Síntese e Operação de Fluorescente-core microcavidades de Sensoriamento refractométricos

Summary

Os sensores fluorescentes de núcleo microcavidade empregar um alto índice de revestimento quantum dot-no canal de sílica microcapilares. As mudanças no índice de refracção dos fluidos bombeados para a causa do canal capilar se desloca no espectro de fluorescência microcavidade que pode ser utilizado para analisar o meio do canal.

Abstract

Este artigo discute fluorescentes núcleo microcavidade sensores baseados em que podem operar em uma configuração de análise de microfluídica. Estas estruturas são baseadas na formação de um fluorescente quantum dot-revestimento (QD) sobre a superfície de canal de um microcapilar convencional. QDs silício são especialmente atractivo para esta aplicação, devido em parte à sua toxicidade insignificante comparado com o II-VI e QDs II-VI compostos, os quais são controlados legislativamente substâncias em muitos países. Embora o espectro de emissão conjunto é ampla e sem características, uma película de Si-QD na parede do canal capilar de Características de um conjunto de cortantes, picos estreitos no espectro de fluorescência, que corresponde às ressonâncias electromagnéticas de luz aprisionada dentro do filme. O comprimento de onda de pico de estas ressonâncias é sensível ao meio externo, permitindo assim que o dispositivo funcione como um sensor refractométrico em que nunca os QDs entrar em contacto físico com o analito. O experimentalmétodos associados com a fabricação do microcapilares fluorescente de núcleo são discutidos em detalhe, assim como os métodos de análise. Por fim, é feita uma comparação entre as estruturas e as mais amplamente investigada líquido do núcleo de anéis ópticos ressonadores, em termos de capacidades de detecção microfluidicos.

Introduction

Sistemas de detecção químicos que requerem volumes de amostra apenas pequenas e que podem ser incorporadas em dispositivos portáteis ou campo-operável poderia levar ao desenvolvimento de uma ampla gama de novas tecnologias. Essas tecnologias podem incluir o diagnóstico no campo de doenças e patógenos, contaminantes ambientais ^{1, 2} e segurança alimentar. ³ Várias tecnologias estão sendo ativamente explorada para sensores químicos microfluídicos, com dispositivos baseados na física de ressonâncias de plasmons de superfície (SPR) entre os mais avançados. ⁴ Estes sensores são agora capazes de detectar várias biomoléculas específicas e obtiveram sucesso comercial, embora principalmente em larga escala equipamento de laboratório. ⁵

Em anos recentes, têm aumentado microcavidades ópticas para competir com os sistemas baseados em SPR. Microcavidades pode ser incrivelmente sensível, com a capacidade demonstrada para detectar vírus individuais ⁶ e talvez até biomoléculas individuais 8 porém, não há dúvida de que os limites de detecção em massa são ⁹ pequeno). Em microcavidades, o mecanismo de detecção baseia-se em alterações nas ressonâncias ópticos devido à presença de um analito no interior do perfil do campo eléctrico da ressonância. Tipicamente, para um dado analito irá causar a ressonância de mudar no em frequência central, a visibilidade, ou a largura de linha. Tal como acontece com os sistemas de SPR, de microcavidades podem actuar como não específicos refractométricos sensores, ou como biossensores funcionalizados para uma análise específica.

Microestruturas dielétricas com uma secção circular (por exemplo, microesferas, discos ou cilindros) são caracterizadas por ressonâncias eletromagnéticas conhecidas como os modos Galeria sussurrando, ou WGMS, um termo que remonta a investigações Senhor Rayleigh de efeitos acústicos análogos. ¹⁰ Essencialmente, um WGM óptica ocorre quando uma onda circumnavigates a circular sexão por reflexão total interna, e retorna para o seu ponto de partida na fase. Um exemplo de uma ressonância electromagnética, para uma microesfera de sílica encontra-se ilustrada na figura 1a. Esta ressonância é caracterizado por um máximo na direcção radial (n = 1), enquanto que um total de 53 comprimentos de onda se ajustar em torno do equador (l = 53), das quais apenas algumas são mostrados. A parte evanescente da intensidade de campo se estende para o meio do lado de fora do limite esfera, assim o WGM microsfera pode sentir o meio externo.

