Syntese og drift af fluorescerende-core mikrokaviteter for refraktometriske Sensing

Summary

Fluorescent-core microcavity sensorer anvender en høj-indeks kvante-dot coating i kanalen af ​​silica microcapillaries. Ændringer i brydningsindeks af fluider pumpes ind i kapillarkanalen årsag forskydninger i microcavity fluorescensspektrum, som kan anvendes til at analysere den kanal medium.

Abstract

Denne artikel diskuterer fluorescerende centrale microcavity-baserede sensorer, der kan operere i en mikrofluid analyse setup. Disse strukturer er baseret på dannelsen af ​​et fluorescerende kvante-dot (QD) belægning på den kanal overflade af en konventionel mikrokapillær. Silicium QDs er særligt attraktive til denne anvendelse, hvilket til dels skyldes deres ubetydelige toksicitet sammenlignet med II-VI og II-VI sammensatte QDs, hvilket er lovgivningsmæssigt kontrollerede stoffer i mange lande. Mens ensemble emissionsspektret er bred og uden særlige træk, en Si-QD film på kanalvæggen af ​​kapillærrør funktioner et sæt af skarpe, smalle toppe i fluorescensspektret, svarende til de elektromagnetiske resonanser for lys fanget i filmen. Topbølgelængden af ​​disse resonanser er følsom over for det ydre medium, hvilket tillader indretningen at fungere som et refraktometrisk sensor, hvor QDs aldrig komme i fysisk kontakt med analytten. Den eksperimentellefremgangsmåder i forbindelse med fremstillingen af ​​fluorescerende kerner microcapillaries er diskuteret i detaljer, samt analysemetoder. Endelig foretages en sammenligning mellem disse strukturer og mere udbredte undersøgte væske-core optiske ring resonatorer i form af microfluidic sensing-funktioner.

Introduction

Kemiske følere, der kræver kun små prøvevolumener og som kan inkorporeres i håndholdte eller felt-operabel anordninger kan føre til udviklingen af ​​en bred vifte af nye teknologier. Sådanne teknologier kan omfatte diagnosticering af sygdomme og patogener, ¹ miljøbelastende stoffer, ² og fødevaresikkerhed. ³ Flere teknologier bliver aktivt udforsket til microfluidic kemiske sensorer, med enheder baseret på fysik overflade plasmon resonanser (SPR) blandt de mest avancerede. ⁴ Disse sensorer er nu i stand til at detektere mange specifikke biomolekyler og har opnået kommerciel succes, dog hovedsageligt som større skala lab udstyr. ⁵

I de senere år har optiske mikrokaviteter steget til at konkurrere med SPR-baserede systemer. Mikrokaviteter kan være utrolig følsom, med demonstreret evnen til at opdage enkelte vira ⁶ og måske endda enkelte biomolekyler 8 men der er ingen tvivl om, at de massive detektionsgrænser er små ^9). I mikrokaviteter, baseret påvisning mekanisme af ændringer i de optiske resonanser som følge af tilstedeværelsen af ​​en analyt i det elektriske felt profilen af ​​resonansen. Typisk vil en given analysand få resonans til ændringerne i i det centrale frekvens, sigtbarhed eller liniebredde. Som med SPR-systemer, kan mikrokaviteter fungere som ikke-specifikke refraktometriske sensorer, eller som biosensorer funktionaliseret for en specifik analyse.

Dielektriske mikrostrukturer med et cirkulært tværsnit (f.eks mikrokugler, diske, eller flasker) er karakteriseret ved elektromagnetiske resonanser kendt som hviskegallerimodus modes, eller WGMs, et begreb der går tilbage til Lord Rayleigh undersøgelser af analoge akustiske effekter. ¹⁰ væsentlige, en optisk WGM opstår, når en bølge circumnavigates den cirkulært tværsnit sfdeling af total intern refleksion, og vender tilbage til sit udgangspunkt i fase. Et eksempel på en elektromagnetisk resonans for en silica mikrosfære er illustreret i figur 1a. Denne resonans er karakteriseret ved en maksimal i den radiale retning (n = 1), medens i alt 53 bølgelængder passer omkring ækvator (l = 53), er kun nogle er vist. Den udklingende del af feltintensiteten strækker sig ind i mediet uden for området grænsen, således mikrosfære WGM kan mærke det ydre medium.

