용됩니다 있는지 확인 .
예를 들어 스펙트럼 이미지가 모드 채널 벽에 해당하는 위치에서 강력한 진동으로 표시 그림 3에 표시됩니다. 스펙트럼 이미지 출력 1D 스펙트럼 데이터, 아래에 설명 된 바와 같이 WGM의 변화의 곡선 피팅 및 푸리에 분석을 수행을 가져 Mathematica 컴퓨터 코드를 (또는 그룹이 선호 일)을 사용합니다.
- 낮은 검출 한계를 달성하는 것은 "변화 해상도"는 공칭 분광계 해상도 나 피치보다 훨씬 작아야합니다 작은 스펙트럼 변화 - 이상적으로 측정이 필요합니다. 케어는이 때문에 스펙트럼 처리에 행사해야합니다. 특히 많은 이미지 분석기에의 스펙트럼은 CCD에 완벽하게 수평 투영 할 수 없습니다, 분석 사이의 샘플 이미지가 슬릿에 수직으로 앉, 경우에 따라서 허위 스펙트럼 변화를 얻을 수있다. 이 발생하지 않도록하는 데 필요한 어떤 수단을 사용하여, 예를 들어 투영 스펙트럼의 각도를 결정하고 그것을 해결하기 위해 표준 보정을 사용하여 샘플 드리프트를 최소화하고, 동일한 CCD 픽셀 모든 스펙트럼을 얻을하는 데 사용됩니다 있는지 확인 .
- 곡선 피팅은 analytes으로 인해 작은 스펙트럼의 변화를 측정 할 수있는 WGM 피크 파장을 결정 전N FCM 채널. 스펙트럼 모양을 설명하는 함수를 하나의 모드를 맞추기 -이 정상 위치를 얻기 위해 일반적인 방법입니다. 이상적인 경우,이 Lorentzian 함수가 될 (를 통해 파장의 주파수 단위에 적절한 변환 δλ = │ - cδf / F 2 │ 여기서 C는 빛의 속도이다)합니다
EQ합니다. 1은 스케일링 매개 변수이며, F 0 중앙 주파수입니다. 불행하게도, FCMs는 이상적인 경우되지 않습니다.- 원통형 충치에서 WGMs은 높은 주파수, 나선형 resonances의 발전에 가능성 인하여 (wavevector의 0이 아닌 축 구성 요소와 WGMs)로 편향되어 있습니다. 15 Lorentzian 따라서 정상 위치를 결정하기위한 제대로 수행 맞출 수 있습니다. 불행하게도, 기능 일 더이 없습니다에는 나선형 WGMs에서 중복 Lorentzians의 분포를 맞습니다. 이전 작품 16 우리는 왜곡 Lorentzian 17 더 나은 적합을 제공한다고 제안 :
여기와 B가 매개 변수를 skewing 있습니다. 그림 4, EQ에서 볼 수 있듯이. 2 EQ보다 데이터에 더 적합을 제공하지 않습니다. 1,하지만 불행하게도 WGMs의 이론에 물리적으로이 없습니다.
- 원통형 충치에서 WGMs은 높은 주파수, 나선형 resonances의 발전에 가능성 인하여 (wavevector의 0이 아닌 축 구성 요소와 WGMs)로 편향되어 있습니다. 15 Lorentzian 따라서 정상 위치를 결정하기위한 제대로 수행 맞출 수 있습니다. 불행하게도, 기능 일 더이 없습니다에는 나선형 WGMs에서 중복 Lorentzians의 분포를 맞습니다. 이전 작품 16 우리는 왜곡 Lorentzian 17 더 나은 적합을 제공한다고 제안 :
- 푸리에 이동 분석 또는 데이터는 이산 푸리에 변환을 사용하여 처리 할 수 있으며, 해당 단계는 푸리에 스펙트럼에서 측정 교대. 하나의 임의의 WGM를 사용하여 반대로이 방법은 전체 스펙트럼의 주기성을 활용합니다. 그것은 정상 파장 위치를 측정하지만, 대신 전체 변화를 측정하지 않습니다임의의 참조 스펙트럼에 대해 주어진 WGM 스펙트럼의.