Capilares são um exemplo particularmente interessante de um sensor baseado em WGM. Em um capilar, WGMS cilíndricos podem formar em torno da secção transversal circular, semelhante ao caso de uma esfera. Se a parede do capilar é muito fina, a parte do campo electromagnético prolonga-se para dentro do canal capilar (Figura 1b). Assim, um tubo capilar pode ser um sensor de microfluidos para analitos injectados para dentro do canal. Esta é a basis de funcionamento do anel de núcleo líquido ressoador óptico (LCORR). LCORRs ¹¹ dependem do acoplamento evanescente de luz a partir de uma fonte de laser de alta precisão ajustável para sondar as WGMS. Um aspecto importante da LCORR é que as paredes capilares devem ser finos (~ 1 mm) para assegurar que as amostras de modo a meio do canal. Isto coloca algumas dificuldades no seu fabrico e faz com que sejam mecanicamente frágeis.

No nosso trabalho, nós desenvolvemos uma estrutura alternativa chamamos uma microcavidade núcleo fluorescente (FCM). ^12,13 Para formar uma FCM, que revestir as paredes do canal de um capilar com um fluoróforo elevado índice de refracção (especificamente, uma camada de óxido de silício incorporado pontos quânticos). O índice elevado da película é necessária para limitar a radiação emitida, construindo assim as WGMS (Figura 1c). Em contraste com a LCORR, num dos modos de FCM aparecem como maxima afiado em um espectro de fluorescência emitida. A espessura dapelícula é extremamente importante e, se ele for muito espesso a WGM não experimentar o meio do canal capilar, e se for muito fina o confinamento óptico é perdida e as WGMS tornam-se fracas. Assim, a fabricação de um FCM é um processo difícil, exigindo uma preparação cuidadosa. Este é o tema principal do trabalho atual.

Protocol

1. Preparação dos Materiais

1. Microcapilares Obter capilares de sílica a partir de um fornecedor comercial. Nós compramos o nosso capilares de Polymicro Technologies. Escolha um diâmetro interno pequeno (~ 25-30 mm) para mais amplamente separados ressonâncias espectrais (ou seja, uma maior gama espectral livre) ou um diâmetro interno maior (~ 100 mm) para ressonâncias mais espaçadas com fatores de maior qualidade. Um grande diâmetro exterior garante os FCMs são duráveis ​​e facilmente manipulados.
   1. Os capilares vêm com um revestimento de poli-imida de cor, o que tem de ser removido primeiro. Cortar pedaços de aproximadamente 10 cm de capilares a partir do rolo, usando diamante fibra cutelo. Cada peça constitui uma única amostra. Aquecer estes em um forno tubular a 650 ° C durante uma hora em oxigénio para queimar o revestimento. Este processo remove o material de revestimento, expondo o capilar de sílica para dentro. Após arrefecimento até à temperatura ambiente, remover o capillaries do barco de aquecimento.
2. Hidrogénio O hidrogénio silsesquioxano soluções silsesquioxano (HSQ) é relatado como consistindo de H ₁₂ O ₁₂ Si ₈ moléculas com uma estrutura tipo gaiola ^14. Este material encontra-se comercialmente disponível a partir de Dow Corning. Adquira o HSQ em uma de suas séries Fox-(óxido de fluido) soluções, tais como raposa-15. Estas soluções são caras e têm uma vida útil limitada, por isso é necessário um planeamento cuidadoso. A evaporação do solvente MIBK proporciona uma concentração HSQ de aproximadamente 18% em peso. Se a concentração for demasiado baixa HSQ, quantum dots não podem formar-se a película. Se for demasiado alta, os filmes podem ser muito espessa e delaminate a partir da superfície do canal capilar. Na nossa experiência, para um tubo capilar com um diâmetro de 25-30 uM interior, uma solução contendo ~ Fox HSQ 25 wt.% É o melhor. Assim, pode ser necessário adicionar solvente evaporar ou mais HSQ (certificando-se de que ele é seco), a fim de ajustar oconcentração. Se uma diluição ou concentração é necessário é difícil de determinar, sem experimentação e erro, isto é fazer algumas amostras e examinar os resultados, como discutido abaixo.

