Sintesi e funzionamento del fluorescente-core microcavità per il Rilevamento rifrattometrico

Summary

Fluorescente-core sensori microcavità impiegano un alto indice di quantum dot-rivestimento nel canale di silice microcapillari. Variazioni dell'indice di rifrazione di fluidi pompati nel canale capillare causa sposta nello spettro di fluorescenza microcavità che può essere utilizzato per analizzare il mezzo canale.

Abstract

Questo articolo discute fluorescenti principali microcavità basate su sensori in grado di operare in una configurazione di analisi microfluidica. Queste strutture si basano sulla formazione di una fluorescente quantum-dot (QD) rivestimento sulla superficie di un canale microcapillare convenzionale. QD di silicio sono particolarmente attraenti per questa applicazione, in parte a causa della loro tossicità trascurabile rispetto al II-VI e II-VI QD composti, che sono legislativamente sostanze controllate in molti paesi. Mentre lo spettro di emissione insieme è ampia e piatta, un Si-QD pellicola sulla parete di un canale capillare caratteristiche una serie di taglienti, picchi stretti nello spettro di fluorescenza, corrispondenti alle risonanze elettromagnetiche di luce intrappolata all'interno del film. La lunghezza d'onda di picco di queste risonanze è sensibile al mezzo esterno, permettendo così al dispositivo di funzionare come un sensore rifrattometrico in cui i QDs mai entrare in contatto fisico con l'analita. Il sperimentalemetodi associati con la fabbricazione del fluorescente-core microcapillari sono discussi in dettaglio, così come i metodi di analisi. Infine, viene effettuato un confronto tra queste strutture e le più ampiamente studiati liquido-core risonatori ottici ad anello, in termini di capacità di rilevamento microfluidica.

Introduction

Sistemi sensori chimici che richiedono solo piccoli volumi di campione e che possono essere incorporati in dispositivi portatili o sul campo operabile potrebbe portare allo sviluppo di una vasta gamma di nuove tecnologie. Tali tecnologie potrebbero includere diagnosi dei campi per le malattie e agenti patogeni, ^{1, 2} contaminanti ambientali e della sicurezza alimentare. ³ tecnologie diverse sono attivamente esplorato per sensori chimici microfluidica, con i dispositivi basati sulla fisica della risonanza plasmonica di superficie (SPR), tra i più avanzati. ⁴ Questi sensori sono ora in grado di rilevare molte biomolecole specifiche e hanno raggiunto il successo commerciale, anche se principalmente su larga scala apparecchiature di laboratorio ^5.

In anni recenti, microcavità ottiche sono aumentati di competere con sistemi basati su SPR. Microcavità può essere incredibilmente sensibile, con dimostrata capacità di rilevare virus singole ⁶ e forse anche di singole biomolecole 8 ma non vi è dubbio che i limiti di massa di rilevazione sono piccole ^9). In microcavità, il meccanismo di rilevamento si basa su variazioni delle risonanze ottici causati dalla presenza di un analita nel profilo del campo elettrico della risonanza. Tipicamente, un determinato analita causerà la risonanza di cambiare in in frequenza centrale, la visibilità, o linewidth. Come per i sistemi SPR, microcavità può agire come sensori rifrattometrici non specifici, o come biosensori funzionalizzati per un'analisi specifica.

Microstrutture dielettrici con una sezione circolare (ad esempio microsfere, dischi, o cilindri) sono caratterizzati da risonanze elettromagnetiche conosciute come le modalità galleria acustica, o WGMS, termine che risale alle indagini Lord Rayleigh di effetti acustici analoghi ^10. Sostanza, un WGM ottico si verifica quando un'onda circumnaviga trasversale circolare sezione di riflessione interna totale, e ritorna al suo punto di partenza in fase. Un esempio di risonanza elettromagnetica dei microsfere di silice è illustrato in Figura 1a. Questa risonanza è caratterizzato da uno massimo nella direzione radiale (n = 1), mentre un totale di 53 lunghezze d'onda adatta intorno all'equatore (L = 53), solo alcune delle quali sono mostrate. La parte evanescente dell'intensità del campo si estende nel mezzo fuori del contorno sfera, quindi la WGM microsfere può percepire il mezzo esterno.

