Syntese og drift av Fluorescent-core Microcavities for Refractometric Sensing

Summary

Fluorescent-core microcavity sensorer benytter en høy-indeks kvante-dot belegg i kanalen av silika microcapillaries. Endringer i brytningsindeksen av fluider pumpet i kapillarkanalen årsaken vridninger i microcavity fluorescens spekteret som kan brukes til å analysere kanalen medium.

Abstract

Artikkelen diskuterer fluorescerende kjernen microcavity-baserte sensorer som kan operere i en microfluidic analyse oppsett. Disse strukturene er basert på dannelsen av en fluorescerende kvante-dot (QD) belegg på kanalen overflaten av et konvensjonelt microcapillary. Silicon QDs er spesielt attraktive for dette programmet, grunn delvis til deres ubetydelig toksisitet sammenlignet med II-VI og II-VI sammensatte QDs som er legislatively kontrollerte stoffer i mange land. Mens ensemblet emisjonsspektrum er bred og særpreg, en Si-QD film på kanalen veggen av en kapillær funksjoner et sett av skarpe, smale topper i fluorescens spektrum, tilsvarende de elektromagnetiske resonanser for lys fanget innenfor filmen. Toppen bølgelengde av disse resonanser er følsom for den eksterne mediet, og således tillate at enheten skal fungere som et refractometric sensor der QDs aldri komme i fysisk kontakt med analytten. Den eksperimentellemetoder forbundet med fremstillingen av den fluorescerende-core microcapillaries er diskutert i detalj, samt analysemetoder. Endelig er det foretatt en sammenligning mellom disse strukturer og de mer allment undersøkt væske-core optiske ring resonatorer, i form av microfluidic sensing evner.

Introduction

Kjemiske sensing systemer som krever bare små prøvevolumer og som kan bli innarbeidet i håndholdte eller felt-opererbar enheter kan føre til utvikling av et bredt spekter av nye teknologier. Slike teknologier kan inkludere felt diagnostikk for sykdommer og patogener, ¹ miljøgifter, ² og mattrygghet. ³ Flere teknologier blir aktivt utforsket for microfluidic kjemiske sensorer, med enheter basert på fysikken i overflaten plasmon resonans (SPR) blant de mest avanserte. ⁴ Disse sensorene er nå i stand til å oppdage mange spesifikke biomolekyler og har oppnådd kommersiell suksess, men hovedsakelig som større skala lab utstyr. ⁵

I de senere årene har optiske microcavities steget å konkurrere med SPR-baserte systemer. Microcavities kan være utrolig følsom, med demonstrert evne til å oppdage enkle virus ⁶ og kanskje til og med enkle biomolekyler 8 men det er ingen tvil om at massen deteksjonsgrenser er små ^9). I microcavities, stoler deteksjon mekanismen av endringer i de optiske resonanser forårsaket av tilstedeværelsen av en analytt i det elektriske felt profilen av resonans. Typisk vil en gitt analytt føre resonans å endre i i sentrale frekvens, sikt, eller linewidth. Som med SPR systemer kan microcavities fungere som uspesifikke refractometric sensorer, eller som biosensorer funksjonalisert for en bestemt analyse.

Dielektriske mikrostrukturer med et sirkulært tverrsnitt (f.eks mikrosfærer, disker, eller sylindere) er preget av elektromagnetiske resonans kjent som Whispering Gallery moduser, eller WGMs, et begrep som går tilbake til Lord Rayleigh undersøkelser av analoge akustiske effekter. ^Ti hovedsak en optisk WGM oppstår når en bølge circumnavigates sirkulær korset sEL ved total intern refleksjon, og returnerer til sitt utgangspunkt i fase. Et eksempel på en elektromagnetisk resonans for en silisiumdioksyd mikrokule er illustrert i figur 1a. Denne resonans er preget av en maksimum i radial retning (n = 1), mens totalt 53 bølgelengder passer rundt ekvator (l = 53), er bare noen av disse er vist. Den flyktige delen av feltintensiteten strekker inn i mediet utenfor sfæren grense; dermed mikrokule WGM kan ane eksterne medium.

