Syntes och användning av fluorescerande-core mikrokaviteter för refraktometriska Sensing

Summary

Lysrör-core microcavity sensorer använder en hög index quantum-dot beläggning i kanalen av kiseldioxid mikrokapillärer. Förändringar i brytningsindex av fluider pumpas in i kapillärkanalen orsaken skiftar i microcavity fluorescensspektrumet som kan användas för att analysera kanalen mediet.

Abstract

Denna uppsats diskuterar fluorescerande centrala microcavity-baserade sensorer som kan användas vid en mikroflödessystem analys setup. Dessa strukturer är baserade på bildningen av en fluorescerande kvant-dot (QD) beläggning på kanalens yta av en konventionell mikrokapillär. Silicon QDs är särskilt attraktiva för denna applikation, delvis beroende på att deras försumbara toxicitet jämfört med II-VI och II-VI QDs förening, som genom lagstiftning är kontrollerade ämnen i många länder. Medan ensemble emissionsspektrum är bred och formlös, en Si-QD film på kanalväggen av en kapillär har en uppsättning skarpa, smala toppar i fluorescensspektrat, motsvarande de elektromagnetiska resonanserna för ljus fångas i filmen. Toppvåglängden av dessa resonanser är känslig för det externa mediet, vilket således medger anordningen att fungera som en refraktometrisk givare där QDs aldrig komma i fysisk kontakt med analyten. Den experimentellametoder i samband med tillverkningen av det fluorescerande kärnor mikrokapillärer diskuteras i detalj, liksom analysmetoderna. Slutligen görs en jämförelse mellan dessa strukturer och de mer använda undersökt vätska-core optiska resonatorer ring i form av mikroflödessystem avkänningsförmåga.

Introduction

Kemiska sensorer system som kräver endast små provvolymer och som kan införlivas i handhållna eller fält-manövreras enheter kan leda till utveckling av ett brett utbud av nya teknologier. Sådan teknik kan omfatta fältet diagnostik för sjukdomar och patogener, ¹ miljögifter, ² och livsmedelssäkerhet. ³ Flera tekniker aktivt utforskas mikroflödessystem kemiska sensorer, med enheter baserade på fysik Surface Plasmon resonanser (SPR) hör till de mest avancerade. ⁴ Dessa sensorer är nu kan upptäcka många specifika biomolekyler och har uppnått kommersiell framgång, men främst större skala laboratorieutrustning. ⁵

Under senare år har optiska mikrokaviteter stigit till konkurrera med SPR-baserade system. Mikrokaviteter kan vara otroligt känsliga, med påvisad förmåga att upptäcka enstaka virus ⁶ och kanske enstaka biomolekyler 8 men det finns ingen tvekan om att massan detektionsgränserna små ^9). I mikrokaviteter, förlitar sig detektering mekanismen om förändringar i de optiska resonanser orsakade av närvaron av en analyt i den elektriska fältprofilen i resonans. Typiskt kommer en given analyt orsaka resonans att förändras i centrala frekvens, synlighet, eller linjebredd. Som med SPR-system, kan mikrokaviteter fungera som icke-specifika refraktometriska sensorer, eller som biosensorer funktionaliserade för en särskild analys.

Dielektriska mikrostrukturer med cirkulärt tvärsnitt (t.ex. mikrosfärer, diskar eller cylindrar) kännetecknas av elektromagnetiska resonanser som kallas Whispering Gallery lägen, eller WGMS, ett begrepp som går tillbaka till Lord Rayleigh: s undersökningar av analoga akustiska effekter. Huvudsak ^10, en optisk WGM uppstår när en våg circumnavigates cirkulärt tvärsnitt sektion genom total inre reflektion, och återgår till sin utgångspunkt i fas. Ett exempel på en elektromagnetisk resonans för en kiseldioxid mikrosfär illustreras i figur 1a. Denna resonans kännetecknas av ett maximum i den radiella riktningen (n = 1), medan totalt 53 våglängder passar runt ekvatorn (l = 53), är endast några av vilka visas. Den evanescenta delen av fältintensiteten sträcker sig in i mediet utanför sfärens gräns, alltså mikrosfären WGM kan känna det externa mediet.