Capillari sono un esempio particolarmente interessante di WGM basata sensore. In un capillare, WGMS cilindrici possono formare intorno alla sezione trasversale circolare, simile al caso di una sfera. Se la parete capillare è molto sottile, una parte del campo elettromagnetico si estende nel canale capillare (Figura 1b). Così, un capillare può essere un sensore microfluidica per analiti iniettati nel canale. Questo è il basis di funzionamento dell'anello cuore liquido risonatore ottico (LCORR) ^11. LCORRs invocare l'accoppiamento evanescente di luce da una sorgente laser sintonizzabile precisione per sondare i WGMS. Un aspetto importante del LCORR è che le pareti dei capillari deve essere sottile (~ 1 micron) per assicurare che i campioni modalità mezzo canale. Questo pone qualche difficoltà sulla loro fabbricazione e li fa essere meccanicamente fragile.

Nel nostro lavoro, abbiamo sviluppato una struttura alternativa che noi chiamiamo una microcavità fluorescente nucleo (FCM). ^12,13 Per formare un FCM, abbiamo rivestire le pareti del canale di un capillare con un alto indice di rifrazione fluoroforo (in particolare, uno strato di ossido di silicio integrati punti quantici). L'alto indice del film è necessario per limitare la radiazione emessa, così costruendo le WGMS (figura 1c). In contrasto con la LCORR, in un FCM le modalità appaiono come acuto massimi in uno spettro di fluorescenza emessa. Lo spessore delfilm è di fondamentale importanza, se è troppo spesso la WGM non provare il mezzo nel canale capillare, e se è troppo sottile il confinamento ottico viene persa e le WGMS si indeboliscono. Pertanto, la realizzazione di un FCM è un processo difficile, che richiede un'attenta preparazione. Questo è il tema principale della carta corrente.

Protocol

1. Preparazione dei materiali

1. Microcapillari Ottenere silice capillari da un fornitore commerciale. Abbiamo acquistato il nostro capillari Technologies Polymicro. Scegli un piccolo diametro interno (~ 25-30 micron) per più ampiamente separati risonanze spettrali (cioè più grande campo libero spettrale) o un diametro interno più grande (circa 100 micron) per risonanze più da vicino spaziato con fattori di qualità superiore. Un grande diametro esterno garantisce i FCM sono durevoli e facilmente manipolabili.
   1. I capillari sono dotati di una colorata poliimmide giacca, che deve prima essere rimosso. Tagliare pezzi di circa 10 cm di capillare dal rotolo, utilizzando fibra di diamante mannaia. Ogni pezzo costituisce un singolo campione. Riscaldare questi in un forno tubolare a 650 ° C per un'ora in ossigeno per bruciare il rivestimento. Questo processo rimuove il materiale del rivestimento, esponendo la silice capillare all'interno. Dopo raffreddamento a temperatura ambiente, rimuovere la capillaries dalla barca riscaldamento.
2. Idrogeno silsesquioxane soluzioni idrogeno silsesquiossano (HSQ) è riportato consistono H ₁₂ Si ₈ O ₁₂ molecole con una struttura a gabbia. ¹⁴ Questo materiale è disponibile in commercio dalla Dow Corning. Acquista il HSQ in una delle sue serie di Fox-(ossido di fluido) soluzioni, come Fox-15. Queste soluzioni sono costosi e hanno una durata limitata, quindi un'attenta pianificazione è necessaria. Evaporazione del solvente fornisce un MIBK HSQ concentrazione di circa il 18% in peso. Se la concentrazione HSQ è troppo bassa, punti quantici non possono formare nel film. Se è troppo alta, le pellicole possono essere troppo spessa e delaminate dalla superficie canale capillare. Nella nostra esperienza, per un capillare con un diametro interno 25-30 micron, una soluzione contenente volpe ~ 25 wt.% HSQ è il migliore. Così, può essere necessario evaporare o aggiungere più HSQ solvente (facendo attenzione che è secco) per regolare laconcentrazione. Se una diluizione o concentrazione necessaria è difficile da determinare senza tentativi ed errori, cioè fare alcuni esempi ed esaminare i risultati, come discusso di seguito.