Kapillærer er en spesielt interessant eksempel på en WGM-baserte sensor. I en kapillær, sylindriske WGMs kan dannes rundt den sirkulære tverrsnitt, lik den saken for en sfære. Hvis kapillær veggen er svært tynn, strekker en del av det elektromagnetiske feltet i kapillarkanalen (Figur 1b). Dermed kan en kapillær være en microfluidic sensor for analytter injisert inn i kanalen. Dette er Basis av drift av flytende kjerne optisk ring resonator (LCORR). ¹¹ LCORRs avhengige svinnende kopling av lys fra en presisjon avstembart laserkilde å sondere WGMs. En viktig del av den LCORR er at kapillærveggene må være tynn (~ 1 um) for å sikre at modusen prøvene kanalen medium. Dette legger noen problemer på fabrikasjon deres og får dem til å være mekanisk skjøre.

I vårt arbeid har vi utviklet et alternativ struktur vi kaller et fluorescerende kjerne microcavity (FCM). ^12,13 å danne en FCM, vi pels kanalen veggene i et kapillær med en høy brytningsindeks-indeksen fluoroforen (spesifikt, et lag av oksid-innebygde silisium quantum prikker). Den høye indeks av filmen er nødvendig for å begrense den emitterte stråling, og dermed bygge opp WGMs (figur 1c). I motsetning til den LCORR, i en FCM modiene være skarpe maksima i en slippes fluorescens spektrum. Tykkelsen avFilmen er kritisk viktig, hvis den er for tykk til WGM ikke prøve mediet i kapillarkanalen, og hvis det er for tynt den optiske innesperring er tapt og WGMs bli svak. Således er fremstillingen av en FCM en vanskelig prosess som krever nøye forberedelse. Dette er hovedtemaet i dagens papir.

Protocol

1. Utarbeidelse av materialer

1. Microcapillaries Skaffe silika kapillærer fra en kommersiell leverandør. Vi kjøper våre kapillærer fra Polymicro Technologies. Velg en liten indre diameter (~ 25-30 mikrometer) for mer vidt atskilte spektrale resonanser (dvs. en større gratis spektralområdet) eller en større indre diameter (~ 100 mikrometer) for tettere linjeavstand resonans med høyere kvalitet faktorer. En stor ytre diameter sikrer FCMs er slitesterk og lett manipuleres.
   1. Kapillarene har en farget polyimid jakke, som må fjernes først. Skjær ca 10 cm biter av kapillære fra rullen, med diamant fiber cleaver. Hver brikke utgjør en enkelt prøve. Varm disse i en rørovn ved 650 ° C i én time i oksygen til å brenne av belegget. Denne prosessen fjerner jakken materialet, utsette silika kapillær innsiden. Etter avkjøling til romtemperatur, fjernes capillaries fra oppvarmings båten.
2. Hydrogen silsesquioxane løsninger Hydrogen silsesquioxane (HSQ) er rapportert å bestå av H ₁₂ Si ₈ O ₁₂ molekyler med et bur-lignende struktur. ^14. Dette materialet er kommersielt tilgjengelig fra Dow Corning. Kjøpe HSQ i en av dens Fox-serien (flytbare oksid) løsninger, som for eksempel Fox-15. Disse løsningene er dyre og har en begrenset holdbarhet, så nøye planlegging er nødvendig. Inndampning av MIBK oppløsningsmidlet gir en HSQ konsentrasjon på ca 18 vekt%. Hvis HSQ konsentrasjonen er for lav, kan kvanteprikker ikke dannes i filmen. Hvis den er for høy, kan filmene være for tykt og delaminere fra kapillarkanalen overflaten. I vår erfaring, for en kapillær med en 25-30 mikrometer indre diameter, en rev som inneholder ~ 25 wt.% HSQ er best. Således kan det være nødvendig å fordampe eller legge mer HSQ løsningsmiddel (å sørge for at det er tørt) for å justerekonsentrasjon. Hvorvidt en fortynning eller konsentrasjon er nødvendig er vanskelig å fastslå uten prøving og feiling, dvs. gjøre noen prøver og kontrollere resultatet, som diskutert nedenfor.