Kapillärer är ett speciellt intressant exempel på ett WGM-baserad sensor. I en kapillär, cylindriska WGMS kan bildas runt cirkulärt tvärsnitt, liknande fallet för en sfär. Om kapillärväggen är mycket tunn, sträcker sig delvis i det elektromagnetiska fältet i kapillärkanalen (figur 1b). Sålunda, kan en kapillär vara en mikroflödessystem sensor för analyter injiceras i kanalen. Detta är basis drift av flytande kärna optiska ringresonator (LCORR). ¹¹ LCORRs lita på försvinnande koppling av ljus från en precision avstämbar laserkälla för att undersöka WGMS. En viktig aspekt av LCORR är att de kapillära väggarna måste vara tunn (~ 1 | im) för att säkerställa att läget samplar kanal mediet. Detta placerar vissa svårigheter på deras tillverkning och får dem att vara mekaniskt bräcklig.

I vårt arbete har vi utvecklat en alternativ struktur vi kallar en fluorescerande kärna microcavity (FCM). ^12,13 att bilda en FCM, vi täcker kanalen väggarna i en kapillär med en hög brytningsindex fluoroforen (specifikt ett lager av oxid-inbäddade kisel kvantprickar). Den högt index av filmen krävs för att begränsa den utsända strålningen, därigenom bygga upp WGMS (figur 1c). I motsats till LCORR, i en FCM lägena visas som skarpa maxima i en emitterade fluorescensspektrumet. Tjockleken av denFilmen är av avgörande betydelse, om det är för tjockt WGM inte prov mediet i kapillärkanalen, och om det är alltför tunt den optiska inneslutning förloras och WGMS blir svaga. Sålunda är tillverkningen av en FCM en svår process, som kräver noggrann förberedelse. Detta är huvudämnet för den aktuella papperet.

Protocol

1. Beredning av material

1. Mikrokapillärer Skaffa kiseldioxid kapillärer från en kommersiell leverantör. Vi köper våra kapillärer från Polymicro Technologies. Välj en liten innerdiameter (~ 25 till 30 | im) för mer vitt åtskilda spektrala resonanser (dvs. en större fria spektralområdet) eller en större innerdiameter (~ 100 | im) för mer tätt placerade resonanser med högre kvalitetsfaktorer. En stor ytterdiameter säkerställer FCMs är slitstarka och lättmanipulerade.
   1. Kapillärerna kommer med en färgad polyimid jacka, som först måste avlägsnas. Skär ca 10-cm bitar av kapillär från rullen, med diamant fiber köttyxa. Varje bit är en enda prov. Värm dessa i en rörugn vid 650 ° C under en timme i syre för att bränna bort beläggningen. Denna process tar bort jackan materialet, att utsätta kiseldioxid kapillär inuti. Efter kylning till rumstemperatur, ta bort capillaries från uppvärmning båten.
2. Vätgas silsesquioxane lösningar Väte silsesquioxane (HSQ) rapporteras bestå av H ₁₂ Si ₈ O ₁₂ molekyler med en bur-liknande struktur. ¹⁴ Detta material är kommersiellt tillgängligt från Dow Corning. Köpa HSQ i en av sina FOX-serien (flytande oxid) lösningar, såsom FOX-15. Dessa lösningar är dyra och har en begränsad hållbarhetstid, så noggrann planering krävs. Avdunstning av lösningsmedlet MIBK ger en HSQ koncentration av ca 18 vikt%. Om HSQ koncentrationen är alltför låg, kan kvantprickar bildas inte i filmen. Om det är för högt, kan filmerna vara alltför tjock och delamineras från kapillärkanalen yta. Enligt vår erfarenhet för en kapillär med en 25-30 nm innerdiameter, en räv lösning innehållande ~ 25 viktprocent.% HSQ är bäst. Sålunda, kan det vara nödvändigt att avdunsta eller tillägga HSQ lösningsmedel (se till att den är torr) för att justerakoncentration. Huruvida en utspädning eller koncentration är nödvändig är svårt att avgöra utan försök och misstag, det vill säga göra några prover och undersöka resultaten, vilket diskuteras nedan.