2. Fabbricazione di Coated Capillari

1. Riempire il capillare Prendere i pezzi di capillare preparati nella fase 1.1 e immergerli nella soluzione volpe. Quando un capillare viene immerso nella soluzione, si dovrebbe essere in grado di seguire visivamente il menisco il canale, la soluzione viene aspirata nel capillare (Figura 2a).
   1. Quando il menisco raggiunge la parte superiore, rimuovere il capillare e metterla in un crogiolo di vetro di ricottura. Ora dovrebbe essere completamente riempito con la soluzione di Fox. Ripetere questa operazione per il numero di campioni possibile, per aumentare le possibilità di successo. Noi di solito eseguire lotti di 20-30 e utilizzare due diverse concentrazioni di soluzioni HSQ in peso. Riempiamo i capillari in aria, ma t mantenendoFox ha soluzione raffreddata in un cassetto portaoggetti è consigliato se possibile, al fine di minimizzare l'esposizione della soluzione di ossigeno e vapor d'acqua. Anche piccole esposizioni possono provocare gelificazione della soluzione.
2. Ricottura ricuocere i capillari in un processo a due stadi. Ricottura evapora il solvente e collassare la struttura HSQ gabbia, formando una pellicola SiO _x aderente alle pareti del canale. Ricottura a temperature più elevate disproportionates la pellicola in silicio SiO _x punti quantici disperso in una matrice di silice. Le annealing comprendono 30 minuti di rampa da temperatura ambiente a 300 ° C, una sosta per 3 ore per evaporare il solvente, poi una rampa a 1100 ° C in 45 min, e una sosta per un'ora per far precipitare i QDs.
   1. Lasciate che i capillari raffreddare lentamente (~ 12 ore) torna a temperatura ambiente. Questo aiuta a ridurre al minimo stress fessurazione della pellicola depositata sulla parete capillare. Altri protocolli di ricottura potrebbeprobabilmente essere seguito e può essere più affidabile, ma ad alta temperatura ricottura stadio a 1.000-1.100 ° C è sempre necessario formare i QDs. Al termine di questa fase, si dovrebbe (si spera) hanno 20-30 capillari con uno strato di QDs fluorescenti incorporato in una matrice di silice rivestimento pareti del canale.