2. Fabrikasjon av bestrøket Kapillærer

1. Fylle kapillær Ta biter av kapillær utarbeidet i trinn 1.1 og dyppe dem i Fox løsning. Når en kapillær dyppes i løsningen bør du kunne visuelt følge menisken opp kanalen, som løsningen trekkes inn i kapillær (Figur 2a).
   1. Når menisken når toppen, fjern kapillær og legg den i et glass annealing smeltedigel. Det bør nå være helt fylt med Fox løsning. Gjenta dette for så mange prøver som mulig, for å øke sjansene for suksess. Vi vanligvis kjøre grupper av 20-30 og bruke to forskjellige konsentrasjoner av HSQ løsninger etter vekt. Vi fyller kapillærene i luften, men holder than FOX løsning kjølt i en Hanskerommet anbefales dersom mulig, for å minimalisere eksponering av oppløsningen til oksygen og vanndamp. Selv små eksponeringer kan resultere i gelering av løsningen.
2. Annealing anneal kapillærene i en totrinns prosess. Annealing fordamper væsken og kollapser HSQ buret struktur og danner en SiO _x film å følge kanalen vegger. Annealing ved høyere temperaturer disproportionates SiO _x filmen inn Si kvanteprikker spres i silika matrise. Hybri trinn omfatter en 30-minutters rampen fra romtemperatur til 300 ° C, en bor i 3 timer for å fordampe løsningsmidlet, og deretter en gradient til 1100 ° C i 45 min, og en bor i en time for å utfelle de QDs.
   1. La kapillærer langsomt kule (~ 12 timer) tilbake til romtemperatur. Dette bidrar til å minimere stressrelaterte cracking av filmen avsettes på kapillær veggen. Andre annealing protokoller kunnetrolig bli fulgt og kan være mer pålitelig, men en høy-temperatur anneal scenen på 1,000-1,100 ° C er alltid nødvendig for å danne QDs. Ved slutten av dette trinnet, at en (forhåpentligvis) har 20-30 kapillærer med et lag av fluorescerende QDs innleiret i en silisiumdioksyd matrise belegg kanalens vegger.

