Synthese en Werking van TL-core microcavities voor Refractometermethode Sensing

Summary

Fluorescent-core microcavity sensoren gebruiken een hoge-index quantum dot-coating in het kanaal van silica microcapillaries. Veranderingen in de brekingsindex van vloeistoffen gepompt capillaire kanalen leiden tot verschuivingen in de microcavity fluorescentie spectrum die kunnen worden gebruikt om het kanaal medium analyseren.

Abstract

Dit document bespreekt fluorescerende kern microcavity-gebaseerde sensoren die kan werken in een microfluïdische analyse setup. Deze structuren zijn gebaseerd op de vorming van een fluorescerende quantum dot-(QD) coating op het kanaal oppervlak van een conventionele microcapillair. Silicon QDs zijn vooral aantrekkelijk voor deze toepassing, mede door hun te verwaarlozen toxiciteit ten opzichte van de II-VI en II-VI verbinding QDs, die wetgevend zijn stoffen waarvan de controle in vele landen. Terwijl het ensemble emissiespectrum is breed en featureless een Si-QD film op de kanaalwand van een capillair een stel scherpe, smalle pieken in het fluorescentiespectrum, overeenkomend met de elektromagnetische resonanties voor licht gevangen in de film. De piekgolflengte van deze resonanties gevoelig is voor de externe medium, waardoor het mogelijk de inrichting te functioneren als een refractometrische sensor waarin nooit QDs in fysiek contact komen met de analyt. De experimentelewerkwijzen in verband met de fabricage van de fluorescerende kern microcapillaries in detail besproken, evenals de analysemethoden. Tenslotte wordt een vergelijking gemaakt tussen deze structuren en het breder onderzocht vloeistof kern optische ringresonatoren qua microfluïdische sensing mogelijkheden.

Introduction

Chemische detectie systemen die slechts kleine monstervolumes vereist en die kan worden opgenomen in de hand gehouden of veld bediende inrichtingen kunnen leiden tot de ontwikkeling van tal van nieuwe technologieën. Dergelijke technologieën kunnen zijn veld diagnostiek voor ziekten en ziekteverwekkers, ¹ milieucontaminanten, ² en voedselveiligheid. ³ Verschillende technologieën worden actief onderzocht voor microfluïdische chemische sensoren, met apparaten op basis van de fysica van het oppervlak plasmonresonanties (SPR) tot de meest geavanceerde. ⁴ Deze sensoren zijn nu voor het opsporen van vele specifieke biomoleculen en hebben bereikt commercieel succes, maar voornamelijk als grotere schaal lab-apparatuur. ⁵

In de afgelopen jaren zijn optische microcavities gestegen concurreren met SPR-gebaseerde systemen. Microcavities kan zijn verbazingwekkend gevoelig, met bewezen vermogen om te detecteren enkele virussen ⁶ en misschien zelfs enkele biomoleculen 8 maar er is geen twijfel dat de massa detectielimieten zijn kleine ^9). In microcavities de detectie mechanisme vertrouwt op veranderingen in de optische resonanties veroorzaakt door de aanwezigheid van een analyt in de elektrische veldprofiel van de resonantie. Meestal zal een bepaald analyt ertoe leiden dat de resonantie in te veranderen in het centrum van de frequentie, zichtbaarheid, of lijnbreedte. Zoals bij SPR systemen kunnen microcavities als aspecifieke refractometrische sensors of als biosensoren gefunctionaliseerd voor een specifieke analyse.

Diëlektrische microstructuren met een cirkelvormige doorsnede (bijv. microsferen, schijven of cilinders) worden gekenmerkt door elektromagnetische resonanties wel de Whispering Gallery modes of WGMs een term uit naar Lord Rayleigh het onderzoek van analoge akoestische effecten ^10. Wezen een optische WGM treedt op wanneer een golf circumnavigates de cirkelvormige dwarsdoorsnede sectie door totale interne reflectie, en keert terug naar het startpunt in fase. Een voorbeeld van een elektromagnetische resonantie een silica microsfeer wordt getoond in figuur 1a. Deze resonantie wordt gekenmerkt door een maximum in de radiale richting (n = 1), terwijl in totaal 53 golflengten passen rond de evenaar (l = 53) zijn waarvan slechts enkele getoond. Het verdwijnende deel van de veldsterkte in het medium uitstrekt buiten het gebied grenzen, vandaar de microsfeer WGM voelt het externe medium.