3. Caratterizzazione

1. Il campione di controllo microscopio a fluorescenza su cui sono montati i capillari deve eseguire sia imaging e spettroscopia nell'intervallo di lunghezze d'onda 700-900 nm. Configurazioni epifluorescenza o confocale sono adatti a questo scopo. Inserire una riga del candidato capillari sulla scena in modo che sia facile da spostare tra loro per una rapida analisi visiva (Figura 2b). Eccitare il capillare con radiazioni blu o UV sia in spazio libero sul palco microscopio, o direttamente attraverso la lente dell'obiettivo utilizzando un filtro dicroico, e osservare l'immagine di fluorescenza utilizzando gli oculario una telecamera a colori.
   1. Osservare la fluorescenza capillare. Se la fabbricazione avuto successo, i capillari esibirà una fluorescenza rossa. Questa è la prima indicazione di un campione favorevole. Capillari esibendo arancione-giallo fluorescenza (invece del colore rosso associato con i QD) in generale, non hanno le caratteristiche ottiche desiderate. Questi campioni tendono a formare più spesso in soluzioni a bassa concentrazione HSQ. Alcuni capillari può mostrare alcuna fluorescenza affatto, in questo caso il film QD non si forma e il capillare può essere scartato (vetro taglienti). Questa è un'indicazione che la soluzione non può essere aspirata nel capillare, o può essere carente in HSQ. Infine, alcuni campioni possono mostrare un film o testurizzati cracking; questi possono anche essere scartato.
   2. Scartare tutti i campioni indicati al punto precedente, tranne quelli che mostrano la brillante caratteristica fluorescenza rossa di QDs silicio.
2. Verificare la presenza di WGMS negli spettri di fluorescenza Assicurarsi dell'immagine è allineato come desiderato sulla fenditura d'ingresso dello spettrometro e raccogliere uno spettro di fluorescenza. Regolare il tempo di raccolta in modo da produrre un accettabile rapporto segnale-rumore. Eseguire la calibrazione di lunghezza d'onda e l'intensità, come richiesto. Gli spettri QD dovrebbe essere intensa nel range di lunghezze d'onda 700-900 nm. Spectra prelevato dalla regione corrispondente alla parete capillare interna dovrebbe mostrare forti oscillazioni dovute alla presenza dei modi cilindrici galleria acustica (WGMS), questo è il secondo-a-ultima requisito di un sensore rifrattometrico successo.
   1. Alcuni campioni possono avere un brillante fluorescenza rossa una volta al giorno, ma oscillazioni WGM mancanza nello spettro. Questa è un'indicazione del film QD rotto o delaminato dalla parete capillare, che distrugge le risonanze ottiche. Eliminare capillari senza WGMS. A questo punto, solo l'(tipicamente small) frazione di campioni che soddisfano i requisiti del sensore rimangono. Vi è un test finale da eseguire.
3. Analisi rifrattometrico Attaccare il candidato capillari di polietilene, Tygon, teflon o altri tubi chimicamente compatibili con le soluzioni destinate analiti cui diametro interno deve essere leggermente maggiore del diametro esterno capillare. La scelta del tubo deve essere fatta in modo da non reagire con le soluzioni da pompare nel capillare.
   1. Utilizzare un buon adesivo per fissare il capillare di vetro per il tubo, altrimenti il ​​tubo capillare-interfaccia perdite. Abbiamo successo abbastanza buono con Norland NOA-76 o gel adesivo Mascot immediata. La scelta del collante dipende dalla sua adesione al vetro e il tubo capillare, e la mancanza di reazione con i fluidi di canale. Fare attenzione per evitare che il collante di penetrare nel canale capillare e bloccarlo.
   2. Interfaccia il tubotramite una siringa ad un sistema micropumping. Composti con noti indici di rifrazione, come metanolo, etanolo, acqua e può essere usato per determinare la sensibilità rifrattometrico del dispositivo. Questo è il test finale di un sensore di successo. Pompare ciascun fluido, una alla volta, nel capillare, facendo attenzione a non far scoppiare la guarnizione adesiva tra il capillare e il tubo (figura 2c).
   3. Raccogliere spettri con ciascun liquido all'interno del capillare. Utilizzare un analizzatore nel percorso della luce per distinguere tra TE-polarizzati WGMS (parallela all'asse analizzatore per capillarità) e TM-polarizzati WGMS (perpendicolare analizzatore capillare asse). Ci dovrebbe essere uno spostamento della lunghezza d'onda delle risonanze WGM, sia TE o TM, con ogni diversa soluzione nel capillare. Se non vi è alcun cambiamento osservabile, il quantum dot-film è troppo spessa e le WGMS non sufficientemente campionare il mezzo canale. In campioni successo osserviamo sensibilità tipicamente tra 5 e 15 nmsoluzione per indice di rifrazione unità (RIU). Quasi tutti i campioni che fanno WGMS mostrano dare prova di una sensibilità misurabile, ma in genere solo una piccola frazione del preparato capillari mostrerà WGMS.

4. Analisi dei dati

1. Come ottenere gli spettri di fluorescenza Prendete uno spettro della fluorescenza del campione. Per applicazioni biosensori, la superficie del canale deve prima essere funzionalizzata per analiti specifici. La superficie della pellicola è essenzialmente QD silice, tante ricette modificazione superficiale esistono. Indipendentemente dall'applicazione, il passo finale è l'elaborazione e analisi dei dati.
   1. Il raggiungimento di limiti di rilevabilità bassi richiede la misurazione di piccole variazioni spettrali-idealmente la "risoluzione shift" dovrebbe essere significativamente più piccola della risoluzione dello spettrometro nominale o pece. La cura deve essere esercitata nel trattamento spettrale a causa di questo. In particolare, il numero di immagini spettrometros lo spettro non può essere proiettata perfettamente orizzontale sul CCD; quindi se, tra analisi, l'immagine campione scivola verticalmente sulla fenditura, falsi spostamenti spettrali possono essere ottenuti. Utilizzare qualunque mezzo necessario per garantire che ciò non avvenga, ad esempio, utilizzare una calibrazione standard per determinare l'angolo dello spettro proiettata e correggere per esso, minimizzare la deriva del campione, e in modo che gli stessi pixel CCD sono utilizzati per ottenere tutti gli spettri .
      Un'immagine spettrale esempio è mostrato in figura 3, dove la modalità appaiono come forti oscillazioni in posizioni corrispondenti alle pareti del canale. Utilizzare un codice di Mathematica computer (o che cosa il vostro gruppo preferisce) per importare le immagini spettrali, in uscita i dati spettrali, 1D ed eseguire curve fitting e analisi di Fourier dei turni WGM, come descritto di seguito.
2. Raccordo curva di taratura determinare la lunghezza d'onda WGM picco per misurare spostamenti spettrali piccoli a causa analiti in il canale FCM. Montare un unico modo a una funzione che descrive la forma spettrale - questo è un modo comune per ottenere la posizione di picco. Nel caso ideale, questa sarà una funzione Lorentz (con la corretta conversione da lunghezza d'onda per unità di frequenza tramite δλ = │-cδf / f ² │ dove c è la velocità della luce):
   