2. Tillverkning av belagd kapillärer

1. Påfyllning av kapillär Ta bitar av kapillär beredda i steg 1,1 och doppa dem i Fox lösningen. När en kapillär doppas i lösningen, bör du kunna visuellt följa menisken upp kanalen, eftersom lösningen dras in i kapillären (figur 2a).
   1. När menisken når toppen, ta bort kapillär och placera den i ett glas glödgning degel. Det bör nu vara helt fylld med Fox-lösning. Upprepa detta för så många prover som möjligt, för att öka chanserna att lyckas. Vi kör typiskt satser av 20-30 och använda två olika koncentrationer av HSQ lösningar viktprocent. Vi fyller kapillärerna i luften, men att hålla than FOX lösningen kyldes i en handskbox rekommenderas om möjligt, för att minimera exponeringen av lösningen för syre och vattenånga. Även små exponeringar kan resultera i gelning av lösningen.
2. Glödgning Hybridisera kapillärerna i en tvåstegsprocess. Glödgning avdunstar lösningsmedlet och kollapsar den HSQ burkonstruktionen, bildar en _SiOx filmen vidhäftar kanalväggarna. Glödgning vid högre temperaturer disproportionates den _SiOx filmen i Si kvantprickar dispergerade i en kiseldioxidmatris. De härdningsstegen inkluderar en 30-minuters ramp från rumstemperatur till 300 ° C, en uppehållstid under 3 timmar för att indunsta lösningsmedlet, sedan en ramp till 1.100 ° C i 45 minuter, och en uppehållstid i en timme för att fälla ut QDs.
   1. Låt kapillärerna långsamt svalna (~ 12 h) tillbaka till rumstemperatur. Detta hjälper till att minimera stressrelaterade sprickbildning av filmen avsatt på kapillärväggen. Andra glödgning protokoll kantroligen följas och kan vara mer tillförlitlig, men en hög temperatur aducering stadium vid 1,000-1,100 ° C är alltid nödvändigt att bilda QDs. Vid slutet av detta steg bör man (förhoppningsvis) har 20-30 kapillärer med ett skikt av fluorescerande QDs inbäddade i en kiseldioxidmatris beläggning på kanalväggarna.