Capillairen een bijzonder interessant voorbeeld van een WGM gebaseerde sensor. In een capillair cilindrische WGMs kan vormen rond de cirkelvormige doorsnede, vergelijkbaar met het geval van een bol. Als de capillaire wand zeer dun is, een deel van het elektromagnetische veld zich in het capillair kanaal (Figuur 1b). Aldus kan een capillaire een microfluïdische sensor voor analyten geïnjecteerd in het kanaal. Dit is de basis van de werking van de vloeibare kern optische resonator ring (LCORR). LCORRs ¹¹ afhankelijk van de verdwijnende koppeling van licht van een precisie afstembare laser bron tot de WGMs sonde. Een belangrijk aspect van de LCORR dat de capillaire wanden moet dun zijn (~ 1 pm) dat de mode monsters het kanaal medium waarborgen. Dit stelt een aantal problemen op hun fabricage en zorgt dat ze mechanisch kwetsbaar.

In ons werk hebben we een alternatieve structuur noemen we een fluorescerende kern microcavity (FCM). ^12,13 Een FCM vormen, voorzien wij de kanaalwanden van een capillair met een hoge brekingsindex fluorofoor (specifiek een laag oxide-embedded silicium quantum dots). De hoge index van de film moet de uitgezonden straling beperken en zo aan de WGMs (figuur 1c). In tegenstelling tot de LCORR in een FCM de modi weergegeven als scherpe maxima in een uitgezonden fluorescentie spectrum. De dikte van defilm is van cruciaal belang, maar als het te dik is de WGM niet genieten van het medium in de capillair kanaal, en als het te dun is de optische opsluiting verloren gaat en de WGMs te zwak wordt. Dus de vervaardiging van een FCM is een lastig proces, waarbij zorgvuldige voorbereiding. Dit is het belangrijkste onderwerp van de huidige papieren.

Protocol

1. Bereiding van Materials

1. Microcapillaries verkrijgen silica capillairen van een commerciële leverancier. Wij kopen onze haarvaten van Polymicro Technologies. Kies een kleine binnendiameter (~ 25 tot 30 micrometer) voor meer uiteengelegen spectrale resonanties (een grotere vrije spectrale bereik) of een grotere binnendiameter (~ 100 pm) voor dicht bij elkaar gelegen resonantie met hogere kwaliteit factoren. Een grote buitendiameter zorgt FCM duurzaam en gemakkelijk te manipuleren.
   1. De haarvaten zijn voorzien van een gekleurde polyimide jas, die eerst verwijderd moet worden. Snijd ongeveer 10-cm stukken van capillair van de rol, met behulp van diamant vezelmes. Elk stuk is een enkel monster. Verhit worden in een buisoven bij 650 ° C gedurende een uur in zuurstof om de afgezette coating. Dit proces verwijdert de jas materiaal, waardoor de silica in capillair. Na afkoelen tot kamertemperatuur, verwijder de capillaries van de verwarming boot.
2. Waterstof silsesquioxaan oplossingen Waterstof silsesquioxaan (HSQ) zou van H ₁₂ Si ₈ O ₁₂ moleculen bestaan ​​met een kooi-achtige structuur. ¹⁴ Dit materiaal is commercieel verkrijgbaar bij Dow Corning. Koop de HSQ in een van de Fox-serie (flowable oxide) oplossingen, zoals Fox-15. Deze oplossingen zijn duur en hebben een beperkte houdbaarheid, zodat nauwkeurige planning nodig. Verdamping van het oplosmiddel MIBK wordt een HSQ concentratie van ongeveer 18% gew. Als de HSQ concentratie te laag is, kan quantum dots geen deel in de film. Als het te hoog is, kan de films te dik en delamineren van het capillair kanaal oppervlak. In onze ervaring, voor een capillair met een 25-30 micrometer binnendiameter, een Fox oplossing die ~ 25 gew.% HSQ is het beste. Aldus kan het nodig zijn om verdampen of voeg meer HSQ oplosmiddel (zorg dat het droog is) om het aanpassenconcentratie. Of een verdunning of concentratie nodig is moeilijk te bepalen zonder trial and error, dat wil zeggen zelf monsters en de resultaten bekijken, zoals hieronder besproken.