   In Eq. 1, A è un parametro di scala ed f ₀ è la frequenza centrale. Purtroppo, FCM non sono un caso ideale.
   1. In cavità cilindriche le WGMS sono inclinate verso frequenze più elevate, dovute probabilmente allo sviluppo di risonanze spirale (WGMS con un non-zero componente assiale del vettore d'onda). ¹⁵ Lorentzian adatta quindi eseguire male per la determinazione della posizione di picco. Purtroppo, non c'è esima funzionesi adatta ad una distribuzione di Lorentzians sovrapposte dalle WGMS spirale. Nel lavoro precedente ¹⁶ abbiamo suggerito che una distorta Lorentziana ¹⁷ darebbe una migliore vestibilità:
      
      Qui, A e B sono parametri inclinazione. Come visibile in figura 4, Eq. 2 dà una misura migliore per i dati che l'eq. 1, ma purtroppo non ha alcuna base fisica nella teoria della WGMS.
3. Analisi di Fourier spostamento alternativa, i dati possono essere elaborati usando un trasformata discreta di Fourier, e quella corrispondente spostamenti misurata dallo spettro di Fourier. Questo metodo sfrutta la periodicità di tutto lo spettro, anziché utilizzare un unico WGM arbitraria. Non misura la posizione picco di lunghezza d'onda, ma piuttosto un cambiamento misura complessivadi uno spettro WGM determinata rispetto ad uno spettro di riferimento arbitrario.
   1. Utilizzare la differenza di fase Δφ per l'alta potenza componente di Fourier che corrisponde alla oscillazione WGM principale spettrale per ottenere lo spostamento spettrale. Questo corrisponde ad uno spostamento reale frequenza WGM di:
      Af = Δφ (f _max - _min f) / (2πk),
      dove f f _min e _max sono la minima e massima frequenza negli spettri. Tuttavia, molte informazioni possono essere scartata se solo il componente principale è utilizzata, in più, problemi di troncamento può rendere difficile determinare quale componente è la principale. Spesso, i migliori risultati richiedono alcuni tentativi ed errori quali componenti di Fourier per selezionare.
   2. Il teorema spostamento invece utilizza tutti i componenti di Fourier. Di conseguenza, per uno spostamento puro, ciascun componente viene spostato proporzionale k (con kè il numero dei componenti). In altre parole, δφ _k = mk, dove il m proporzionalità è una misura dello spostamento reale. Lo spostamento di frequenza totale è quindi dato da:
      Af = m (f _max - _min f) / (2π).
      Ciò richiede m da richiedere un adattamento lineare alle differenze di fase ΔΦ _k per alcuni o tutti i componenti di Fourier.
   3. Per i dati reali, la relazione lineare ΔΦ _k = mk dovrà incertezza dovuta al segnale di rumore e lo sfondo, che può avere un effetto significativo nelle componenti a basso consumo di Fourier. Pertanto, si consiglia una pesata lineare, in cui il peso di ciascun componente è proporzionale alla sua potenza, al fine di ottenere l'inclinazione della ΔΦ _k vs k grafico. Lo spettro può essere filtrato intorno al componente principale prima del montaggio, rimuovere entrambe le alte frequenze (nfrequenze oise) e bassa (disaccoppiato fluorescenza di fondo). La frequenza sposta dalla Eq. 4 sono poi convertite in unità di lunghezza d'onda.
   4. A differenza del caso di montaggio di curva, una WGM "lunghezza d'onda" non è ottenuto, ma invece uno spostamento di lunghezza d'onda è misurata sull'intero spettro rispetto ad uno spettro di riferimento arbitrario. La procedura viene ripetuta per ogni spettro da analizzare. I passaggi di questa procedura sono i seguenti:
      1. Convertire gli spettri in unità di frequenza per garantire un costante intervallo libero spettrale.
      2. Scegliere il set di dati di riferimento (vale a dire il primo WGM spettro di fluorescenza) da cui tutti i turni saranno misurati.
      3. Interpolare la spettri di ottenere una spaziatura uniforme frequenza ^18.
      4. Eseguire una trasformata discreta di Fourier per ottenere i componenti di potenza e la fase di ogni spettro.
      5. Trova le differenze di fase per tutti i componenti di un WGM k determinatospettro per i quali il valore di spostamento è desiderato, rispetto allo spettro di riferimento.
      6. Trovare lo sfasamento utilizzando la differenza di fase di una componente di Fourier principale solo, o una misura lineare ponderata ai componenti selezionati. Questo darà l'Af sfasamento o δλ tra lo spettro WGM e lo spettro di riferimento.
      7. Gli errori nei spostamenti spettrali (il limite di rilevamento) può essere misurata raccogliendo spettri ripetuta per l'analita stesso. Un'incertezza nella sensibilità può essere ottenuto dalla errore nei fits lineare ponderata, se vengono utilizzati più componenti.