Kapillærer er en særligt interessant eksempel på en WGM-baserede sensor. I et kapillarrør, cylindriske WGMs kan danne omkring cirkulært tværsnit, i lighed med tilfældet for en kugle. Hvis kapillærvæggen er meget tynd, en del af det elektromagnetiske felt strækker sig ind i kapillarkanalen (figur 1b). Således kan en kapillær være en mikrofluid sensor for analytter injiceret ind i kanalen. Dette er den bASIS drift af den flydende kerne optiske ring resonator (LCORR). ¹¹ LCORRs stole på den kortvarige kobling af lys fra en præcision afstembar laserkilde til at undersøge WGMs. Et vigtigt aspekt ved LCORR er, at de kapillære vægge skal være tynd (~ 1 gm) at sikre, at tilstanden prøverne kanalen medium. Dette placerer nogle vanskeligheder på deres fabrikation og får dem til at være mekanisk skrøbelig.

I vores arbejde har vi udviklet en alternativ struktur vi kalder en fluorescerende kerne microcavity (FCM). ^12,13 Til dannelse af en FCM, vi coat kanalvæggene i en kapillær med en høj refraktionsindeks fluorophor (nærmere bestemt et lag af oxid-indlejrede silicium kvantepunkter). Den høje indeks for filmen skal begrænse den udsendte stråling, hvorved der opbygges de WGMs (figur 1c). I modsætning til LCORR, de tilstande, et FCM fremstår som skarp maksima i en udsendt fluorescensspektret. Tykkelsen af ​​denFilmen er kritisk vigtigt, hvis den er for tyk til WGM ikke sample medium i den kapillære kanal, og hvis den er for tynd til optisk indeslutning er tabt, og WGMs bliver svage. Således fremstilling af et FCM er en vanskelig proces, som kræver omhyggelig forberedelse. Det er hovedemnet for den aktuelle papir.

Protocol

1. Fremstilling af materialer

1. Microcapillaries dannelse af siliciumdioxid kapillarrør fra en kommerciel leverandør. Vi køber vores kapillærer fra Polymicro Technologies. Vælge en lille indvendig diameter (~ 25-30 um) for mere vidt adskilte spektrale resonanser (dvs. et større frit spektralt område), eller en større indvendig diameter (~ 100 um) for mere tætliggende resonanser med højere kvalitet faktorer. En stor ydre diameter sikrer de FCMs er holdbare og lette at manipulere.
   1. Kapillærerne komme med en farvet polyimid jakke, som først skal fjernes. Skåret ca 10 cm stykker af kapillær fra rullen, med diamant fiber spaltekniven. Hver brik er en enkelt prøve. Varm disse i en rørovn ved 650 ° C i en time i oxygen til afbrænding af overtrækket. Denne proces fjerner kappematerialet, udsætte silica kapillær indeni. Efter afkøling til stuetemperatur fjernes capillaries fra opvarmningen båden.
2. Hydrogen silsesquioxan opløsninger Hydrogen silsesquioxan (HSQ) angives at bestå af H ₁₂ Si ₈ O ₁₂ molekyler med en bur-lignende struktur. ¹⁴ Dette materiale er kommercielt tilgængelig fra Dow Corning. Købe HSQ i en af ​​dets Fox-serien (flydbart oxid) løsninger, som Fox-15. Disse løsninger er dyre og har en begrænset holdbarhed, så omhyggelig planlægning er nødvendig. Afdampning af MIBK opløsningsmidlet giver en HSQ koncentration på omkring 18 vægt%. Hvis HSQ koncentrationen er for lav, kan kvantepunkter ikke dannes i filmen. Hvis det er for højt, kan filmene være for tyk og delaminere fra den kapillære kanal overflade. Det er vores erfaring, er for et kapillarrør med en 25-30 um indvendig diameter, en ræv opløsning indeholdende ~ 25 vægt.% HSQ bedst. Således kan det være nødvendigt at afdampe eller øge HSQ opløsningsmiddel (at sikre, at den er tør) for at justerekoncentration. Om en fortynding eller koncentration er nødvendig, er vanskeligt at afgøre uden trial and error, nemlig at gøre nogle prøver og undersøge resultaterne, som beskrevet nedenfor.