2. Fabricage van gecoate Haarvaten

1. Het vullen van de capillaire Neem de stukken van capillaire bereid in stap 1.1 en dompel ze in de vos oplossing. Als een capillair in de oplossing moet kunt u de meniscus visueel volgen het kanaal, de oplossing wordt getrokken in de capillair (figuur 2a).
   1. Als de meniscus de top bereikt, verwijder de capillaire en plaats deze in een glas gloeien smeltkroes. Het nu volledig gevuld met Fox oplossing. Herhaal dit voor zo veel monsters mogelijk te maken, om de kans op succes te vergroten. We hebben doorgaans batches van 20-30 en het gebruik van twee verschillende concentraties van HSQ oplossingen door het gewicht. We vullen de haarvaten in de lucht, maar het houden van thij FOX oplossing gekoeld in een handschoenenkast wordt aanbevolen indien mogelijk, om de blootstelling van de oplossing zuurstof en waterdamp minimaliseren. Zelfs kleine blootstelling kan leiden tot gelering van de oplossing.
2. Gloeien Onthard de haarvaten in een twee fasen. Gloeien verdampt het oplosmiddel en zakt de HSQ kooistructuur, die een SiO _x film hecht aan de kanaalwanden. Annealing bij hogere temperaturen disproportionates de SiO _x film in Si quantum dots gedispergeerd in een silica matrix. Het uitgloeien wordt aan een 30 minuten helling van kamertemperatuur tot 300 ° C, een verblijftijd gedurende 3 uur om het oplosmiddel te verdampen, vervolgens een helling tot 1100 ° C in 45 min en een verblijftijd gedurende een uur precipiteren QDs.
   1. Laat de capillairen langzaam afkoelen (~ 12 hr) terug tot kamertemperatuur. Dit verkleint stress kraken van de film afgezet op de capillairwand. Andere gloeien protocollen kunnenWaarschijnlijk worden gevolgd en kunnen meer betrouwbaar, maar een hoge temperatuur hybridiseren stadium 1,000-1,100 ° C is altijd nodig om de QDs vormen. Aan het einde van deze stap, moet men (hopelijk) 20-30 capillairen met een laag van fluorescerende QDs ingebed in een matrix silica coating de kanaalwanden.