3. Karakterisering

1. Smak sjekk fluorescensmikroskop som kapillærene er montert må utføre både bildebehandling og spektroskopi i 700-900 nm bølgelengde rekkevidde. Epifluorescence eller confocal oppsett er egnet til dette formålet. Plasser en rad av kandidaten kapillærer på scenen slik at det er lett å bevege seg mellom dem for rask visuell analyse (Figur 2b). Opphisse kapillær med blå eller UV-stråling enten i ledig plass på mikroskopet scenen, eller direkte gjennom objektivet ved hjelp av en dichroic filter, og observere fluorescens bildet ved hjelp av okulareneeller en farge kamera.
   1. Observere kapillær fluorescens. Hvis fabrikasjon var vellykket, vil kapillærene viser en rød fluorescens. Dette er den første indikasjon på et gunstig prøve. Kapillærer utviser oransje-gul fluorescens (stedet for den røde fargen forbundet med QDs) generelt ikke har de ønskede optiske egenskaper. Disse prøver har også en tendens til å danne mer ofte i løsninger med en lav HSQ konsentrasjon. Noen kapillærer kan vise ingen fluorescens hele tatt, i dette tilfellet den QD filmen ikke dannes og kapillæret kan kastes (glass spissmel). Dette er en indikasjon på at løsningen ikke kan ha blitt trukket inn i kapillært, eller det kan ha vært mangelfull i HSQ. Endelig kan noen prøver viser en sprukket eller strukturert film, og disse kan også bli forkastet.
   2. Forkaste alle prøvene nevnt i forrige trinn unntatt de som viser den lyse røde fluorescens karakteristisk for silisium QDs.
2. Kontroller for tilstedeværelse av WGMs i fluorescensspektra Kontroller bildet er justert som ønsket på inngangen splitten i spektrometeret og samle en fluorescens spektrum. Juster samlingen tid slik som å produsere et akseptabelt signal-til-støy-forhold. Utfør bølgelengde og intensitet kalibreringer som kreves. QD spektra bør være intens i bølgelengdeområdet 700-900 nm. Spektra tatt fra regionen tilsvarer kapillæret innerveggen bør vise sterke svingninger på grunn av tilstedeværelsen av de sylindriske Whispering Gallery modi (WGMs), dette er den andre til-siste kravet av en vellykket refractometric sensor.
   1. Noen prøver kan ha en lysende rød QD fluorescens, men mangel WGM svingninger i spekteret. Dette er en indikasjon på QD film sprukket eller delaminert fra kapillær veggen, som ødelegger de optiske resonanser. Kast kapillærer uten WGMs. På dette punktet, bare (typisk small) brøkdel av prøvene som oppfyller sensor krav gjenstår. Det er en siste test som skal utføres.
3. Refractometric analyse Fest kandidaten kapillærene til polyetylen, TYGON, teflon eller andre slangen kjemisk kompatibel med de tiltenkte analyttkonsentrasjoner løsninger der indre diameter bør være litt større enn den kapillære ytterdiameter. Valget av slange bør gjøres slik at den ikke reagerer med de løsninger som skal pumpes inn i kapillarrøret.
   1. Bruk en god lim for å feste glasset kapillære til røret, ellers kapillær-rør grensesnittet vil lekke. Vi har rimelig god suksess med Norland NOA-76 eller Mascot umiddelbar lim gel. Valget av lim avhenger dens adhesjon til glasset kapillarrøret og rør, og en mangel på reaksjon med kanalen fluider. Vær forsiktig for å unngå at limet siver inn i kapillarkanalen og blokkerer den.
   2. Grensesnittet slangenvia en sprøyte til en micropumping system. Forbindelser med velkjente brytningsindekser slik som metanol, etanol og vann kan brukes til å bestemme refractometric sensitivitet av enheten. Dette er den siste testen av en vellykket sensor. Pumpe hver væske, en om gangen, inn i den kapillære, sørge for ikke å briste limet tetning mellom den kapillære og røret (figur 2c).
   3. Samle spektra med hver væske inne i kapillært. Bruk en analysator i lysbanen for å skille mellom TE-polarisert WGMs (analysator parallelt kapillær akse) og TM-polarisert WGMs (analysator vinkelrett kapillær akse). Det bør være en forskyvning i bølgelengden av WGM resonanser, enten TE eller TM, med hver annen løsning i kapillarrøret. Hvis det ikke er noen observerbar skift, er kvante-dot filmen for tykke og WGMs ikke tilstrekkelig prøve kanalen medium. I vellykkede eksempler ser vi sensitiviteter typisk mellom 5 og 15 nmper løsningen brytningsindeks enhet (RIU). Nesten alle de prøvene som ikke viser WGMs demonstrere en målbar følsomhet, men vil vanligvis bare en liten brøkdel av forberedt kapillærer vise WGMs.

4. Dataanalyse

1. Innhenting av fluorescensspektra Ta et spekter av fluorescens av prøven din. For biosensing bruksområder har kanalen overflate første til å bli funksjonalisert for spesifikke analytter. Overflaten av QD filmen er hovedsakelig silika, så mange overflatemodifisering oppskrifter finnes. Uavhengig av programmet, er det siste trinnet i databehandling og analyse.
   1. Oppnå lave deteksjonsgrenser krever måler små spektrale skift-ideelt "shift oppløsning" bør være betydelig mindre enn den nominelle spektrometer oppløsning eller tonehøyde. Forsiktighet må utvises ved spektral behandlingen på grunn av dette. Spesielt, på mange Imaging Spectrometers spekteret kan ikke projiseres helt vannrett på CCD, derfor hvis, mellom analyser, driver prøven bildet vertikalt på slit, kan falske spektrale skift oppnås. Bruk helst måte er nødvendig for å sikre at dette ikke skjer, f.eks bruke en kalibrering standard for å bestemme vinkel på det projiserte spekteret og korrigere for det, minimere prøven drift, og sørge for at de samme CCD piksler brukes til å innhente all spektra .
      Et eksempel spektral bilde er vist i Figur 3, hvor modi vises som sterke svingninger på steder som tilsvarer de kanal vegger. Bruk en Mathematica programkode (eller hva din gruppe foretrekker) til å importere de spektrale bilder, utgang 1D spektrale data og utføre kurvetilpasning og Fourier analyse av WGM skift, som beskrevet nedenfor.
2. Kurvetilpasning Bestem WGM peak bølgelengde for å måle små spektrale skift grunnet analytter jegn FCM-kanalen. Monter en enkel modus til en funksjon som beskriver den spektrale form - dette er en vanlig måte å få topp plassering. I det ideelle tilfellet, vil dette være en Lorentzian funksjon (med riktig konvertering fra bølgelengde til frekvens enheter via δλ = │-cδf / f ² │ der c er lysets hastighet):
   