3. Karakterisering

1. Stickprovskontroll för fluorescensmikroskop som kapillärerna är monterade måste utföra både avbildning och spektroskopi i 700-900 nm våglängdsområdet. Epifluorescens eller konfokala installationer är lämpliga för detta ändamål. Placera en rad av kandidaten kapillärerna på scenen så att det är lätt att flytta mellan dem för snabb visuell analys (figur 2b). Excitera kapillär med blå eller UV-strålning antingen i ledigt utrymme på mikroskop scenen, eller direkt genom objektivlinsen med en dikroisk filter och observera fluorescens bild med okulareneller en färgkamera.
   1. Beakta kapillära fluorescens. Om tillverkningen lyckades kommer kapillärerna uppvisar en ljus röd fluorescens. Detta är den första indikationen på en gynnsam prov. Kapillärer uppvisar orange-gul fluorescens (i stället för den röda färgen förknippas med QDs) i allmänhet inte har de önskade optiska egenskaper. Dessa prover tenderar också att bilda mer ofta i lösningar med en låg koncentration HSQ. Vissa kapillärer kan visa ingen fluorescens alls, i detta fall QD filmen inte bildas och kapillären kan kastas (glas vassa föremål). Detta är en indikation på att lösningen kanske inte har dragits in i kapillären, eller det kan ha varit brist på HSQ. Slutligen kan vissa prover visar en spräckt eller texturerad film, dessa kan också kasseras.
   2. Släng alla prov som nämns i föregående steg utom de som visar den ljusa röd fluorescens egenskap hos kisel QDs.
2. Kontrollera med avseende på närvaro av WGMS i fluorescensspektra Se bilden linje såsom önskas på ingångsslitsen av spektrometern och samla en fluorescensspektrum. Justera insamling tid för att åstadkomma en acceptabel signal-till-brus-förhållande. Utför våglängd och intensitet kalibreringar som krävs. QD spektra bör vara intensiv i våglängdsområdet 700 till 900 nm. Spektra tagits från regionen som motsvarar den kapillära innerväggen ska visa starka svängningar på grund av närvaron av de cylindriska lägen Whispering Gallery (WGMS), vilket är den näst sista krav på en framgångsrik refraktometrisk sensor.
   1. Vissa prover kan ha en klarröd QD fluorescens men saknar oscillationer WGM i spektrumet. Detta är en indikation på QD filmen spricker eller delamineras från kapillärväggen, som förstör de optiska resonanser. Kasta kapillärer utan WGMS. Vid denna punkt, endast (typiskt smaLL) fraktion av prover som uppfyller kraven sensorn kvarstår. Det finns en slutlig test som skall utföras.
3. Refraktometrisk analys Fäst kandidaten kapillärerna till polyeten, tygon, teflon, eller andra rör kemiskt kompatibelt med det avsedda analyt lösningar vars inre diameter bör vara något större än kapillären ytterdiameter. Valet av slangen ska göras så att de inte reagerar med de lösningar som skall pumpas in i kapillären.
   1. Använd en bra lim för att fästa glaskapillär till slangen, annars kapillären-slangen gränssnitt kommer att läcka. Vi har ganska god framgång med Norland NOA-76 eller Mascot Snabblim gel. Valet av lim beror på dess vidhäftning till glaset kapillären och röret, och en brist på reaktion med kanalen vätskor. Var försiktig för att förhindra att limmet sipprar in i kapillärkanalen och blockerar den.
   2. Gränssnitt slangenvia en spruta till en micropumping systemet. Föreningar med välkända brytningsindex såsom metanol, etanol, och vatten kan användas för att bestämma refraktometrisk känslighet hos anordningen. Detta är den sista test av en lyckad sensor. Pump varje vätska, en i taget, in i kapillären, att se till att inte spränga självhäftande försegling mellan kapillären och röret (figur 2c).
   3. Samla spektra med varje vätska inuti kapillären. Använd en analysator i ljusbanan att skilja mellan TE-polariserade WGMS (analysator parallellt med kapillär axel) och TM-polariserade WGMS (analysator vinkelrätt mot kapillär axel). Det bör finnas en förskjutning i våglängden för WGM resonanser, antingen TE eller TM, med varje annan lösning i kapillären. Om det inte finns någon observerbar förändring, är quantum-dot-film för tjock och WGMS inte tillräckligt prov på kanalens mediet. I framgångsrika prov vi observerar känsligheter typiskt mellan 5 och 15 nmper lösning brytningsindex enhet (RIU). Nästan alla prover som inte uppvisar WGMS visar en mätbar känslighet, men kommer typiskt endast en bråkdel av beredd kapillärer visar WGMS.

4. Dataanalys

1. Erhålla fluorescensspektra Ta ett spektrum av fluorescensen hos ditt prov. För biosensing applikationer, har kanalen yta först funktionaliseras för specifika analyter. Ytan av QD filmen är väsentligen kiseldioxid, så många ytmodifierande recept finns. Oavsett ansökan är det slutliga steget databehandling och analys.
   1. Att uppnå låga detektionsgränser kräver mäta små spektrala förändringar, helst i "skift upplösning" bör vara betydligt mindre än den nominella spektrometer upplösning eller beck. Försiktighet måste iakttas vid spektrala bearbetningen på grund av detta. I synnerhet om många avbildningsspektrometers spektrumet får inte projiceras helt horisontellt på CCD, alltså om mellan analyser driver provet bilden vertikalt på slitsen kan falska spektrala förskjutningar erhållas. Använda alla medel är nödvändiga för att säkerställa att detta inte händer, t.ex. använd en kalibreringsstandard att bestämma vinkeln på den projicerade spektrumet och korrigera för det, minimera prov drift, och se till att samma CCD pixlar används för att få alla spektra .
      Ett exempel spektral bild visas i figur 3, där lägena visas som starka svängningar vid platser motsvarande kanalväggarna. Använd en Mathematica datorkod (eller vad din grupp föredrar) att importera de spektrala bilder, produktion 1D spektraldata och utföra kurvanpassning och Fourieranalys av WGM skift, som beskrivs nedan.
2. Kurvanpassning Bestäm WGM toppvåglängd att mäta små spektrala förskjutningar på grund av analyter in FCM-kanalen. Montera en enda mod till en funktion som beskriver den spektrala formen - detta är ett vanligt sätt att få toppositionen. I det ideala fallet kommer detta att vara en Lorentz funktion (med rätt konvertering från våglängd till frekvens enheter via δλ = │-cδf / f ² │ där c är ljusets hastighet):
   