3. Kenschetsing

1. Steekproefsgewijze controle De fluorescentie microscoop waarop de haarvaten worden gemonteerd, moeten zowel beeldvorming en spectroscopie uit te voeren in de 7-900 nm golflengte. Epifluorescentie of confocale opstellingen zijn geschikt voor dit doel. Plaats een rij van de kandidaat capillairen op het podium zodat het makkelijk tussen ze naar snelle visuele analyse (Figuur 2b). Prikkel de capillair met blauwe of UV-straling, hetzij in de vrije ruimte op de microscoop podium, of rechtstreeks via het objectief met behulp van een dichroic filter, en let op de fluorescentie beeld met behulp van de oculairsof een kleurencamera.
   1. Let op de capillaire fluorescentie. Als de fabricage succesvol was, zal de haarvaten vertonen een heldere rode fluorescentie. Dit is de eerste aanwijzing van een gunstige monster. Capillairen vertonen oranje-gele fluorescentie (in plaats van de rode kleur die bij de QDs) in het algemeen niet de gewenste optische eigenschappen. Deze monsters hebben ook de neiging om vaker te vormen in oplossingen met een lage HSQ concentratie. Sommige capillairen vertoont geen fluorescentie op alle, in dit geval de QD film niet gevormd en het capillair kan worden verwijderd (glas kruizen). Dit is een aanwijzing dat de oplossing niet zijn getekend in de capillaire, of het kan zijn deficiënt in HSQ. Tot slot kunnen sommige monsters vertonen een gebarsten of getextureerde film, deze kunnen ook worden weggegooid.
   2. Gooi alle monsters in de vorige stap uitzondering dat het heldere rode fluorescentie karakteristiek van silicium QDs tonen.
2. Controleer de aanwezigheid van WGMs in de fluorescentie spectra Controleer het beeld is geplaatst, zoals gewenst op de ingangsspleet van de spectrometer en verzamel een fluorescentiespectrum. Stel de verzameltijd om een ​​aanvaardbare signaal-ruisverhouding produceert. Voer golflengte en intensiteit kalibraties zoals vereist. De QD spectra moet intens in het golflengtegebied 700-900 nm. Spectra uit het gebied dat overeenkomt met de capillaire binnenwand moet vertonen sterke trillingen door de aanwezigheid van de cilindrische Whispering Gallery modes (WGMs), dit is de tweede naar laatste voorwaarde van een succesvolle refractometrische sensor.
   1. Sommige monsters mag een heldere rode QD fluorescentie, maar gebrek aan WGM oscillaties in het spectrum. Dit is een indicatie dat de QD film gescheurd of gedelamineerd van de capillaire wand, die de optische resonanties vernietigt. Gooi haarvaten zonder WGMs. Op dit punt alleen de (meestal small) fractie van monsters die de sensor blijven voldoen. Er is nog een uit te voeren test.
3. Refractometrische Bevestig de kandidaat haarvaten polyethyleen, tygon, teflon of andere lijnen chemisch verenigbaar met de beoogde analyt oplossingen waarvan binnendiameter moet iets groter dan de buitendiameter capillair. De keuze van buis moet worden gemaakt niet reageren met de oplossingen worden gepompt in het capillair.
   1. Gebruik een goede lijm op de glazen capillaire aan de buis bevestigen, anders wordt de capillaire buis-interface zal lekken. We hebben redelijk goed succes met behulp van Norland NOA-76 of Mascot snellijm gel. De keuze van de lijm afhankelijk van de hechting aan het glas capillair en de buis, en een gebrek aan reactie met het kanaal vloeistoffen. Wees voorzichtig de lijm niet doorsijpelen in de capillaire kanalen en blokkeren.
   2. Interface de slangvia een spuit met een micropumping systeem. Verbindingen met bekende brekingsindices zoals methanol, ethanol en water kan gebruikt worden om de gevoeligheid van de refractometrische apparaat. Dit is de laatste test van een succesvolle sensor. Pomp elke vloeistof, een voor een, in het capillair, er voor zorgend dat de kleefband barsten tussen het capillair en de buis (figuur 2c).
   3. Verzamel spectra met elke vloeistof in de capillair. Gebruik een analysator in de lichtweg onderscheid tussen TE gepolariseerd WGMs (analyzer evenwijdig aan de as capillaire) en TM-gepolariseerd WGMs (analyzer haaks op de as capillair). Er moet een verschuiving in de golflengte van de WGM resonanties, hetzij TE of TM, dat voor elk andere oplossing in het capillair. Als er geen waarneembare verschuiving, de quantum dot-film is te dik en de WGMs onvoldoende proeven het kanaal medium. In succesvolle voorbeelden zien we gevoeligheden meestal tussen de 5 en 15 nmper oplossing brekingsindex unit (RIU). Bijna alle monsters die aantonen WGMs doen tonen een meetbare gevoeligheid, maar meestal slechts een klein deel van bereide capillairen zal WGMs.

4. Data-analyse

1. Verkrijgen fluorescentiespectra Neem een spectrum van de fluorescentie van het monster. Voor biosensing toepassingen, het kanaal oppervlak moet eerst worden gefunctionaliseerd voor specifieke te analyseren. Het oppervlak van de film hoofdzakelijk QD silica, zoveel oppervlaktemodificatie voorschriften bestaan. Ongeacht de toepassing, de laatste stap is de data verwerking en analyse.
   1. Het bereiken van lage detectiegrenzen vereist het meten van kleine spectrale verschuivingen-ideaal van de "shift resolutie" moet aanzienlijk kleiner zijn dan de nominale spectrometer resolutie of toonhoogte. Wees voorzichtig in de spectrale verwerking als gevolg van deze. In het bijzonder, op vele imaging spectrometers het spectrum niet perfect horizontaal geprojecteerd op de CCD, waardoor indien tussen analyses het voorbeeld drijft verticaal op de spleet, false spectrale verschuivingen kunnen worden verkregen. Gebruik alle middelen die nodig zijn om ervoor te zorgen dat dit niet gebeurt, bijvoorbeeld gebruik maken van een kalibratie standaard om de hoek van het geprojecteerde spectrum bepalen, en voor het corrigeren, minimaliseren monster drift, en ervoor te zorgen dat dezelfde CCD pixels worden gebruikt om alle spectra te verkrijgen .
      Een voorbeeld spectraal beeld is weergegeven in figuur 3, waar de modes lijken sterk oscillaties op locaties die overeenkomen met de kanaalwanden. Gebruik een computer Mathematica code (of wat de groep voorkeur) de spectrale beelden, output de 1D spectrale gegevens en voert curve fitting en Fourier analyse van de WGM verschuivingen, zoals hieronder beschreven importeren.
2. Curve fitting Bepaal de WGM piek golflengte van kleine spectrale verschuivingen als gevolg van analyten gemeten in de FCM-kanaal. Plaats een single mode naar een functie die de spectrale vorm beschrijft - dit is een gebruikelijke manier om de top positie te verkrijgen. In het ideale geval zal dit een Lorentz-functie (met de juiste omzetting van golflengte frequentie apparaten via δλ = │-cδf / f ² │ waarbij c de snelheid van het licht):
   