Ripetere i passaggi 1-7 per ogni analisi. Anche se questa procedura sembra complicata, dopo l'iniziale attuazione la procedura è semplice per automatizzare, in modo che grandi quantità di dati può essere partita trasformata per trovare i turni. Usiamo un codice di Mathematica scritto appositamente for questa procedura, in modo che completi set di dati può essere partita trasformata "con la semplice pressione di un pulsante". In linea di principio, gli spostamenti spettrali possono anche calcolato "dal vivo", anche se non abbiamo ancora fatto.

Representative Results

Piccole deviazioni nella procedura di fabbricazione capillare può portare a cambiamenti significativi nel tasso di successo del campione. Nella Figura 5 (ad), mostriamo esempi rappresentativi di fallito capillari così come un successo. Generalmente, l'indicazione visiva di un campione di successo è una fluorescenza rossa combinata con una elevata intensità le pareti dei capillari e un interno featureless. Lo spettro di fluorescenza indica anche chiaramente la differenza tra successo e fallimento (Figura 5e). Un buon esempio dovrebbe mostrare ben definite (visibilità ≈ 0.5) oscillazioni WGM nello spettro.

La configurazione può essere programmato per prendere spettri continuamente come analiti vengono pompati nel canale capillare (Figura 6a). Usando la tecnica descritta in precedenza, l'analisi dei dati può essere eseguito come un processo batch su tutti gli spettri WGM, che dovrebbe spostare come analiti differenti sono iniettati nel capillare.Qui, vengono riportati i risultati di una serie temporale continuo (cioè un sensorgram) come acqua, metanolo, etanolo e infine vengono pompati sequenzialmente nel canale. Solo il componente principale di Fourier è stato scelto in questo caso (figura 6b), in quanto i risultati sono stati considerati soddisfacenti anche per questa semplice analisi. Le barre di errore rappresentano una deviazione standard della posizione di picco per i primi 100 misurazioni (con acqua nel canale).

Sensorgram funzionamento di questi dispositivi (serie cioè il tempo continua a differenza di singole misure statiche) evita manca caratteristiche potenzialmente interessanti di un'analisi. Per esempio, si vede un "bump" nei dati WGM spostamento tra acqua e metanolo, indicando analita con un indice di rifrazione superiore o componente puro. Infatti, miscele acqua-metanolo sono noti per avere un indice di rifrazione superiore sia pura fase, ¹⁹ suggerendo la presenza di una piccola mixing regione tra le due soluzioni. Per biosensori misurazioni, possiamo anticipare che le misurazioni sensorgram sarà fondamentale per determinare la natura e la specificità del legame analita. In Figura 6c, vediamo anche che l'incertezza nella posizione di picco è ~ 10 pm, che è notevolmente inferiore al passo 110 pm dello spettrometro. Questo miglioramento è realizzabile a causa del metodo di analisi dei dati, che qui può rilevare spostamenti di un ordine di grandezza inferiore al passo spettrometro.