   I ekv. 1, A är en skalningsparameter och f ₀ är den centrala frekvensen. Tyvärr FCMs är inte en idealisk fallet.
   1. I cylindriska hålrum de WGMS är snedställda mot högre frekvenser, sannolikt på grund av utvecklingen av spiralformade resonanser (WGMS med en icke-noll axiell komponent i vågvektor). Passar därför utföra dåligt för bestämning toppläget ¹⁵ Lorentz. Tyvärr finns det ingen funktion thvid passar en fördelning av överlappande Lorentzians från stigande WGMS. I tidigare arbete ¹⁶ vi föreslog att en skev Lorentz ¹⁷ skulle ge en bättre passform:
      
      Här är a och B skevning parametrar. Såsom kan ses i fig 4, Ekv. 2 ger en bättre passform till data än Ekv. 1, men tyvärr har ingen fysisk grund i teorin om WGMS.
3. Fourier skift analys Alternativt kan data bearbetas med en diskret Fouriertransform och motsvarande fasförskjutningarna mätt från Fourierspektrum. Denna metod drar fördel av periodiciteten för hela spektrat, i motsats till användning av en enda godtycklig WGM. Det mäter inte toppvåglängden positionen, utan istället mäter en total förskjutningav en given WGM spektrum med avseende på en godtycklig referensspektrum.
   1. Använd Δφ fasskillnaden för hög effekt Fourier komponent som motsvarar den huvudsakliga WGM spektrala svängning för att erhålla den spektrala skiftet. Detta motsvarar en verklig WGM frekvens förskjutning av:
      Af = Δφ _(F MAX - f _min) / (2πk)
      där f _min och f _max är de minsta och högsta frekvens i spektra. Däremot kan mycket information kasseras om bara den viktigaste komponenten används, dessutom kan trunkering problem gör det svårt att avgöra vilken komponent är den viktigaste. Ofta de bästa resultaten kräver några försök och misstag om vilka Fourier-komponenter för att välja.
   2. Förskjutningen sats använder istället alla Fourier-komponenter. Följaktligen, för en ren växling varje enskild komponent skiftas proportionellt mot k (med kär komponenten numret). Med andra ord, δφ _k = mk, där proportionaliteten m är ett mått på verklig förändring. Den totala frekvensförskjutningen ges således av:
      Af = m (f _max - f _min) / (2π).
      Detta kräver m erhållas från en linjär anpassning till fasskillnader ΔΦ _k för några eller alla Fourier-komponenter.
   3. För verkliga data, det linjära sambandet ΔΦ _k = mk har osäkerheten på grund av buller och bakgrund signal, vilket kan ha en betydande effekt i låg effekt Fourier-komponenter. Därför rekommenderar vi en viktad linjär passning, där vikten för varje komponent är proportionell mot dess makt för att få lutning ΔΦ _k vs k graf. Spektrumet kan filtreras runt huvudkomponenten före montering, ta bort båda höga frekvenser (nOise) och låga frekvenser (okopplad fluorescens bakgrund). Frekvensen skiftar från Ekv. 4 omvandlas sedan till våglängd enheter.
   4. Till skillnad från fallet för kurvanpassning, är en WGM "våglängd" aldrig erhållits, utan istället en våglängdsförskjutning mäts över hela spektrumet med avseende på en godtycklig referensspektrum. Proceduren upprepas sedan för varje spektrum som skall analyseras. Stegen för denna procedur är följande:
      1. Konvertera spektra i frekvens enheter för att säkerställa en konstant fria spektralområdet.
      2. Välj referens dataset (dvs. den första WGM fluorescensspektrumet) som alla skift ska mätas.
      3. Interpolera spektra att få jämn frekvens avstånd. ¹⁸
      4. Utför en diskret Fourier-transform för att erhålla ström-och fas-komponenter av varje spektrum.
      5. Hitta fasskillnader för alla k komponenter i en given WGMspektrum för vilken skiftvärdet önskas, med avseende på referensspektrum.
      6. Hitta fasskiftning med fasskillnaden av antingen huvud Fourier-komponenten enbart, eller en viktad linjär passning till de valda komponenterna. Detta kommer att ge Af fasförskjutning eller δλ mellan WGM spektrum och referens spektrum.
      7. Felen i de spektrala förändringar (detektionsgränsen) kan mätas genom att samla upprepade spektra för samma analyt. En osäkerhet i känsligheten kan erhållas från fel i de viktade linjära passar om flera komponenter används.