2. Fabricação de Capilares Revestido

1. Enchimento capilar Pegue os pedaços de capilar preparados no passo 1,1 e mergulhe-os na solução de raposa. Quando um capilar é mergulhado na solução, deverá ser capaz de seguir visualmente o menisco se o canal, enquanto a solução é aspirada para dentro da (Figura 2a) em coluna capilar.
   1. Quando o menisco chega ao topo, remover o tubo capilar e coloque-a num cadinho de vidro de recozimento. Ela agora deve ser completamente preenchido com solução raposa. Repita este procedimento para as amostras quanto possível, para aumentar as chances de sucesso. Nós normalmente executado lotes de 20-30 e usar dois diferentes concentrações de soluções HSQ por peso. Nós encher os capilares no ar, mas t mantendoele raposa solução foi arrefecida num glovebox é recomendada, se possível, de forma a minimizar a exposição da solução a vapor de oxigénio e água. Mesmo pequenas exposições pode resultar na gelificação da solução.
2. Recozimento Hibridar os capilares em um processo de duas fases. Recozimento evapora-se o solvente e recolhe a estrutura de gaiola HSQ, formando uma película de SiO _x aderir às paredes do canal. O recozimento a temperaturas mais elevadas disproportionates o filme SiO _x em pontos quânticos Si dispersos em uma matriz de sílica. Os passos de recozimento incluir uma rampa de 30 minutos a partir da temperatura ambiente até 300 ° C, uma temporização de 3 horas para evaporar o solvente, em seguida, uma rampa para 1100 ° C em 45 min, e uma temporização de uma hora para precipitar os QDs.
   1. Deixe os capilares lentamente cool (~ 12 horas) de volta à temperatura ambiente. Isto ajuda a minimizar o stress relacionados fissuração da película depositada sobre a parede capilar. Outros protocolos de recozimento podeprovavelmente ser seguida e pode ser mais fiável, mas uma alta temperatura de recozimento na fase 1,000-1,100 ° C sempre é necessário para formar os QDs. No final desta etapa, deve-se (espera-se) ter 20-30 capilares com uma camada de QDs fluorescentes incorporado em um revestimento de matriz de sílica o canal de paredes.