- 스펙트럼 변화를 얻기 위해 메인 WGM 스펙트럼 진동에 해당하는 높은 전력 푸리에 구성 요소에 대한 위상차 Δφ을 사용합니다. 이 중 실제 WGM 주파수 변화에 대응 :
δf = Δφ (F 맥스 - F 분) / (2πk)
어디에서 F 분, F 최대의 스펙트럼의 최소 및 최대 주파수입니다. 는 기본 구성 요소를 사용하는 경우에는 많은 정보가 폐기 될 수있다; 또한, 잘라 내기 문제가 어렵게 구성 요소의 주요 하나입니다 결정 할 수 있도록 할 수 있습니다. 종종, 최상의 결과를 푸리에 구성 요소를 선택 할에 일부 시행 착오가 필요합니다. - 변화의 정리 대신 푸리에 구성 요소를 모두 사용합니다. 따라서, 순수한 변화에 대해 각각의 구성 요소 (K에 비례 이동합니다 K로) 구성 요소 수치. 즉, δφ K = MK, 비례의 m은 실제 변화의 척도입니다. 총 주파수 편이 따라서 주어집니다 :
δf = m (F 맥스 - F 분) / (2π).
이 푸리에 구성 요소의 일부 또는 전부에 대한 ΔΦ K 상 차이 선형 운동에서 얻을 수에 m이 필요합니다. - 실제 데이터를 들어, 선형 관계 ΔΦ K = MK는 저전력 푸리에 구성 요소에 중요한 영향을 미칠 수 소음 및 배경 신호로 인해 불확실성을해야합니다. 따라서, 우리는 ΔΦ K 대의 경사를 얻기 위해, 각 구성 요소에 무게가 힘에 비례하는, 가중 선형 운동을 권장합니다 K 그래프. 스펙트럼은 높은 주파수 (모두를 제거하려면, 이전에 피팅의 주요 구성 요소 주위에 필터링 할 수 있습니다 N우아즈)과 낮은 주파수 (uncoupled 형광 배경). 주파수 EQ에서 주던 사람이야. 4 다음 파장 단위로 변환됩니다.
- 곡선 피팅의 경우와 달리, WGM "파장"이 얻을되지 않습니다, 대신 파장 변화는 임의의 참조 스펙트럼에 대해 전체 스펙트럼을 통해 측정됩니다. 모든 스펙트럼을 분석하는 절차는 다음 반복됩니다. 이 절차에 대한 단계는 다음과 같습니다 :
- 일정한 무료 스펙트럼 범위를 보장하기 위해 주파수 단위로 스펙트럼을 변환합니다.
- 모든 변화를 측정 할 수있는 기준 데이터 세트 (예 : 첫 번째 WGM 형광 스펙트럼)을 선택합니다.
- 보간은 스펙트럼 균일 한 주파수 간격을 얻을 수 있습니다. 18
- 각 스펙트럼의 능력과 위상 구성 요소를 얻기 위해 이산 푸리에 변환을 수행합니다.
- 주어진 WGM의 모든 K 구성 요소의 위상 차이를 찾기스펙트럼하는 편이 값은 참조 스펙트럼에 대해, 원하는 수 있습니다.
- 하나는 기본 푸리에 구성 요소 또는 선택한 구성 요소에 대한 가중 선형 피팅의 위상 차이를 사용하여 위상 편이를 찾습니다. 이 WGM 스펙트럼과 기준 스펙트럼 사이의 위상 편이 δf 또는 δλ를 제공합니다.
- 스펙트럼 변화 (검출 한계)의 오류는 동일한 analyte를 위해 반복적으로 스펙트럼을 수집하여 측정 할 수 있습니다. 감도의 불확실성은 여러 구성 요소가 사용되는 경우, 가중 선형 맞게에서 오류에서 얻을 수 있습니다.