Upprepa steg 1-7 för varje analys. Även om detta förfarande låter komplicerat, efter den inledande genomförandet av förfarandet är enkelt att automatisera, så att stora datamängder kan buntbearbetas att hitta förändringar. Vi använder en Mathematica kod skriven specifikt foR denna procedur, så att fullständiga uppgifter kan buntbearbetas "med en knapptryckning". I princip kan de spektrala förskjutningar beräknas även "live", även om vi inte har gjort detta ännu.

Representative Results

Små avvikelser i kapillära tillverkning förfarandet kan leda till betydande förändringar i provet framgång. I figur 5 (ad), visar vi representativa exempel på misslyckades kapillärer samt en lyckad en. Generellt är den visuella indikeringen av en framgångsrik prov en röd fluorescens i kombination med en hög intensitet på kapillärväggarna och en formlös interiör. Fluorescensspektrat visar också tydligt skillnaden mellan framgång och misslyckande (figur 5e). En bra prov ska visa väldefinierade (synlighet ≈ 0,5) WGM svängningar i spektrumet.

Installationen kan vara programmerad för att ta spektra kontinuerligt som analyter pumpas in i kapillärkanalen (figur 6a). Använda den teknik som beskrivs ovan, kan dataanalysen utföras som en batch-jobb på alla WGM spektra, som bör skifta så olika analyter injiceras i kapillären.Här visar vi resultaten för en kontinuerlig tidsserie (dvs ett sensorgram) som vatten, metanol och slutligen etanol pumpas sekventiellt in i kanalen. Endast den huvudsakliga Fourier-komponenten valdes i detta fall (figur 6b), eftersom resultaten ansågs tillfredsställande även för denna enkla analys. Felstaplarna representerar en standardavvikelse av toppläget för de första 100 mätningar (med vatten i kanalen).

Sensorgram drift av dessa enheter (dvs. kontinuerlig tidsserier i motsats till enstaka statiska mätningar) undviker saknas potentiellt intressanta funktioner i en analys. Till exempel ser vi en "bula" i WGM skift data mellan vatten och metanol, vilket indikerar analyt med ett högre brytningsindex än endera rena komponenten. I själva verket, är vatten-metanolblandningar kända för att ha ett högre brytningsindex än endera ren fas, ¹⁹ antyder närvaron av en liten mixing regionen mellan de två lösningarna. För biosensing mätningar räknar vi med att sensorgram mätningar kommer att vara avgörande för att fastställa arten och specificiteten av analyt bindande. I Figur 6c, ser vi också att osäkerheten i topp position är ~ 10 pm, vilket är betydligt mindre än 110 pm tonhöjd spektrometern. Denna förbättring kan uppnås på grund av dataanalys metoden, som här kan detektera förändringar en storleksordning mindre än spektrometer tonhöjd.