   In Eq. 1, A is een schaal parameter en f ₀ is de centrale frequentie. Helaas, FCM's zijn niet het ideale geval.
   1. In cilindrische holten de WGMs zijn scheef naar hogere frequenties, waarschijnlijk door de ontwikkeling van spiraalvormige resonanties (WGMs met een nul axiale component van de golfvector). Lorentz ¹⁵ past dus slecht presteren voor het bepalen van de piekpositie. Helaas, er is geen functie ebij past een verdeling van overlappende Lorentzians van de spiraalvormige WGMs. In eerder werk ¹⁶ we gesuggereerd dat een scheve Lorentz ¹⁷ zou een betere pasvorm te geven:
      
      Hier zijn a en b parameters scheeftrekken. Zoals te zien in figuur 4, Eq. 2 geeft wel een betere fit met de data dan Eq. 1, maar helaas het heeft geen fysieke basis in de theorie van WGMs.
3. Fourier analyse shift alternatief kunnen de data worden verwerkt volgens een discrete Fourier transformatie, en de overeenkomstige faseverschuivingen gemeten vanaf de Fourier spectrum. Deze methode maakt gebruik van de periodiciteit van het gehele spectrum, in tegenstelling tot met een arbitraire WGM. Het meet niet de piek golflengte positie, maar in plaats daarvan meet een algemene verschuivingvan een bepaalde WGM spectrum met betrekking tot een willekeurige referentie spectrum.
   1. Gebruik het faseverschil Δφ de krachtige Fourier component die overeenkomt met de voornaamste WGM spectrale oscillatie verkrijgen spectrale verschuiving. Dit komt overeen met een echte WGM frequentieverschuiving van:
      Af = Δφ (f _max - _min f) / (2πk),
      waarin f _{min en} fmax zijn de minimale en maximale frequentie in de spectra. Echter veel informatie worden verwijderd wanneer alleen de hoofdcomponent gebruikt, daarnaast truncatie problemen kan het moeilijk te bepalen welke component de belangrijkste is. Vaak de beste resultaten vereist wat trial and error over welke Fourier componenten te selecteren.
   2. De verschuiving stelling gebruikt in plaats van alle Fourier componenten. Dus voor een pure verschuiving wordt elke individuele component verschoven evenredig met k (met kwaarbij de component nummer). Met andere woorden, δφ _k = mk, waarbij de evenredigheid m is een maat voor de werkelijke verandering. De totale frequentieverschuiving wordt dus gegeven door:
      Af = m (f _max - _min f) / (2π).
      Dit vereist m worden met behulp van lineaire fit aan de faseverschillen ΔΦ _k voor sommige of alle van de Fourier componenten.
   3. Voor de echte gegevens, de lineaire relatie ΔΦ _k = mk zal moeten onzekerheid ten gevolge van lawaai en achtergrond signaal, dat een significant effect kan hebben in de low-power Fourier componenten. Aldus bevelen wij een gewogen lineaire fit, waarbij het ​​gewicht van elke component is evenredig aan de kracht om de helling van de ΔΦ _k vs verkrijgen k grafiek. Het spectrum kan worden gefilterd rondom het element voor de montage zowel hoge frequenties (n verwijderenoise) en lage frequenties (losgekoppeld fluorescentie achtergrond). De frequentie verschuift van Eq. 4 worden omgezet in golflengte eenheden.
   4. Anders dan voor curve fitting wordt een WGM "golflengte" nooit verkregen, maar een golflengteverschuiving wordt gemeten over de gehele spectrum met betrekking tot een willekeurige referentie spectrum. De procedure wordt dan herhaald voor elke spectrum te analyseren. De stappen van deze procedure zijn de volgende:
      1. Converteer de spectra in de frequentie-eenheden naar een constante vrije spectrale bereik te garanderen.
      2. Kies de referentie-dataset (dwz de eerste WGM fluorescentie spectrum) van waaruit alle verschuivingen zullen worden gemeten.
      3. Interpoleren de spectra uniforme frequentie-afstand te verkrijgen ^18.
      4. Voer een discrete Fourier transformatie om de kracht en fasecomponenten van elk spectrum verkregen.
      5. Zoek de faseverschillen voor alle k componenten van een gegeven WGMspectrum waarvan de omschakelwaarde gewenst, ten opzichte van de referentie spectrum.
      6. Vind de faseverschuiving met het faseverschil van de hoofdzone Fourier component alleen, of een gewogen lineaire fit aan de geselecteerde componenten. Dit geeft de faseverschuiving Af en δλ tussen de WGM spectrum en de referentie-spectrum.
      7. De fouten in de spectrale verschuivingen (de detectielimiet) kan worden gemeten door het verzamelen van herhaalde spectra voor dezelfde analyt. Onzekerheid in de gevoeligheid worden verkregen van de fout in de gewogen lineaire fits als meerdere componenten gebruikt.