- 스펙트럼 변화를 얻기 위해 메인 WGM 스펙트럼 진동에 해당하는 높은 전력 푸리에 구성 요소에 대한 위상차 Δφ을 사용합니다. 이 중 실제 WGM 주파수 변화에 대응 :
반복은 모든 분석을 위해 1-7 단계를 반복합니다. 이 절차가 복잡 소리 있지만, 초기 구현 한 절차는 큰 데이터 세트는 변화를 찾아 처리 배치 할 수 있도록 자동화 간단합니다. 우리는 특별히 구경 작성된 Mathematica 코드를 사용전체 데이터 세트가 "버튼을 눌러"일괄 처리 할 수 있도록 R이 절차. 아직이 작업을 완료하지 않은하지만 원칙적으로 스펙트럼 변화는, "라이브"계산 할 수 있습니다.
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Representative Results
모세관 제조 과정에서 작은 편차는 표본의 성공률을 크게 변화 될 수 있습니다. 그림 5 (광고)에서, 우리는 실패 모세 혈관의 대표적인 사례뿐만 아니라 성공적인 광고를 게재합니다. 일반적으로 성공적인 샘플의 시각적 표시는 모세관 벽에서 높은 강도와 특색 인테리어와 함께 붉은 색 형광입니다. 형광 스펙트럼은 명확하게 성공과 실패 (그림 5E 호야)의 차이를 나타냅니다. 좋은 예제는 스펙트럼에서 잘 정의 (가시성 ≈ 0.5) WGM의 진동을 표시해야합니다.
analytes는 모세관 채널 (그림 6A)에 양수하기 때문에 설치가 계속 스펙트럼을하도록 프로그래밍 할 수 있습니다. 기술을 사용하면 위의 설명에 따라 데이터 분석은 여러 analytes는 모세 혈관에 주입하기 때문에 이동해야합니다 모든 WGM 스펙트럼에 배치 작업으로 수행 할 수 있습니다.여기, 우리는 물, 메탄올 등의 연속 시계열 (예 : sensorgram)의 결과를 표시하고, 마지막으로 에탄올은 채널에 순차적으로 펌핑되어 있습니다. 결과가이 간단한 분석을 위해 충분한 것으로 간주 된 이후 만 주 푸리에 구성 요소는 (그림 6B)이 경우에 선정되었습니다. 오류 막대는 처음 100 측정 (채널에 물)의 피크 위치의 하나의 표준 편차를 나타냅니다.
이러한 장치의 Sensorgram 운영 (단일 정적 측정과 반대로 즉, 지속적인 시계열)은 분석의 잠재적 흥미로운 기능을 누락 방지합니다. 예를 들어, 우리는 하나 순수한 구성 요소보다 높은 굴절률과 analyte를 나타내는, 물과 메탄올의 WGM 이동 데이터에 "충돌"을 참조하십시오. 사실, 수상 메탄올 혼합물은 작은 미의 존재를 제안 중 순수 단계보다 높은 굴절률, 19을 가지고 알려져 있습니다두 솔루션 간의 횡단 지역. 측정을 biosensing를 들어, sensorgram 측정은 analyte 바인딩의 특성과 특이성을 결정하기위한 중요한 될 것이라고 기대하고 있습니다. 그림 6C에서, 우리는 정상 위치에 불확실성이 분광계의 110시 피치보다 상당히 작습니다 ~ 10 오후입니다 참조하십시오. 이 개선 때문에 여기 교대에게 분광계 피치보다 작은 크기의 순서를 감지 할 수있는 데이터 분석 방법의 달성이다.