2. Fremstilling af overtrukket Kapillarrør

1. Påfyldning kapillarrøret Tag stykker af kapillær fremstillet i trin 1,1 og dyppe dem i ræven løsning. Når et kapillarrør dyppet i opløsningen, bør man være i stand til visuelt at følge menisken op kanalen, eftersom opløsningen trækkes ind i kapillarrøret (figur 2a).
   1. Når menisken når toppen, fjern kapillarrøret og læg den i et glas udglødning digel. Det bør nu være helt fyldt med Fox opløsning. Gentag dette for så mange prøver som muligt, for at øge chancerne for succes. Vi typisk køre partier af 20-30 og bruge to forskellige koncentrationer af HSQ løsninger efter vægt. Vi fylder kapillærerne i luft, men at holde tHan FOX opløsning afkølet i en handskekasse anbefales om muligt for at minimere udsættelse af opløsningen for oxygen og vanddamp. Selv små påvirkninger kan medføre gelering af opløsningen.
2. Annealing Anneal kapillærerne i en totrinsproces. Annealing fordamper opløsningsmidlet og kollapser HSQ bur struktur, som danner en _SiOx-filmen klæber til kanalvæggene. Annealing ved højere temperaturer disproportionates den SiO _x film til Si kvantepunkter dispergeret i en silicamatrix. De udglødningstrin omfatter en 30 minutters rampe fra stuetemperatur til 300 ° C, en opholdstid i 3 timer for at afdampe opløsningsmidlet, derefter en rampe til 1100 ° C i 45 minutter og en opholdstid i en time for at præcipitere QDs.
   1. Lad kapillærerne afkøles langsomt (~ 12 timer) tilbage til stuetemperatur. Dette hjælper til at minimere stress-relaterede krakning af filmen aflejret på kapillærvæggen. Andre annealing protokoller kunnesandsynligvis skal følges, og kan være mere sikker, men høj temperatur anneale stadium 1.000-1.100 ° C er altid nødvendigt at danne QDs. Ved afslutningen af ​​dette trin, bør en (forhåbentlig) har fra 20 til 30 kapillærer med et lag af fluorescerende QDs indlejret i en silicamatrix coating på kanalvæggene.