3. Caracterização

1. Experimente verificar o microscópio de fluorescência em que os capilares são montados deve executar ambos imagem e espectroscopia no intervalo de comprimento de onda de 700-900 nm. Configurações de epifluorescência ou confocal são adequados para esta finalidade. Coloque uma linha do candidato capilares na fase de modo que seja fácil de mover-se entre eles por análise visual rápida (Figura 2b). Excitar o capilar com radiação azul ou UV ou em espaço livre no palco microscópio, ou diretamente através da objectiva usando um filtro dicróico, e observar a imagem de fluorescência usando as ocularesou uma câmera de cor.
   1. Observar a fluorescência capilar. Se a invenção foi bem sucedida, os capilares exibirão uma fluorescência vermelha brilhante. Esta é a primeira indicação de uma amostra favorável. Capilares exibindo fluorescência amarelo-alaranjado (em vez da cor vermelha associada aos QDs), em geral, não têm as características desejadas ópticos. Estas amostras também tendem a formar mais frequentemente em soluções com uma concentração baixa HSQ. Alguns capilares podem mostrar nenhuma fluorescência de todo; neste caso, o filme não QD e formar o tubo capilar pode ser descartado (vidro farelos). Esta é uma indicação de que a solução não pode ter sido arrastado para o tubo capilar, ou pode ter sido deficientes em HSQ. Finalmente, algumas amostras pode mostrar um filme rachado ou texturada, estes também podem ser descartados.
   2. Descartar todas as amostras mencionadas no passo anterior, excepto aqueles que apresentam a característica de fluorescência vermelha brilhante QDs silício.
2. Verificar a presença de WGMS nos espectros de fluorescência Assegurar a imagem é alinhada, conforme desejado na fenda de entrada do espectrómetro e recolher um espectro de fluorescência. Ajustar o tempo de recolha de modo a produzir uma relação de sinal-para-ruído aceitável. Executar calibrações de comprimento de onda e intensidade, conforme necessário. Os espectros QD deve ser intensa na gama de comprimento de onda de 700-900 nm. Spectra retirados da região correspondente à parede do capilar interno deve mostrar fortes oscilações, devido à presença dos modos sussurrando cilíndricas galeria (WGMS), esta é a exigência segundo ao último de um sensor de sucesso refractométrico.
   1. Algumas amostras podem ter uma fluorescência vermelha brilhante, mas QD oscilações WGM falta no espectro. Esta é uma indicação de que o filme QD rachado ou delaminada a partir da parede do capilar, que destrói as ressonâncias ópticas. Descarte capilares sem WGMS. Neste ponto, apenas a (tipicamente small fracção) de amostras que cumpram os requisitos de sensores permanecem. Há um teste final a ser executada.
3. Análise refractométrico Fixe o candidato capilares para o polietileno, tygon, teflon ou outra tubagem quimicamente compatível com as soluções de analito destinados cujo diâmetro interior deve ser ligeiramente maior do que o diâmetro capilar exterior. A escolha de tubos deve ser feita de modo a não reagir com a solução a ser bombeado para o tubo capilar.
   1. Usar um bom adesivo para fixar o capilar de vidro para o tubo, caso contrário, a interface do tubo capilar pode verter. Temos sucesso razoavelmente bom usando Norland NOA-76 ou mascote gel adesivo instantâneo. A escolha da cola depende da sua aderência ao vidro capilar e o tubo, e uma falta de reacção com os fluidos do canal. Usar o cuidado de evitar que o adesivo escorra para dentro do canal capilar, e bloqueando-o.
   2. A interface do tuboatravés de uma seringa para um sistema micropumping. Compostos com índices de refracção bem conhecidos, tais como metanol, etanol, e água pode ser usada para determinar a sensibilidade do dispositivo refractométrico. Este é o teste final de um sensor de sucesso. Bombear cada fluido, um de cada vez, para o capilar, tendo cuidado para não romper a vedação adesiva entre o capilar e o tubo (Figura 2c).
   3. Recolher os espectros com cada um dos líquidos no interior do capilar. Use um analisador no caminho da luz para distinguir entre TE-polarizados (WGMS paralelo analisador capilar eixo) e TM-polarizados WGMS (perpendicular analisador capilar eixo). Deve haver uma mudança no comprimento de onda de ressonância da WGM, ou TE ou TM, com cada solução diferente no capilar. Se não houver um desvio observável, o filme quantum dot-se muito espessa e as WGMS não suficientemente amostrar o meio do canal. Em amostras bem sucedidas observamos sensibilidades tipicamente, entre 5 e 15 nmunidade de índice de refração por solução (RIU). Quase todas as amostras que fazem WGMS mostram demonstram uma sensibilidade mensurável, no entanto, tipicamente, apenas uma pequena fracção dos capilares preparadas mostrará WGMS.