마지막으로, 모세 혈관의 평균 감도는 해당 analyte의 굴절률 범위의 세 솔루션에 대한 순 이동에서 구할 수 있습니다. 이 주로 필름 두께와 굴절률에 따라 달라집니다. 후자는 유사한 방법을 사용하여 준비 평면 영화에서 ellipsometric 측정에서, ~ 1.67로 알려져 있습니다. 20 30 μm 내경은 이론적 인 최대 감도 계산 될 수있다참조에서 개발 섭동 이론 접근법을 사용. 21 대신 구형 사람의 원통형 솔루션을 사용합니다. 이 방법을 사용하면, 1.33, (N, L)의 최대 감도 = (1, 190) λ는 = 780 나노 미터 부근 모드의 채널 색인을위한 25.7 nm의 / 265 nm의 필름 두께에 대한 RIU 동일합니다. 실험 평균 감도는 필름 두께가 하위 최적임을 나타냅니다, 16.0 nm의 /이 파장 범위에서 RIU입니다.
microsphere의 속삭임 갤러리 모드 (), LCORR (B), 그리고 FCM (주)에 대한 그림 1. 전기 필드 진폭. 후자의 두 경우죠 analyte은 채널 내부이다; microsphere를 들어, analyte이 밖에 있으므로 별도의 챔버가 필요합니다. 각 순서는 52 53입니다 동안 레이디 얼 모드 명령은, 1기 65, 각각.
그림 2. (가) 모세관 존재 폭스-15의 솔루션을 과감하게. 이 사진에있는 초승달 모양을 볼 수 없습니다 만, 실험은 채널을 상승 볼 수 있습니다. 최종 모세 혈관 (B) A 세트 예비 분석을위한 현미경 무대에서. 445-nm의 레이저는 왼쪽 모세관의 중심에서 가까운 사건이며, 붉은 빛은시-QD 형광입니다. 이 유리 모세관 벽에서 waveguiding로 인해 모세 혈관의 끝 부분에 특히 강한 나타납니다. (C) A 성공은 마이크로 유체 분석 설정에서 개최 모세관. micropump (미도시)에서 모세 혈관에 주입 유체 채널을 통해 오른쪽에서 왼쪽으로 흐르는, 그리고 폐기에 대해 다른 관을 입력합니다.
그림 3. 전형적인 WGM 스펙트럼. 상단 형광 이미지는 해당 2D 스펙트럼 이미지와 함께 분광계 입학 슬릿의 위치를 보여줍니다. 추출 최종 1D 스펙트럼은 네모 지역에서입니다.
그림 4 모세관 WGM 스펙트럼에서 추출하여 순수 Lorentzian (Eq. 1; 빨간색 선)에 맞게 단일 모드를 사용합니다.과 왜곡 Lorentzian (Eq. 2, 파란 선). 후자는 분명히 제공하지만 더 나은 적합, 피크 피팅은 일반적으로 낮은 검출 한계를 달성하는 데 필요한 매우 작은 스펙트럼 변화를 식별하는 가장 좋은 옵션이되지 않습니다.
그림 5.
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그림 6. 한 후 다음 메탄올로 이동 스펙트럼의 (A) 세트, 물, 에탄올은 모세 혈관에 양수했다. 스펙트럼은 빨간색에서 파란색으로 순차적으로 이동되었습니다. (b)는 각각의 형광 스펙트럼의 푸리에 파워 스펙트럼을 보여줍니다. 40 번째 구성 요소는 주요 관찰 WGM 진동을 나타냅니다. 해당 위상 차이는이 구성 요소에 촬영 된, 그리고 EQ를 통해 파장 교대로 전환 후, (C)에 역모를하고 있습니다. 4. 오차 막대는 60 측정 용 피크 변화 중 하나 표준 편차를 나타냅니다. 삽입은 메탄올에서 에탄올의 굴절률 범위의 평균 감도를 보여줍니다. 이론적으로, 파장이 증가하고 굴절률을 증가 주던 및 관측 시프트 데이터와 계약에 따라서 엄격하게 선형 없습니다.
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Discussion
형광 코어 microcavities은 refractometric 센서로 사용할 수 있습니다. 마이크로 센서, microtubes에 비해 22 활동할 수 "올리고"microtubes의 절연 예제가 있지만 그들은 쉽게 분석 처리 및 인터페이스에 대한 간단한되므로, 모세 혈관은 마이크로 유체 설정에 통합하고 상당한 실질적인 장점이 쉽게 될 것입니다 설정. 기존의 푸리에 분석 방법을 사용하여 분광 시스템의 피치보다 작은 크기의 최소 주문 아르 파장 변화가 감지 할 수 있습니다. 이 방법은 또한 sensorgram 형 측정 시스템에 통합 할 수 있습니다.