3. Karakterisering

1. Prøve tjek fluorescensmikroskop, som kapillærerne er monteret, skal udføre både billedbehandling og spektroskopi i 700-900 nm bølgelængdeområdet. Epifluorescens eller konfokal opsætninger er egnede til dette formål. Placer en række af kandidaten kapillærer på scenen, så det er nemt at skifte mellem dem for hurtig visuel analyse (figur 2b). Excitere kapillar med blå eller UV-stråling enten i det frie rum på objektbordet, eller direkte gennem objektivlinsen hjælp af et dichroisk filter, og observere fluorescensen billede ved hjælp okularerneeller et farvekamera.
   1. Overhold kapillære fluorescens. Hvis fabrikation lykkedes, vil kapillærerne udviser en klar rød fluorescens. Dette er den første indikation af en gunstig prøve. Kapillærer udviser orangegul fluorescens (i stedet for den røde farve, som skyldes de QDs) i almindelighed har ikke de ønskede optiske egenskaber. Disse prøver også en tendens til at danne oftere i opløsninger med lav HSQ koncentration. Nogle kapillærer kan vise ingen fluorescens ved alle, i dette tilfælde QD film ikke danne og kapillarrøret kan kasseres (glas skarpe). Dette er en indikation af, at løsningen ikke kan være blevet trukket ind i kapillarrøret, eller det kan have været mangelfuld i HSQ. Endelig kan nogle prøverne viser en revnet eller tekstureret film, og disse kan også kasseres.
   2. Kassér alle prøver, der er nævnt i det forrige trin med undtagelse af dem, der viser den lyse rød fluorescens karakteristisk for silicium QDs.
2. Kontrollere tilstedeværelsen af WGMs i fluorescensspektre sikre billedet er justeret som ønsket på indgangsslidsen af spektrometeret og indsamle et fluorescensspektrum. Juster indsamling tid for at frembringe et acceptabelt signal-støjforhold. Udfør bølgelængde og intensitet kalibreringer efter behov. Den QD spektre skal være intens i bølgelængdeområdet 700 til 900 nm. Spektre taget fra regionen svarende til kapillær indre væg bør udvise stærke svingninger som følge af tilstedeværelsen af ​​de cylindriske hviskegallerimodus modes (WGMs), dette er den anden-til-sidst krav om en vellykket refraktometrisk sensor.
   1. Nogle prøver kan have en klar rød QD fluorescens, men manglende WGM svingninger i spektret. Dette er en indikation af QD film revnede eller delamineret fra kapillærvæggen, som ødelægger de optiske resonanser. Kassér kapillærer uden WGMs. På dette tidspunkt er det kun den (typisk SMAll) brøkdel af prøver, der opfylder sensoren krav tilbage. Der er et sidste test skal udføres.
3. Refraktometrisk analyse Sæt kandidat kapillærer til polyethylen, tygon, teflon eller et andet rør er kemisk forenelige med den påtænkte analyt-løsninger, hvis indre diameter bør være en smule større end den kapillære ydre diameter. Valget af slangen skal gøres for ikke at reagere med de løsninger, der skal pumpes ind i kapillarrøret.
   1. Bruge en god klæbemiddel til at fastgøre glaskapillar til slangen, ellers kapillar-rør grænseflade vil lække. Vi har rimeligt godt succes med Norland NOA-76 eller Mascot øjeblikkelig klæbende gel. Valget af lim afhænger af dets adhæsion til glaskapillar og røret, og en manglende reaktion med kanalen fluider. Vær omhyggelig med at forhindre limen i at sive ind i kapillarkanalen og blokere det.
   2. Grænseflade slangenvia en sprøjte til en micropumping system. Forbindelser med kendte brydningsindeks, såsom methanol, ethanol og vand kan anvendes til at bestemme det refraktometriske følsomhed af indretningen. Dette er den sidste test af en vellykket sensor. Pump hver væske, en ad gangen, i kapillaret, at sørge for ikke at sprænge den klæbende tætning mellem kapillarrøret og røret (fig. 2c).
   3. Collect spektre med hver væske inde i kapillaret. Anvende en analysator i lysbanen at skelne mellem TE-polariserede WGMs (analysator parallelt med kapillær akse) og TM-polariseret WGMs (analysator vinkelret på kapillær akse). Der bør være et skift i bølgelængden af ​​WGM resonanser, enten TE eller TM, med hver forskellig opløsning i kapillarrøret. Hvis der ingen observerbar ændring, kvante-dot film er for tyk og WGMs ikke i tilstrækkelig prøve kanalen medium. I succesfulde prøver vi observerer følsomheder typisk mellem 5 og 15 nmper opløsning brydningsindeks enhed (RIU). Næsten alle de prøver, som viser dog WGMs viser en målelig følsomhed, men vil typisk kun en lille fraktion af tilberedt kapillærer viser WGMs.

4. Dataanalyse

1. Modtagelse af den fluorescensspektre Tag et spektrum af fluorescensen af din prøve. Til biosensorer anvendelser, har kanaloverfladen første, der er funktionaliseret til specifikke analytter. Overfladen af ​​den QD film i det væsentlige silica, så mange overflademodifikation opskrifter findes. Uanset ansøgningen, det sidste trin er databehandling og analyse.
   1. Opnåelse lave detektionsgrænser kræver at måle små spektrale skift-ideelt på "Shift opløsning" skal være væsentligt mindre end den nominelle spektrometer opløsning eller pitch. Der skal udvises forsigtighed i den spektrale behandling på grund af dette. Især på mange spektrometers spektret kan ikke projiceres helt vandret på CCD, og ​​således hvis mellem analyser, prøvebilledet driver lodret på spalten, kan falske spektrale skift opnås. Brug de midler der er nødvendige for at sikre, at dette ikke sker, f.eks bruge en kalibreringsstandard til at bestemme vinklen af den forventede spektrum og korrigere for det, minimere prøve drift og sikre, at de samme CCD pixels bruges til at indhente alle spektre .
      Et eksempel spektrale billedplan er vist i figur 3, hvor de tilstande vises som stærke svingninger på positioner svarende til kanalvæggene. Brug en Mathematica computer-kode (eller hvad din gruppe foretrækker) til at importere de spektrale billeder, output de 1D spektrale data og udføre kurvetilpasning og Fourier analyse af WGM forskydninger, som beskrevet nedenfor.
2. Kurvetilpasning Bestem WGM topbølgelængde at måle små spektrale forskydninger på grund af analytter in FCM kanal. Monter en enkelt transportform til en funktion, der beskriver den spektrale form - dette er en almindelig måde at opnå den maksimale position. I det ideelle tilfælde vil dette være en Lorentz funktion (med ordentlig konvertering fra bølgelængde til frekvens enheder via δλ = │-cδf / f ² │ hvor c er lysets hastighed):
   