Herhaal de stappen 1-7 voor elke analyse. Hoewel deze procedure klinkt ingewikkeld, na de initiële implementatie van de procedure is eenvoudig te automatiseren, zodat grote datasets voor serieproductie kunnen worden verwerkt om de verschuivingen te vinden. We gebruiken een Mathematica-code speciaal geschreven for deze procedure, zodat de volledige datasets voor serieproductie kunnen worden verwerkt "met een druk op de knop". In principe kan de spectrale verschuivingen zelfs berekend "live", maar we hebben dit nog niet gedaan.

Representative Results

Kleine afwijkingen in de capillaire fabricageprocedure kan leiden tot significante veranderingen in het monster slagingspercentage. In Figuur 5 (ad) tonen wij representatieve voorbeelden van niet capillairen en succesvol. Algemeen de visuele indicatie van een succesvol monster een rode fluorescentie gecombineerd met een hoge intensiteit in de capillaire wanden en een kenmerkloze interieur. De fluorescentie spectrum geeft ook duidelijk aan het verschil tussen succes en falen (figuur 5e). Een goede steekproef moet blijken goed gedefinieerd (zichtbaarheid ≈ 0,5) WGM oscillaties in het spectrum.

De installatie kan worden geprogrammeerd om continu-spectra als analyten worden gepompt in het capillaire kanaal (afbeelding 6a). Met de hierboven beschreven techniek, kan de gegevensanalyse worden uitgevoerd als batchtaak op alle WGM spectra die moeten verschuiven verschillende analyten worden geïnjecteerd in het capillair.Hier tonen we de resultaten voor een continue tijdreeks (een sensorgram) als water, methanol, ethanol en tenslotte achtereenvolgens gepompt in het kanaal. Alleen de Fourier component gekozen in dit geval (figuur 6b), aangezien de resultaten bevredigend zelfs deze eenvoudige analyse. De foutbalken vertegenwoordigen een standaardafwijking van de piekpositie van de eerste 100 metingen (met water in het kanaal).

Sensorgram werking van deze inrichting (dat wil zeggen continue tijdreeksen in tegenstelling tot enkele statische metingen) vermijdt ontbrekende potentieel interessante eigenschappen van een analyse. Zo zien we een "bump" in de WGM verschuiving gegevens tussen water en methanol, wat aangeeft analyt met een hogere brekingsindex dan ofwel zuivere component. In feite zijn water-methanol mengsel bekend als een hogere brekingsindex dan ofwel zuivere fase, ¹⁹ suggereert de aanwezigheid van een kleine mi hebbenxing gebied tussen de twee oplossingen. Voor biosensing metingen, verwachten we dat sensorgram metingen zal cruciaal zijn voor het bepalen van de aard en de specificiteit van de analyt binden. In figuur 6c, zien we ook dat de onzekerheid in de piek positie is ~ 10 uur, die aanzienlijk kleiner is dan de 110 uur toonhoogte van de spectrometer. Deze verbetering is mogelijk omdat de data analysemethode, die hier kan detecteren verschuivingen een orde van grootte kleiner dan de spectrometer plaats.