이 FCMs는 주로 액체 코어 광학 링 resonators (LCORRs)와 경쟁합니다. 23,24,25 LCORRS은 가열 및 당겨, 내부 모세관 표면, 또는 난방 및 인플레이션을 분해하는 채널로 HF를 펌핑하여 얇게 한 유리 모세 혈관 아르 가압 가스.으로 모세관 채널로 확장 사라져가는 꼬리를 갖는 WGMs을 지원하기 위해 필요한 마이크로 미터 - 얇은 벽과 모세관 26이 치료 결과. LCORR의 바이오 센서는 서로 다른 대상 analytes의 다양한 발견을 위해 증명되었습니다. 27,28,29,30
FCMs는 LCORRs에 비해 몇 가지 명확한 장점과 제한이 있습니다. 두 디바이스는 모세관 채널을 통해 analyte의 흐름에 의존하고 있습니다. 모두 실리카 화학에 기초와 유사한 방법을 사용하여 기능화 할 수 있습니다. 그러나 LCORR의 해상도와 검출 한계가 동등한 데이터 분석 방법을 사용하는 가정, 더 나은 될 것입니다. LCORRs이 FCMs는 기존의 분광기를 사용하는 반면, 매우 높은 샘플링 속도를 정밀 조정할 수있는 레이저 측정을 기반으로하기 때문입니다. 이 FCM의 검출 한계를 (그리고 잠재적으로 감도 월 31 일) 낮 춥니 다. 우리는 지금까지 가장에서, 검출 한계 o를 달성 한10 -6 RIU의 값이 LCORRs의 표준 반면 F -5 약 10 RIU,이 기술의 변형을 사용합니다. 또 다른 문제는 전체 시스템 비용 분석기의 사용에 관한 것이다. 시 - QDs에서 형광 쉽게 예를 오션 광학 USB2000 시리즈 (현재 ~ $ 2,000 비용)와 같은 소형 풋 프린트, 비 냉각 휴대용 분광계 장치와 측정 할 수 있습니다. 이 현미경 대물과 이미지 분석기를 사용하지 않고 모세관의 작은 지역에서 WGM 스펙트럼을 얻기 위해 간단하지 수 있기 때문에 FCMs와 같은 장치의 사용은 고려하고 실험 설정의 테스트가 필요합니다.
LCORRs는 조정할 레이저와 정밀 nanopositioning 장비로, "현장에서"작동 비용과 어려운 양쪽 장치의 사용을 필요로합니다. 또한, 얇은 벽 모세는 불안정하고 처리하기 어려운 모두 있습니다. FCMs는 반면, 같은시 같은 푸른 색 광원이 필요합니다mple 다이오드 레이저 또는 LED 및 분석기의 입구 슬릿에 형광 영상을 투사 할 수 광학. FCM은 훨씬 더 강력한 얇은 벽 LCORR보다. 방법은 높은 효율성과 같은시 - QDs에 비해 다른 피크 파장을 가질 수 형광 층의 다른 유형에 연장 할 수있다. 따라서, 선호하는 센서 (LCORR 대 FCM)의 선택은 아마도 의도 응용 프로그램에 따라 달라집니다 것입니다. analyte의 매우 낮은 농도가 존재하면, LCORR의 낮은 검출 한계가 바람직 할 것입니다. 사용, 내구성, 및 실험 비용의 용이성이 주요 관심사 인 경우에는 FCM은 분광계는 형광 현미경을 사용하지 않고 통합 할 수 있다면 더 나은 옵션이 될 수 있습니다. 완전히 다른 장점과 한계를 가지고 있지만, 두 장치는 잠재적 analytes 다양한 범위의 마이크로 유체 분석 가능성이 있습니다.
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Disclosures
우리는 공개 할 아무 것도 없습니다.
Acknowledgments
이 연구는 NSERC, 캐나다의 지원을받는되었다.
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. |
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References
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