   I Eq. 1, A er en skalering parameter og f ₀ er den sentrale frekvens. Dessverre FCMs er ikke en ideell sak.
   1. I sylindriske hulrom de WGMs er skjeve mot høyere frekvenser, sannsynlig på grunn av den utvikling av spiraling resonanser (WGMs med en ikke-null aksial komponent av wavevector). ¹⁵ Lorentzian passer derfor utføre dårlig for bestemmelse peak posisjon. Dessverre er det ingen funksjon thpå vil passe en fordeling av overlappende Lorentzians fra spiral WGMs. I tidligere arbeid ¹⁶ foreslo vi at en skjev Lorentzian ¹⁷ ville gi en bedre passform:
      
      Her er en og B forvrenger parametere. Som kan sees i figur 4, Eq. 2 gjør gi en bedre tilpasning til data enn Eq. 1, men dessverre det har ingen fysisk grunnlag i teorien om WGMs.
3. Fourier skift analyse Alternativt kan dataene behandles ved bruk av en diskret Fourier transform, og tilsvarende tidsforsinkelser målt fra Fourier spektrum. Denne metoden drar nytte av periodisiteten av hele spekteret, i motsetning til å bruke en enkelt vilkårlig WGM. Det måler ikke peak bølgelengde posisjon, men i stedet måler en samlet skiftav en gitt WGM spektrum med hensyn til en vilkårlig referanse spektrum.
   1. Bruk faseforskjellen Δφ for høyeffekts Fourier komponent som svarer til hoved WGM spektral svingning oppnå spektral skift. Dette tilsvarer en reell WGM frekvens skift av:
      Af = Δφ (f _max - f _min) / (2πk),
      der f _min og f _max er minimum og maksimum frekvens i spektrene. Men, kan mye informasjon bli forkastet hvis bare den viktigste komponenten brukes, i tillegg, kan trunkering forhold gjør det vanskelig å avgjøre hvilken komponent er den viktigste. Ofte, de beste resultatene krever en del prøving og feiling med hensyn til hvilke Fourier-komponenter for å velge.
   2. Skiftet teorem bruker i stedet alle av Fourier-komponenter. Følgelig, for en ren skift, må hver enkelt komponent forskjøvet proporsjonal til k (med kvære komponenten nummer). Med andre ord, δφ _k = mk der proporsjonalitet m er et mål på den virkelige skift. Den totale frekvens skift er således gitt ved:
      Af = m (f _maks - f _min) / (2π).
      Dette krever m skal hentes fra en lineær tilpasning til faseforskjeller ΔΦ _k for noen eller alle av Fourier-komponenter.
   3. For ekte data, lineær sammenheng ΔΦ _k = mk vil ha usikkerhet på grunn av støy og bakgrunn signal, som kan ha en betydelig effekt i de lavt strømforbruk Fourier-komponenter. Derfor anbefaler vi en vektet lineær passform, hvor vekten for hver komponent er proporsjonal med sin makt, for å oppnå skråningen av ΔΦ _k g. k grafen. Spekteret kan filtreres rundt hovedkomponenten før montering, for å fjerne både høye frekvenser (nOise) og lave frekvenser (frikoblet fluorescens bakgrunn). Frekvensen skifter fra Eq. 4 blir så omdannet til bølgelengde enheter.
   4. I motsetning til tilfellet for kurvetilpasning, en WGM "bølgelengde" aldri oppnådd, men i stedet en bølgelengde skift måles over hele spekteret i forhold til en vilkårlig referanse spektrum. Prosedyren blir deretter gjentatt for hver spektrum som skal analyseres. Trinnene for denne prosedyren er som følger:
      1. Konverter spektrene til frekvens enheter for å sikre en konstant gratis spektralområdet.
      2. Velg referansen datasettet (dvs. første WGM fluorescens spektrum) hvorfra alle skift vil bli målt.
      3. Interpolere spektrene å få jevn frekvens mellomrom. ¹⁸
      4. Utfør en diskret Fourier transform for å oppnå makt og fase komponentene i hver spekteret.
      5. Finn faseforskjeller for alle k komponentene av en gitt WGMspekteret forskyvningsverdien ønskes, med hensyn til referanse-spektrum.
      6. Finn faseforskyvningen med faseforskjell av enten hoved Fourier komponenten bare, eller en vektet lineær tilpasning til de valgte komponentene. Dette vil gi faseforskyvningen Af eller δλ mellom WGM spektrum og referansen spektrum.
      7. Feilene i de spektrale skift (deteksjonsgrensen) kan måles ved å samle gjentatt spektra for samme analytten. En usikkerhet i følsomheten kan fås fra feil i de vektede lineære passer, hvis flere komponenter er brukt.