Ten slotte kan de gemiddelde gevoeligheid van het capillair worden uit het netto verschuiving voor de drie oplossingen de overeenkomstige analyt brekingsindex range. Dit zal voornamelijk afhangen van de laagdikte en de brekingsindex. Deze laatste is bekend dat ~ 1,67, van ellipsometrische metingen op gelijke films bereid met vergelijkbare werkwijzen. ²⁰ Een 30-um binnendiameter kan het theoretische maximale gevoeligheid berekendmet de perturbatietheorie benadering in Ref. ²¹ met de cilindrische oplossingen in plaats van de sferische degenen. Met deze methode voor kanaal index van 1,33, de maximale gevoeligheid van de (n, l) = (1, 190) mode omgeving λ = 780 nm bedraagt ​​25,7 nm / RIU voor een filmdikte van 265 nm. De experimentele gemiddelde gevoeligheid is 16,0 nm / RIU in dit golflengtegebied, wat aangeeft dat de laagdikte niet optimaal is.

Figuur 1. Elektrisch veld amplitude voor de Whispering Gallery vormen van een microsfeer (a) een LCORR (b), en een FCM (c). In de laatste twee gevallen de analyt in het kanaal, een microsfeer, de analyt buiten en heeft daarom een ​​andere kamer. De radiale stand bestelling is 1, terwijl de hoekige order is 53, 52, eennd 65, respectievelijk.

Figuur 2. (A) een capillair wordt ondergedompeld in een oplossing van Fox-15. Hoewel het niet mogelijk om de meniscus te zien in de foto kan de experimentator waarnemen stijgt het kanaal. (B) een reeks definitieve capillairen op de microscoop podium voor vooronderzoek. Een 445-nm laser valt in het midden van de linker capillair, de rode glans is het Si-QD fluorescentie. Dit lijkt bijzonder intens aan het einde van het capillair, door golfgeleidende in de glazen capillaire wanden. (C) Een succesvolle capillair die in de microfluïdische analyse setup. Vloeistof in de capillair van de micropomp (niet getoond) van rechts naar links door het kanaal, en voert een buis voor verwijdering.

Figuur 3. Een typische WGM spectrum. De bovenste fluorescentiebeeld toont de positie van de ingangsspleet spectrometer, tezamen met de bijbehorende spectrale 2D beeld. De uiteindelijke gewonnen 1D spectrum is uit de doos regio.

Figuur 4 Een single mode uit een capillaire WGM spectrum en passen bij een pure Lorentz (Vgl. 1; rode lijn). En een scheve Lorentz (Vgl. 2; blauwe lijn). Terwijl de laatste uiteraard zorgt voor een betere pasvorm, piek montage is over het algemeen niet de beste optie voor het identificeren van zeer kleine spectrale verschuivingen, zoals vereist om lage detectielimieten te bereiken.

Figuur 5. > (Ad) tonen een reeks fluorescentiebeelden mislukte en een succesvolle FCM (a):. Geen luminescentie; dit capillaire niet goed te vullen of de oplossing volledig verdampt (b) geel-oranje fluorescentie in het capillair kanaal.. Hier het fluorescentiegebied niet op de wanden van het capillaire maar in het midden. In sommige monsters, de film lijkt verschrompelen in het midden van het kanaal. (C) toont sterke rode fluorescentie maar mist WGMs in het spectrum. Sommige onregelmatigheden waarneembaar in de foliestructuur. (D) een succesvol capillair met goede WGMs. Een handtekening van succesvolle films is kanaal uniformiteit en een gebrek aan onregelmatige functies. De overeenkomstige fluorescentie spectra weergegeven in (e).

256/50256fig6highres.jpg "/>
Figuur 6. (A) een set van spectra genomen methanol, vervolgens water, vervolgens ethanol werden gepompt in het capillair. De spectra werden achtereenvolgens uit rood tot blauw. (B) toont de Fourier vermogensspectrum van elk fluorescentiespectrum. De 40 ^ste onderdeel staat voor de belangrijkste waarneembare WGM oscillatie. De overeenkomstige faseverschillen werden voor deze component, en worden weergegeven in (c), na omzetting in golflengte verschuift via Eq. 4. De foutbalken vertegenwoordigen een standaard afwijking van de piek verschuiving 60 metingen. De inzet toont het gemiddelde gevoeligheid dan de brekingsindex varieert van methanol tot ethanol. Theoretisch is de golflengte verschuift toe bij een toenemende brekingsindex en zijn dan ook niet strikt lineair, in overeenstemming met de waargenomen verschuiving gegevens.