   I ligning. 1, A er en skaleringsparameter og f ₀ er den centrale frekvens. Desværre FCMs ikke et ideelt tilfælde.
   1. I cylindriske hulrum de WGMs er skæv i retning af højere frekvenser, sandsynligvis på grund af udviklingen af spiral resonanser (WGMs med en ikke-nul aksial komponent i wavevector). ¹⁵ Lorentz passer derfor klarer sig dårligt til at bestemme den maksimale position. Desværre er der ingen funktion thved vil passe en fordeling af overlappende Lorentzians fra de spiralformede WGMs. I tidligere arbejde ¹⁶ vi foreslog, at en skæv Lorentz ¹⁷ ville give en bedre pasform:
      
      Her identificeres en og B skævvridning parametre. Som det kan ses i figur 4, Eq. 2, fungerer som et bedre fit til data end Eq. 1, men desværre har ingen fysisk basis i teorien om WGMs.
3. Fourier skift analyse Alternativt kan blive behandlet ved anvendelse af en diskret Fourier-transformation, og den tilsvarende faseskift målt fra Fourier-spektret. Denne fremgangsmåde drager fordel af periodiciteten af ​​hele spektret, i modsætning til anvendelse af en enkelt vilkårlig WGM. Det måler ikke topbølgelængden position, men i stedet måler et overordnet skiftaf en given WGM spektrum med hensyn til en vilkårlig referencespektrum.
   1. Benytte faseforskellen Δφ for high-power Fourier-komponent, der svarer til den primære WGM spektrale oscillation til opnåelse af den spektrale forskydning. Dette svarer til en reel WGM frekvens skift af:
      bf = Δφ (f _max - f _min) / (2πk),
      hvor f _min og f _max er den mindste og største frekvens i spektrene. Dog kan mange oplysninger kasseres, hvis kun den vigtigste komponent anvendes, derudover kan trunkering spørgsmål, der gør det vanskeligt at afgøre, hvilken komponent er den vigtigste. Ofte de bedste resultater kræver nogle trial and error, hvilken Fourier-komponenter til at vælge.
   2. Skiftet sætning i stedet bruger alle de Fourier-komponenter. Følgelig er der for en ren skift, er hver enkelt komponent forskudt i forhold til k (med ker den komponent nummer). Med andre ord, når δφ _k = mk, proportionalitet m er et mål for den reelle forskydning. Den samlede frekvensforskydning er givet ved:
      bf = m (f _max - f _min) / (2π).
      Dette kræver m kan opnås fra en lineær tilpasning til faseforskellene ΔΦ _k for nogle eller alle af Fourier-komponenterne.
   3. For reelle data, ΔΦ _k = mk den lineære sammenhæng vil have usikkerhed på grund af støj og baggrund signal, som kan have en betydelig effekt på de energibesparende Fourier-komponenter. Derfor anbefaler vi en vægtet lineær tilpasning, hvor vægten for hver komponent er proportional med dens magt, for at opnå den hældning ΔΦ _k vs k graf. Spektret kan filtreres omkring den vigtigste komponent før montering, at fjerne både høje frekvenser (nOise) og lave frekvenser (koblet fluorescens baggrund). Frekvensen skifter fra Eq. 4 er derefter omdannet til bølgelængde enheder.
   4. I modsætning til tendensen kurvetilpasning, er en WGM "bølgelængde" aldrig opnået, men i stedet en bølgelængdeforskydning måles over hele spektret i forhold til en vilkårlig referencespektrum. Proceduren gentages for hvert spektrum, som skal analyseres. Trinnene for denne procedure er som følger:
      1. Konverter spektrene i frekvens enheder for at sikre en konstant frit spektralt område.
      2. Vælg reference datasættet (dvs. den første WGM fluorescensspektret), hvorfra alle skift vil blive målt.
      3. Interpolere spektrene for at opnå ensartet frekvensafstand. ¹⁸
      4. Udføre en diskret Fourier-transformation til opnåelse af strøm-og fase-komponenter i hvert spektrum.
      5. Find faseforskellene for alle k komponenter i en given WGMfrekvenser, som shift værdien er ønsket, i forhold til referencespektret.
      6. Finde den faseforskydning ved hjælp af faseforskellen af ​​enten den primære Fourier komponenten alene eller en vægtet lineær tilpasning til de udvalgte komponenter. Dette vil give faseskiftet bf eller δλ mellem WGM spektrum og referencespektret.
      7. Fejlene i de spektrale skift (detektionsgrænsen) kan måles ved at indsamle gentagne spektre for den samme analyt. En usikkerhed i følsomheden kan opnås fra fejlen i de vægtede lineære anfald, hvis flere komponenter anvendes.