Gjenta trinn 1-7 for hver analyse. Mens denne fremgangsmåten høres komplisert, etter den første implementeringen av fremgangsmåten er enkel å automatisere, slik at store datasett kan være gruppebehandlet finne skiftene. Vi bruker en Mathematica-kode skrevet spesielt for denne prosedyren, slik at komplett datasett kan være batch behandlet "med et trykk på en knapp". I prinsippet kan de spektrale skift selv beregnet "live", selv om vi ikke har gjort dette ennå.

Representative Results

Små avvik i kapillær fabrikasjon prosedyre kan føre til betydelige endringer i utvalget suksess rate. I figur 5 (ad), viser vi representative eksempler på mislykket kapillærer samt en vellykket en. Generelt, er den visuelle indikasjon på en vellykket prøve en rød fluorescens kombinert med en høy intensitet ved kapillærveggene og et særpreg interiør. Fluorescens spektrum angir også tydelig forskjellen mellom suksess og fiasko (figur 5e). En god prøve skal vise veldefinerte (synlighet ≈ 0,5) WGM svingninger i spekteret.

Installasjonen kan være programmert til å ta spectra kontinuerlig som analytter blir pumpet inn i kapillarkanalen (figur 6a). Ved hjelp av teknikken beskrevet ovenfor, kan den dataanalyse utføres som en satsvis jobb på alle WGM spektra, som bør skifte som forskjellige analytter som injiseres i kapillarrøret.Her viser vi resultatene for en sammenhengende tidsserier (dvs. en sensorgram) som vann, metanol, og til slutt etanol pumpet sekvensielt inn i kanalen. Bare de viktigste Fourier komponenten ble valgt i dette tilfellet (figur 6b), siden resultatene ble ansett tilfredsstillende selv for denne enkel analyse. Feilfeltene representerer ett standardavvik av peak stilling for de første 100 målinger (med vann i kanalen).

Sensorgram drift av disse enhetene (dvs. sammenhengende tidsserier i motsetning til enkle statiske målinger) unngår mangler potensielt interessante funksjonene i en analyse. For eksempel, ser vi en "bump" på WGM skift data mellom vann og metanol, noe som indikerer analytt med en høyere brytningsindeks enn enten ren komponent. Faktisk er vann-metanol blandinger kjent for å ha en høyere brytningsindeks enn enten ren fase, ¹⁹ antyder nærvær av en liten mixing regionen mellom de to løsninger. For biosensing målinger, forventer vi at sensorgram målingene vil være avgjørende for å bestemme arten og spesifisitet av analytten bindende. I figur 6c, ser vi også at usikkerheten i topp plassering er ~ 22:00, som er betydelig mindre enn 110 pm pitch spektrometeret. Denne forbedringen er oppnåelig på grunn av dataene analysemetode, som her kan detektere skift en størrelsesorden mindre enn spektrometeret tonehøyde.