Slutligen, kan den genomsnittliga känslighet av kapillären erhållas från nätet skift för de tre lösningarna, över motsvarande analyt brytningsindex intervall. Detta beror huvudsakligen på filmens tjocklek och brytningsindex. Den senare är känd för att vara ~ 1,67, från ellipsometriska mätningar på plana filmer framställda med användning av liknande metoder. För en 30-im innerdiameter ^20, kan den teoretiskt maximala känsligheten beräknasanvändning av den metod störningsteori utvecklats i ref. ^21, med hjälp av cylindriska lösningar i stället för de sfäriska sådana. Med denna metod, för kanal-index av 1,33, den maximala känslighet (n, l) = (1, 190) läge nära λ = 780 nm är lika med 25,7 nm / RIU för en filmtjocklek av 265 nm. Den experimentella genomsnittliga känslighet är 16,0 nm / RIU i våglängdsområdet, vilket indikerar att filmtjockleken är optimal.

Figur 1. Elektriskt fält amplitud för VISKGALLERI lägen en mikrosfär (a), en LCORR (b), och en FCM (c). I de två senare fallen analyten är inuti kanalen, för en mikrosfär, är analyten utanför och behöver därför en separat kammare. Den radiella läget ordning är 1, medan den vinkelformiga ordning är 53, 52, ennd 65, respektive.

Figur 2. (A) En kapillär varelse doppas i en lösning av FOX-15. Även om det inte går att se menisken i fotografiet kan försöksledaren observera den stiger upp kanalen. (B) En uppsättning sista kapillärer på mikroskop scenen för preliminär analys. En 445-nm lasern infaller nära centrum av den längst till vänster kapillären, det röda skenet är Si-QD fluorescens. Detta verkar särskilt intensiv vid slutet av kapillären, beroende på vågledande inom glas kapillärväggarna. (C) En framgångsrik kapillär hålls i mikroflödessystem analysen installationen. Fluidum injiceras i kapillären från mikropumpen (ej visad) strömmar från höger till vänster genom kanalen, och in i en annan slang för bortskaffande.

Figur 3. En typisk WGM spektrum. Den övre fluorescens bilden visar positionen av spektrometern ingångsslitsen, tillsammans med motsvarande 2D spektrala bild. Den slutliga 1D spektrumet extraheras från den inramade regionen.

Figur 4 En enda mod extraheras från en kapillär WGM spektrum och passar med en ren Lorentz (Ekvation 1, röd linje). Samt en skev Lorentz (Ekv. 2, blå linje). Medan den senare uppenbarligen ger en bättre passform, topp inredning i allmänhet inte är det bästa alternativet för att identifiera mycket små spektrala förskjutningar, vilket krävs för att uppnå låga detektionsgränser.

Figur 5. > (Ad) visar en uppsättning av fluorescensbilder av misslyckades och en lyckad FCM (a):. Ingen luminiscens, denna kapillär inte ordentligt fylla eller lösningen var helt indunstades (b) gul-orange fluorescens i kapillärkanalen.. Här, är den fluorescerande regionen inte på väggarna hos kapillären utan i mitten. I vissa prover, förefaller filmen att krympa upp i mitten av kanalen. (C) visar en stark röd fluorescens men saknar WGMS i spektrumet. Vissa oegentligheter kan observeras i filmen strukturen. (D) var en framgångsrik kapillär med bra WGMS. En underskrift framgångsrika filmer är kanal enhetlighet och brist på oregelbundna drag. Motsvarande fluorescensspektra visas i (e).

256/50256fig6highres.jpg "/>
Figur 6. (A) en uppsättning av spektra tas som metanol, sedan vatten, sedan etanol pumpades in i kapillären. Spektra togs sekventiellt från rött till blått. (B) visar Fourier-effektspektrum för varje fluorescensspektrum. Den ^{40: e} komponenten är den viktigaste observerbara WGM svängning. Motsvarande fasskillnader togs för denna komponent enbart, och plottas i (c), efter omvandling till våglängd skift via Ekv. 4. Felstaplarna representerar en standardavvikelse av toppen skift för 60 mätningar. Den infällda bilden visar den genomsnittliga känslighet över brytningsindex intervallet från metanol till etanol. Teoretiskt skiftar våglängden ökar med ökande brytningsindex och är därför inte strikt linjär, i samförstånd med de observerade skift data.