Gentag trin 1-7 for hver analyse. Mens denne procedure lyder kompliceret, efter den indledende gennemførelse fremgangsmåden er enkel at automatisere, således at store datasæt kan være batch bearbejdes til at finde skift. Vi bruger en Mathematica kode skrevet specielt for denne procedure, således at fuldstændige datasæt kan være batch behandles "med et tryk på en knap". I princippet kan de spektrale skift selv beregnet "live", selv om vi ikke har gjort det endnu.

Representative Results

Små afvigelser i den kapillære fabrikation procedure kan føre til betydelige ændringer i prøven succesrate. I figur 5 (ad), viser vi repræsentative eksempler på mislykkedes kapillærer samt en succes. Generelt er visuel indikation af en vellykket prøve er en rød fluorescens kombineret med en høj intensitet ved de kapillære vægge og særlige træk indre. Fluorescensspektret også klart angiver forskellen mellem succes og fiasko (figur 5e). En god prøve skal vise veldefinerede (synlighed ≈ 0,5) WGM svingninger i spektret.

Opsætningen kan programmeres til at tage spektre kontinuerligt som analytter bliver pumpet ind i kapillarkanalen (figur 6a). Ved hjælp af den ovenfor beskrevne teknik, kan dataanalyse udføres som en batch job på alle WGM spektre, som skal skifte med forskellige analytter injiceres i kapillaret.Her viser vi resultaterne for en kontinuerlig tidsserier (dvs. et sensorgram) såsom vand, methanol og endelig ethanol pumpes successivt ind i kanalen. Kun de vigtigste Fourier-komponenten blev valgt i dette tilfælde (figur 6b), da resultaterne blev anset tilfredsstillende selv for denne simple analyse. Fejlsøjlerne repræsenterer en standardafvigelse af toppen stilling for de første 100 målinger (med vand i kanalen).

Sensorgram drift af disse enheder (dvs. kontinuerlig tidsserier i modsætning til enkelte statiske målinger) undgår mangler potentielt interessante funktioner i en analyse. For eksempel ser vi en "bump" i WGM skift data mellem vand og methanol, hvilket indikerer analyt med et højere brydningsindeks end enten ren komponent. Faktisk er vand-methanol-blandinger kendt for at have et højere brydningsindeks end enten ren fase, ¹⁹ hvilket antyder tilstedeværelsen af en lille mixing regionen mellem de to opløsninger. For biosensorer målinger forventer vi, at sensorgram målinger vil være afgørende for at bestemme arten og specificiteten af ​​analytbinding. I figur 6c, ser vi også, at usikkerheden i top position er ~ 10 pm, hvilket er betydeligt mindre end 110 pm stigningen af spektrometeret. Denne forbedring kan opnås på grund af den dataanalyse metode, som her kan detektere forskydninger en størrelsesorden mindre end spektrometer pitch.