Endelig, kan den gjennomsnittlige følsomhet kapillær hentes fra netto skift for de tre løsningene, over den tilsvarende analytt brytningsindeksen. Dette vil avhenge hovedsakelig på filmtykkelsen og brytningsindeks. Sistnevnte er kjent for å være ~ 1,67, fra ellipsometric målinger på flate filmer fremstilt ved hjelp av lignende metoder. ²⁰ For en 30-mikrometer innerdiameter, kan den teoretiske maksimale følsomheten beregnesbruker perturbasjonsteori tilnærming utviklet i Ref. ^21, ved hjelp av de sylindriske løsningene istedenfor de sfæriske seg. Med denne metoden, for kanal indeks på 1,33, den maksimale følsomhet (n, l) = (1, 190) i nærheten av modus λ = 780 nm er lik 25,7 nm / Riu for en filmtykkelse på 265 nm. Den eksperimentelle gjennomsnittlig sensitivitet er 16,0 nm / RIU i denne bølgelengdeområdet, noe som indikerer at filmtykkelse er sub-optimal.

Figur 1. Elektrisk felt amplitude for Whispering Gallery moduser mikrokule (a), en LCORR (b), og en FCM (c). I de to sistnevnte tilfellene analytten er inne i kanalen, for en mikrokule, er analytten utenfor og derfor trenger en separat kammer. Den radiale modus Rekkefølgen er 1, mens den kantete rekkefølgen er 53, 52, en65 nd, henholdsvis.

Figur 2. (A) En kapillær vesen dyppes i en oppløsning av rev-15. Selv om det ikke er mulig å se menisken i fotografiet, kan experimenter observere det stiger opp i kanalen. (B) Et sett av endelig kapillærer på mikroskopet scenen for foreløpig analyse. En 445-nm laser er hendelsen nær sentrum av den lengst til venstre kapillær, den røde gløden er Si-QD fluorescens. Dette vises spesielt intens på slutten av kapillære, grunnet waveguiding innenfor glass kapillærveggene. (C) En vellykket kapillært holdt i microfluidic analysen oppsettet. Fluid injisert i kapillære fra micropump (ikke vist) flyter fra høyre mot venstre gjennom kanalen, og går inn et annet rør for avhending.

Figur 3. En typisk WGM spektrum. Den øverste fluorescens bilde viser posisjonen til spektrometeret inngangen slit, sammen med det tilhørende 2D spektral bilde. Den endelige 1D spektrum ekstrahert er fra eske-regionen.

Figur 4 En enkelt modus hentet fra en kapillær WGM spektrum og passe med en ren Lorentzian (Eq. 1, rød linje)., Og et skjevt Lorentzian (Eq. 2; blå linje). Mens sistnevnte åpenbart gir en bedre passform, peak montering er vanligvis ikke det beste alternativet for å identifisere svært små spektrale skift, som kreves for å oppnå lave deteksjonsgrenser.

Figur 5. > (Ad) vise et sett av fluorescence bilder av mislyktes og en vellykket FCM (a):. No luminescence, dette kapillær ikke riktig fylle eller løsningen ble helt inndampet (b) gul-orange fluorescence i kapillarkanalen.. Her er den fluorescerende regionen ikke på veggene kapillæret men heller i midten. I enkelte prøver, vises filmen til å skrumpe inn i midten av kanalen. (C) viser sterk rød fluorescens men mangler WGMs i spekteret. Noen uregelmessigheter er observerbare i filmen strukturen. (D) var en vellykket kapillær med gode WGMs. En signatur av vellykkede filmer er kanal ensartethet og mangel på uregelmessige funksjoner. Den tilsvarende fluorescens spektra er vist i (e).

256/50256fig6highres.jpg "/>
Figur 6. (A) et sett av spektra tatt som metanol, og deretter vann, deretter etanol ble pumpet inn i kapillarrøret. Spektrene ble tatt sekvensielt fra rødt til blått. (B) viser den Fourier effektspekteret av hver fluorescens spektrum. Den 40 ^th komponent representerer den viktigste observerbar WGM pendling. De tilsvarende faseforskjeller ble tatt for denne komponenten bare, og er plottet i (c), etter omdannelse til bølgelengde skift via Eq. 4. Feilfeltene representerer ett standardavvik av peak skift for 60 målinger. Det innfelte viser gjennomsnittlig følsomhet over brytningsindeksen fra metanol til etanol. Teoretisk, skifter bølgelengde med økende brytningsindeks og er derfor ikke strengt lineær, i samråd med de observerte skift data.