Discussion

Lysrör-core mikrokaviteter kan användas som refraktometriska sensorer. Även om det finns enstaka exempel på "rullas upp" mikrorör som kan fungera som mikroflödessystem sensorer, ²² jämfört med mikrorör kommer kapillärerna vara lättare att integreras i mikroflödessystem uppställningar och har stora praktiska fördelar, eftersom de är lätta att hantera och enkel att samverka med en analys setup. Med användning av konventionella Fourier analysmetoder kan våglängd skift som är minst en storleksordning mindre än tonhöjd spektroskopi systemet detekteras. Denna metod tillåter också integreras i sensorgram typ mätsystem.

Dessa FCMs huvudsakligen skulle konkurrera med vätska-core optisk ring resonatorer (LCORRs). ^23,24,25 LCORRS är glaskapillärer som har tunnas genom upphettning och dra, pumpa HF i kanalen för att lösa den inre kapillär yta eller uppvärmning och inflation med trycksatt gas. ²⁶ Dessa behandlingar resulterar i en kapillär med mikrometer-tunna väggar, som krävs för att stödja WGMS med en evanescent svans sträcker sig in i kapillärkanalen. LCORR biosensorer har visats för detektion av en mängd olika målanalyter. ^27,28,29,30

FCMs har flera klara fördelar och begränsningar i jämförelse med LCORRs. Båda enheterna är beroende av flödet av en analyt genom en kapillär kanal. Båda bygger på silika kemi och kan funktionaliseras med användning av liknande metoder. Men upplösningen och detektionsgräns av LCORR blir bättre, förutsatt motsvarande uppgifter analysmetoder används. Detta beror LCORRs baseras på precision avstämbara laser mätningar som har en mycket hög samplingshastighet, medan FCMs använda en konventionell spektrometer. Detta minskar detektionsgränserna (och eventuellt känsligheten ³¹⁾ av FCM. Vi har hittills uppnåtts, i bästa fall en O detektionsgränsf omkring 10 ^-5 RIU hjälp av olika varianter av denna teknik, medan ett värde av 10 ^-6 RIU är standard i LCORRs. En ytterligare fråga gäller användningen av en spektrometer i den totala systemkostnaden. Fluorescensen från Si-QDs kan enkelt mätas med små fotavtryck, icke-kylda handhållna spektrometer enheter som havet Optik USB2000 serien (för närvarande en kostnad på ~ $ 2.000). Men kommer att använda en sådan anordning med FCMs kräver hänsyn och testning av experimentuppställning, eftersom det inte kan vara lätt att få WGM spektra från en liten region av kapillär utan att använda ett mikroskop mål och en avbildande spektrometer.

LCORRs kräver användning av anordningen som är både dyrt och svårt att driva "i fältet", såsom en avstämbar laser och exakt nanopositioning utrustning. Vidare, är det tunnväggiga kapillär både sköra och svåra att hantera. FCMs däremot behöver en blå ljuskälla såsom en simple diodlaser eller LED och optik för att projicera fluorescens bilden på ingångsslitsen av en spektrometer. FCM är också mycket mer robust än den tunnväggiga LCORR. Metoden kan också utvidgas till att olika typer av fluorescerande skikt som kan få högre effektivitet och olika våglängder topp, jämfört med Si-QDs. Sålunda, skulle valet av en föredragen sensor (LCORR vs FCM) beror förmodligen på den avsedda tillämpningen. Om mycket låga koncentrationer av analyt är närvarande, skulle de låga detektionsgränser av LCORR vara fördelaktig. Om användarvänlighet, hållbarhet och experimentell kostnaden är det största problemet, då FCM kan vara ett bättre alternativ om spektrometern kan integreras utan användning av ett fluorescensmikroskop. Även med helt olika fördelar och begränsningar är båda enheterna lovande för mikroflödessystem analys av ett stort antal potentiella analyter.

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.