Endelig kan den gennemsnitlige følsomhed kapillær opnås fra nettet skift for de tre opløsninger, over den tilsvarende analyt brydningsindeks interval. Dette vil hovedsageligt afhænge filmtykkelsen og brydningsindeks. Sidstnævnte vides at være ~ 1,67, fra ellipsometric målinger på flade film fremstillet ved anvendelse af tilsvarende fremgangsmåder. ^20. For en 30-um indvendig diameter, kan den teoretiske maksimale følsomhed beregnesbruger perturbationsteori tilgang udviklet i ref. ^21, ved hjælp af de cylindriske løsninger i stedet for de sfæriske dem. Med denne metode, er for kanal-indeks på 1,33, den maksimale følsomhed (n, l) = (1, 190) tilstand nær λ = 780 nm svarende til 25,7 nm / RIU for en filmtykkelse på 265 nm. Den eksperimentelle gennemsnitlige sensitivitet er 16,0 nm / RIU i dette bølgelængdeområde, hvilket indikerer, at filmtykkelsen er optimal.

Fig. 1. Elektrisk felt amplitude for de hviskegallerimodus former for en mikrosfære (a), en LCORR (b) og en FCM (c). I de to sidste tilfælde analytten er inde i kanalen, til en mikrosfære er analytten uden for og har derfor brug for et separat kammer. Den radiale funktion rækkefølge er 1, medens den vinkelmæssige rækkefølge er 53, 52, ennd 65, hhv.

Figur 2. (A) en kapillær væsen dyppet i en opløsning af Fox-15. Selv om det ikke er muligt at se menisken på fotografiet, kan eksperimentatoren observere det stiger op i kanalen. (B) Et sæt af endelig kapillærer på objektbordet for foreløbige analyse. En 445-nm laser er indfaldende nær centrum af den venstre kapillar, det røde lys er Si-QD fluorescens. Dette synes især intens ved afslutningen af kapillaret på grund af bølgelederstruktur inden for glas kapillarvæggene. (C) En vellykket kapillær holdes i mikrofluid analyse setup. Fluidum, der indsprøjtes i kapillaret fra micropump (ikke vist) strømmer fra højre mod venstre gennem kanalen, og ind i et andet rør til bortskaffelse.

Figur 3. En typisk WGM spektrum. Den øverste fluorescens billede viser positionen af ​​spektrometeret indgangsslids, sammen med den tilsvarende 2D spektrale billedplan. Den endelige 1D udvundet frekvenser er fra boxed region.

Figur 4 Et enkelt transportform ekstraheret fra en kapillær WGM spektrum og passer med en ren Lorentz (ligning 1, rød linje). Og en skæv Lorentz (ligning 2; blå linie). Mens sidstnævnte naturligvis giver en bedre pasform, peak montering er generelt ikke den bedste mulighed for at identificere meget små spektrale skift, som kræves for at opnå lave detektionsgrænser.

Figur 5. > (Ad) viser et sæt fluorescensbilleder af mislykkedes, og en vellykket FCM (a):. Ingen luminescens, hvilket kapillær ikke korrekt fylder eller opløsningen blev fuldstændigt inddampet (b) gul-orange fluorescens i den kapillære kanal.. Her, den fluorescerende regionen ikke på væggene af kapillaret, men i midten. I nogle prøver, synes filmen til at visne op i midten af kanalen. (C) viser stærk rød fluorescens, men mangler WGMs i spektret. Nogle uregelmæssigheder er observerbare i filmen struktur. (D) var en succesfuld kapillar med gode WGMs. En underskrift succesfulde film er kanal ensartethed og mangel på uregelmæssige funktioner. De tilsvarende fluorescensspektre er vist i (e).

256/50256fig6highres.jpg "/>
Figur 6. (A) et sæt spektre taget som methanol, derefter vand og derefter ethanol blev pumpet ind i kapillaret. Spektrene blev taget sekventielt fra rød til blå. (B) viser Fourier effektspektret for hver fluorescensspektret. Den 40 ^th komponent repræsenterer den største observerbare WGM oscillation. De tilsvarende faseforskelle blev taget til denne komponent alene, og er afbildet i (c), efter omdannelse til bølgelængde skift via Eq. 4. Fejlsøjlerne repræsenterer en standardafvigelse af toppen skift for 60 målinger. Det indsatte viser den gennemsnitlige følsomhed over brydningsindeks området fra methanol til ethanol. Teoretisk bølgelængden skifter stiger med stigende brydningsindeks og er derfor ikke strengt lineær, efter aftale med de observerede skift data.