Discussion

Fluorescent-core microcavities kan brukes som refractometric sensorer. Mens det er isolerte eksempler på "rullet opp" mikrorør som kan fungere som microfluidic sensorer, ²² sammenlignet med mikrorør, vil kapillærene være lettere å integrere i microfluidic oppsett og har store praktiske fordeler, siden de er lette å håndtere og enkelt å grensesnitt med en analyse oppsett. Med konvensjonelle Fourier analysemetoder kan bølgelengde skift som er minst en størrelsesorden mindre enn stigningen av den spektroskopi systemet påvises. Denne metoden tillater også integrering i sensorgram-type målesystemer.

Disse FCMs vil hovedsakelig konkurrere med væske-core optiske ring resonatorer (LCORRs). ^23,24,25 LCORRS er glass kapillærer som har blitt tynnet ved oppvarming og trekking, pumping HF inn i kanalen for å oppløse den indre kapillær overflate, eller oppvarming og inflasjon med trykksatt gass. ²⁶ Disse behandlinger resulterer i en kapillær med mikrometer-tynne vegger, som kreves for å støtte WGMs har et flyktig hale som strekker seg inn i kapillarkanalen. LCORR biosensorer er påvist for påvisning av en rekke forskjellige mål analytter. ^27,28,29,30

FCMs har flere klare fordeler og begrensninger i forhold til LCORRs. Begge enhetene avhengige på flyten av en analytt gjennom en kapillær kanal. Begge er basert på silika kjemi og kan functionalized bruke lignende metoder. Men oppløsning og deteksjonsgrensen for LCORR vil bli bedre, forutsatt tilsvarende dataanalyse metoder benyttes. Dette er fordi LCORRs er basert på presisjon tunbare lasermålinger som har en meget høy samplingsfrekvens, mens FCMs bruke en konvensjonell spektrometer. Dette reduserer påvisningsgrensene (og potensielt følsomheten ³¹⁾ av FCM. Vi har så langt oppnådd, i beste fall, en deteksjonsgrense of rundt 10 ^-5 RIU med variasjoner av denne teknikken, mens en verdi på 10 ^-6 RIU er standard i LCORRs. Ett ekstra problem angår bruk av et spektrometer i det totale system måltid. Fluorescens fra Si-QDs kan lett måles med små fotavtrykk, ikke-avkjølte håndholdte spektrometer enheter som Ocean Optics USB2000 serien (for tiden en kostnad av ~ $ 2000). Imidlertid vil bruk av en slik enhet med FCMs krever vurdering og testing av den eksperimentelle oppsett, siden det ikke kan være enkle å oppnå WGM spektra fra et lite område av kapillæret uten hjelp av et mikroskop objektiv og en avbildning spektrometer.

LCORRs krever bruk av apparat som er både dyrt og vanskelig å operere "i felten", for eksempel en avstembar laser og presis nanopositioning utstyr. Videre er tynnvegget kapillær både skjør og vanskelig å håndtere. FCMs derimot trenger et blått lys som for eksempel en simple diode laser eller LED, og ​​optikk for å projisere fluorescens bilde på inngangen slit av et spektrometer. FCM er også mye mer robust enn den tynne vegger LCORR. Metoden kan også bli utvidet til forskjellige typer av fluorescerende lag som kan ha høyere effektivitet og forskjellige peak bølgelengder, sammenlignet med Si-QDs. Dermed vil valget av en føler (LCORR vs FCM) sannsynligvis avhenge tiltenkte formålet. Hvis meget lave konsentrasjoner av analytt er tilstede, vil de lave deteksjonsgrenser i LCORR være fordelaktig. Hvis brukervennlighet, holdbarhet, og eksperimentell måltid er den største bekymringen, deretter FCM kan være et bedre alternativ hvis spektrometeret kan integreres uten bruk av et fluorescens mikroskop. Selv om å ha tydelig forskjellige fordeler og begrensninger, blir begge enhetene lovende for microfluidic analyse av et bredt spekter av potensielle analytter.

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.