Infine, la sensibilità media del capillare può essere ottenuto dalla spostamento netto per le tre soluzioni, il corrispondente campo di indice di rifrazione analita. Ciò dipende principalmente dallo spessore del film e indice di rifrazione. Quest'ultimo è noto per essere ~ 1,67, da misure ellissometriche su pellicole piane preparate usando metodi simili. ²⁰ Per un 30-micron di diametro interno, la sensibilità massima teorica può essere calcolatoutilizzando l'approccio teoria perturbativa sviluppata in rif. ^21, utilizzando le soluzioni cilindriche invece di quelle sferiche. Con questo metodo, per l'indice di canale di 1,33, la massima sensibilità del (n, l) = (1, 190) Modalità vicino λ = 780 nm è pari al 25,7 nm / RIU per uno spessore di 265 nm. La sensibilità medio sperimentale è 16,0 nm / RIU in questo intervallo di lunghezze d'onda, che indica che lo spessore della pellicola è sub-ottimale.

Figura 1. Ampiezza del campo elettrico per i modi galleria acustica di una microsfera (a), un LCORR (b), e un FCM (c). In questi ultimi due casi l'analita è all'interno del canale, per una microsfera, l'analita è fuori e ha quindi bisogno di una camera separata. L'ordine modalità radiale è 1, mentre l'ordine angolare è 53, 52, unnd 65, rispettivamente.

Figura 2. (A) un essere capillare immerso in una soluzione di Fox-15. Anche se non è possibile vedere il menisco nella fotografia, lo sperimentatore può osservare che il canale ascendente. (B) Un insieme di capillari finale sul palco microscopio per analisi preliminare. A 445-nm laser è incidente vicino al centro del capillare sinistra; la luce rossa è il Si-QD fluorescenza. Ciò appare particolarmente intensa alla fine del capillare, causa waveguiding all'interno delle pareti di vetro capillari. (C) Un successo capillare tenuto nella configurazione analisi microfluidica. Fluido iniettato nel capillare dalla micropompa (non mostrato) scorre da destra a sinistra attraverso il canale, ed entra in un'altra provetta per lo smaltimento.

Figura 3. Uno spettro WGM tipico. L'immagine superiore fluorescenza mostra la posizione della fenditura di ingresso spettrometro, insieme con la corrispondente immagine 2D spettrale. Lo spettro 1D finale è estratta dalla regione in scatola.

Figura 4 La modalità singolo estratto da uno spettro WGM capillare e in forma con un puro Lorentziana (Eq. 1, linea rossa). E una distorta Lorentziana (Eq. 2; linea blu). Mentre quest'ultimo fornisce ovviamente una migliore vestibilità, montaggio di picco in genere non è l'opzione migliore per identificare spostamenti spettrali molto piccoli, come richiesto per raggiungere limiti di rilevabilità bassi.

Figura 5. > (AD) mostrano una serie di immagini di fluorescenza fallito e un FCM successo (a):. Nessuna luminescenza; questa capillare non correttamente riempire o la soluzione è stata evaporata completamente (b) giallo-arancio fluorescenza nel canale capillare.. Qui, la regione fluorescente non è sulle pareti del capillare, ma piuttosto al centro. In alcuni esempi, il film sembra raggrinzirsi nel mezzo del canale. (C) mostra una forte fluorescenza rossa ma manca WGMS nello spettro. Alcune irregolarità sono osservabili nella struttura a film. (D) era un capillare successo con WGMS buoni. Una firma di film di successo è l'uniformità dei canali e la mancanza di caratteristiche irregolari. Gli spettri di fluorescenza corrispondente sono mostrati in (e).

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Figura 6. (A) un insieme di spettri preso come metanolo, poi con acqua, quindi etanolo sono stati pompati nel capillare. Gli spettri sono stati prelevati sequenzialmente dal rosso al blu. (B) mostra lo spettro di potenza Fourier di ciascuno spettro di fluorescenza. Il componente 40 ^th rappresenta l'oscillazione principale WGM osservabile. Le differenze di fase corrispondenti sono stati presi per questo unico componente, e vengono registrati in (c), dopo la conversione in turni di lunghezza d'onda tramite Eq. 4. Le barre di errore rappresentano una deviazione standard dello spostamento picco per 60 misurazioni. L'inserto mostra la sensibilità media di tutto il campo di indice di rifrazione da metanolo per etanolo. Teoricamente, la lunghezza d'onda si sposta aumentano con l'aumentare dell'indice di rifrazione e quindi non sono strettamente lineare, in accordo con i dati osservati spostamento.