Discussion

Fluorescent-core microcavities kan worden gebruikt als refractometrische sensoren. Hoewel er voorbeelden van geïsoleerde "opgerold" microbuizen die kunnen fungeren als sensoren microfluïdische, ²² vergeleken met microbuisjes zal capillairen gemakkelijker te integreren in microfluïdische configuraties en aanzienlijke praktische voordelen, omdat zij gemakkelijk gehanteerd en gemakkelijk interface met een analyse setup. Fourier analyse met conventionele werkwijzen kunnen golflengte verschuivingen die ten minste een orde van grootte kleiner dan de spoed van het stelsel spectroscopie gedetecteerd. Deze methode maakt het ook mogelijk de integratie in sensorgram-type meetsystemen.

Deze FCM's hoofdzakelijk zouden concurreren met vloeistof-core optische ring resonatoren (LCORRs). ^23,24,25 LCORRS zijn glazen capillairen die zijn verdund door het verhitten en te trekken, pompen HF in het kanaal aan de binnenzijde capillair oppervlak, of verwarming en de inflatie te ontbinden met gas onder druk^26. Deze behandelingen resulteren in een capillair met micrometer dunne wanden, zoals vereist WGMs met een transversaal afvallende staart zich in de capillaire kanaal te ondersteunen. LCORR biosensoren zijn aangetoond voor de detectie van een verscheidenheid van verschillende doelwitanalyten. ^27,28,29,30

FCM's hebben een aantal duidelijke voordelen en beperkingen in vergelijking met LCORRs. Beide inrichtingen vertrouwen op de stroom van een analyt via een capillair kanaal. Beide zijn gebaseerd op silica chemie en kunnen worden gefunctionaliseerd met soortgelijke methoden. Echter, de resolutie en detectielimiet van de LCORR zal beter, uitgaande equivalente data analysemethoden toegepast. Dit komt omdat LCORRs gebaseerd op precisie afstembare laser metingen met een zeer hoge bemonsteringsfrequentie hebben, terwijl FCM een conventionele spectrometer. Dit vermindert de detectiegrenzen (en mogelijk de gevoeligheid ³¹⁾ van de FCM. We hebben tot nu toe hebben bereikt, op zijn best, een detectielimiet of rond 10 ^-5 RIU in varianten van deze techniek, terwijl een waarde van 10 ^-6 RIU is standaard in LCORRs. Een extra probleem betreft het gebruik van een spectrometer in de totale systeemkosten. De fluorescentie van Si-QD's kunnen eenvoudig worden gemeten met kleine footprint, niet-gekoelde draagbare spectrometer apparaten zoals de Ocean Optics USB2000-serie (momenteel last van ~ $ 2.000). Echter het gebruik van een dergelijke inrichting met FCM moeten onderzoeken en testen van de experimentele opstelling, omdat het niet eenvoudig om WGM spectra verkrijgen van een klein gebied van het capillaire zonder een microscoopobjectief en een imaging spectrometer.

LCORRs vereisen het gebruik van een apparaat dat is duur en moeilijk te bedienen "in het veld", zoals een afstembare laser en nauwkeurige nanopositioning apparatuur. Bovendien is de dunwandige capillaire zowel kwetsbaar en moeilijk te hanteren. FCM daarentegen hebben een blauwe lichtbron zoals een simple diode laser of LED, en optiek om de fluorescentie beeld te projecteren op de ingangsspleet van een spectrometer. De FCM is ook veel robuuster dan de dunwandige LCORR. De methode kan ook worden uitgebreid tot andere types van fluorescerende lagen kunnen hebben hogere efficiëntie en verschillende piekgolflengten ten opzichte van Si-QDs. Zo zou de keuze van een gewenste sensor (LCORR vs FCM) waarschijnlijk afhankelijk van de beoogde toepassing. Als lage concentraties analyt aanwezig zou de lage detectiegrenzen van de LCORR voordelig zijn. Als gebruiksgemak, duurzaamheid en experimentele kosten is de belangrijkste zorg, dan FCM kan een betere optie als de spectrometer kan worden geïntegreerd zonder gebruik van een fluorescentie microscoop. Hoewel met duidelijk verschillende voordelen en beperkingen, beide apparaten veelbelovend voor microfluïdische analyse van een breed scala van mogelijke analyten.

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.