Discussion

Fluorescerende kerner mikrokaviteter kan anvendes som refraktometriske sensorer. Mens der er isolerede eksempler på "rullet op" mikrorør der kunne optræde som mikrofluide sensorer, ²² i forhold til mikrorør, vil kapillærer være lettere at integrere i mikrofluid opsætninger og har betydelige praktiske fordele, da de let håndteres og let at kommunikere med en analyse setup. Anvendelse af traditionelle Fourier analysemetode kan bølgelængde forskydninger, der er mindst en størrelsesorden mindre end stigningen af ​​det spektroskopi systemet skal detekteres. Denne metode tillader også integration i sensorgram-typen målesystemer.

Disse FCMs hovedsagelig ville konkurrere med væske-core optiske ring resonatorer (LCORRs). ^23,24,25 LCORRS er glaskapillarer der er blevet udtyndet ved opvarmning og trække, pumpning HF ind i kanalen for at opløse den indre kapillar overflade, eller opvarmning og inflation med trykgas. ²⁶ Disse behandlinger resulterer i en kapillar med mikrometer-tynde vægge, som skal understøtte WGMs med en udklingende halen strækker sig ind i kapillarkanalen. LCORR biosensorer er blevet demonstreret til påvisning af en række forskellige målanalytter. ^27,28,29,30

FCMs har flere klare fordele og begrænsninger i forhold til LCORRs. Begge enheder er afhængige af strømmen af ​​en analyt ved hjælp af en kapillarkanal. Begge er baseret på silica kemi og kan funktionaliseres ved anvendelse af tilsvarende fremgangsmåder. Imidlertid opløsningen og detektionsgrænse LCORR vil blive bedre, idet det antages tilsvarende data analysemetoder anvendes. Dette skyldes LCORRs er baseret på præcision afstemmelige laser målinger, har en meget høj samplingshastighed, mens FCMs anvende et konventionelt spektrometer. Dette formindsker detektionsgrænserne (og potentielt følsomheden ³¹⁾ af FCM. Vi har hidtil opnået, i bedste fald en detektionsgrænse of omkring 10 ^-5 RIU hjælp af variationer af denne teknik, mens en værdi over 10 ^-6 RIU er standard i LCORRs. Et yderligere problem er anvendelsen af ​​et spektrometer i det samlede system cost. Fluorescensen fra Si-QDs let kan måles med små fodaftryk, ikke-kølet håndholdte spektrometerinstrumenter enheder såsom Ocean Optics USB2000 serie (pt en udgift på ~ $ 2.000). Imidlertid vil anvendelsen af ​​en sådan indretning med FCMs kræver overvejelser og afprøvning af forsøgsopstillingen, da det ikke nødvendigvis være let at opnå WGM spektre fra en lille region af kapillæret uden anvendelse af et mikroskopobjektiv og et billeddannende spektrometer.

LCORRs kræver anvendelse af et apparat, der både er dyre og vanskelige at betjene "i marken", såsom en afstemmelig laser og præcis nanopositioning udstyr. Desuden det tyndvæggede kapillar er både skrøbelige og vanskeligt at håndtere. FCMs derimod har brug for en blå lyskilde, såsom en simple diode laser eller LED og optik for at projicere fluorescensbillede på indgangsslidsen af ​​et spektrometer. FCM er også langt mere robust end det tyndvæggede LCORR. Metoden vil også kunne udvides til forskellige typer af fluorescerende lag, som kunne have højere effektivitet og forskellige peak bølgelængder, sammenlignet med Si-QDs. Således vil valget af en foretrukken sensor (LCORR vs FCM) afhænger sandsynligvis af den tilsigtede anvendelse. Hvis meget lave koncentrationer af analyt er til stede, vil de lave påvisningsgrænser for LCORR være fordelagtig. Hvis brugervenlighed, holdbarhed og eksperimenterende omkostninger er den største bekymring, så FCM kunne være en bedre løsning, hvis spektrometer kan integreres uden brug af et fluorescensmikroskop. Selv om der klart forskellige fordele og begrænsninger, der begge enheder lovende for mikrofluid analyse af en lang række mulige 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.