Discussion

Fluorescente-core microcavità possono essere utilizzati come sensori rifrattometrici. Mentre ci sono esempi isolati di "arrotolate" microtubi che potrebbero agire come sensori microfluidici, rispetto al ²² microtubi, capillari sarà più facile da integrare in configurazioni microfluidica e hanno notevoli vantaggi pratici, in quanto sono facilmente manipolati e semplice interfaccia con un'analisi installazione. Con metodi tradizionali di analisi di Fourier, spostamenti di lunghezza d'onda che sono almeno un ordine di grandezza inferiore al passo del sistema di spettroscopia può essere rilevato. Tale metodo consente di integrazione in sensorgram tipo sistemi di misura.

Questi FCM sarebbero competitivi soprattutto con liquido-core risonatori anello ottico (LCORRs). ^23,24,25 LCORRS sono capillari di vetro che sono stati diluiti con riscaldamento e tirando, pompaggio HF nel canale di sciogliere la superficie interna capillare, o riscaldamento e inflazione con gas pressurizzato^26. Questi risultati trattamenti in un capillare con pareti sottili micrometri, come richiesto per supportare WGMS con una coda evanescente che si estende nel canale capillare. Biosensori LCORR sono state dimostrate per il rilevamento di una varietà di analiti differenti. ^27,28,29,30

FCM hanno diversi chiari vantaggi e limiti in confronto con LCORRs. Entrambi i dispositivi si basano sul flusso di un analita attraverso un canale capillare. Entrambi sono basati sulla chimica silice e possono essere funzionalizzati con metodi analoghi. Tuttavia il limite di risoluzione e il rilevamento del LCORR sarà meglio, assumendo equivalenti metodi di analisi dei dati sono utilizzati. Questo perché LCORRs sono basati su misure di precisione laser sintonizzabili che hanno una frequenza di campionamento molto alta, mentre FCM utilizzare uno spettrometro convenzionale. Questo riduce i limiti di rilevabilità (e potenzialmente la sensibilità ³¹⁾ della FCM. Finora abbiamo ottenuto, nel migliore dei casi, un limite di rilevazione of circa 10 ^-5 RIU utilizzando varianti di questa tecnica, mentre un valore pari a 10 ^-6 RIU è standard in LCORRs. Un ulteriore problema riguarda l'uso di uno spettrometro nel costo complessivo del sistema. La fluorescenza da Si-QD può essere facilmente misurato con dimensioni ridotte, non raffreddato spettrometro dispositivi palmari come l'Ocean Optics USB2000 serie (attualmente una spesa di ~ $ 2.000). Tuttavia, l'uso di tale dispositivo con FCM richiederà considerazione e test della configurazione sperimentale, poiché non può essere semplice da ottenere spettri WGM da una piccola regione del capillare senza utilizzare un obiettivo microscopio e uno spettrometro di imaging.

LCORRs richiedono l'utilizzo di materiale che è sia costoso e difficile operare "sul campo", come ad esempio un laser sintonizzabile e preciso attrezzature nanopositioning. Inoltre, la parete sottile capillare è fragile e difficile da maneggiare. FCM, al contrario, hanno bisogno di una fonte di luce blu come un SIdiodo laser mple o LED, e l'ottica per proiettare l'immagine di fluorescenza sulla fenditura d'ingresso di uno spettrometro. La FCM è anche molto più robusto rispetto a parete sottile LCORR. Il metodo può essere esteso anche a diversi tipi di strati fluorescenti che potrebbero avere maggiori efficienze e lunghezze d'onda di picco differenti, rispetto a Si-QD. Quindi, la scelta di un sensore preferito (LCORR vs FCM) probabilmente dipendono dall'applicazione prevista. Se concentrazioni molto basse di analita sono presenti, i limiti di rilevazione basse del LCORR sarebbe vantaggioso. Se facilità d'uso, la durata e costo sperimentale è la preoccupazione principale, quindi l'FCM potrebbe essere una scelta migliore se lo spettrometro può essere integrata senza l'uso di un microscopio a fluorescenza. Pur avendo nettamente diversi vantaggi e limitazioni, entrambi i dispositivi sono promettenti per l'analisi microfluidica di una vasta gamma di analiti potenziali.

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.