4. Análise de Dados

1. A obtenção dos espectros de fluorescência Tome um espectro de fluorescência de sua amostra. Para aplicações biosensoriamento, a superfície do canal tem de ser primeiro funcionalizada para analitos específicos. A superfície da película de QD é essencialmente sílica, para muitas receitas de modificação de superfície existe. Independentemente da aplicação, o passo final é o processamento de dados e análise.
   1. Alcançar baixos limites de detecção requer medir pequenas mudanças espectrais, idealmente a "resolução mudança" deve ser significativamente menor do que a resolução espectrômetro nominal ou arremesso. Deve ser tomado cuidado no processamento espectral devido a isso. Em particular, no espectrómetro de imagem muitass o espectro pode não ser projetada perfeitamente na horizontal para o CCD, portanto, se, entre as análises, a imagem da amostra flutua verticalmente na fenda, falsas mudanças de espectro pode ser obtido. Usar todos os meios necessários para assegurar que isto não aconteça, por exemplo, usar um padrão de calibração para determinar o ângulo do espectro projectada e corrigir para ele, minimizar o desvio da amostra, e assegurar que as mesmas pixels CCD são usadas para obter todos os espectros .
      Uma imagem espectral exemplo é mostrado na Figura 3, em que os modos de aparecer como fortes oscilações em localizações correspondentes às paredes do canal. Use um Mathematica código de computador (ou o que o seu grupo prefere) para importar as imagens espectrais, a saída dos dados espectrais, 1D e realizar ajuste de curva e análise de Fourier das mudanças WGM, conforme descrito abaixo.
2. Ajuste de curva Determinar o comprimento de onda de pico WGM para medir pequenas mudanças de espectro devido a analitos in o canal FCM. Montar um único modo para uma função que descreve a forma espectral - esta é uma maneira comum de obter a posição de pico. No caso ideal, esta será uma função Lorentziana (com conversão apropriada do comprimento de onda para as unidades de frequência através δλ = │ cδf-/ f ² │ em que c é a velocidade da luz):
   
   Na equação. 1, A é ​​um parâmetro de escalonamento e f ₀ é a frequência central. Infelizmente, não FCMs são um caso ideal.
   1. Em cavidades cilíndricas são os WGMS desviada para frequências mais elevadas, devido provavelmente ao desenvolvimento de ressonâncias em espiral (WGMS com um componente diferente de zero axial do wavevector) ^15. Lorentziana cabe, por conseguinte, um mau desempenho para a determinação da posição do pico. Infelizmente, não existe qualquer função thvai caber em uma distribuição de Lorentzians sobreposição das WGMS em espiral. Em trabalhos anteriores ¹⁶ sugerimos que uma Lorentziana enviesada ¹⁷ daria um melhor ajuste:
      
      Aqui, a e B são parâmetros inclinar. Como pode ser visto na Figura 4, a equação. 2 dá um melhor ajuste aos dados do que a equação. 1, mas, infelizmente, não tem base física na teoria do WGMS.
3. A análise de Fourier mudança Alternativamente, os dados podem ser processados ​​usando uma transformada discreta de Fourier, e a fase correspondente desvios medidos a partir do espectro de Fourier. Este método tira vantagem da periodicidade de todo o espectro, em vez de usar uma única WGM arbitrária. Não mede a posição comprimento de onda, mas em vez mede uma mudança geralde um espectro WGM dada com respeito a um espectro de referência arbitrário.
   1. Utilizar a diferença de fase Δφ para o componente de Fourier de alta potência, que corresponde à oscilação WGM principal espectral para obter o deslocamento espectral. Isto corresponde a uma verdadeira mudança WGM frequência de:
      Af = Δφ (f _max - f _min) / (2πk),
      onde f e f _{min max} são os valores mínimo e máximo de frequência nos espectros. No entanto, muita informação pode ser descartada se apenas o componente principal é usado, além disso, problemas de truncamento pode tornar difícil determinar qual componente é o principal. Muitas vezes, os melhores resultados exigem alguma tentativa e erro como a que componentes de Fourier para selecionar.
   2. O teorema de mudança ao invés usa todos os componentes de Fourier. Assim, para uma mudança pura, cada componente individual é deslocado proporcional ao k (com ksendo o número de componentes). Em outras palavras, δφ _k = mk, onde a m proporcionalidade é uma medida do deslocamento real. O desvio de frequência total é, assim, dada pela fórmula:
      Af = m (f _max - f _min) / (2π).
      Isto requer m de ser obtida a partir de um ajuste linear para as diferenças de fase ΔΦ _k para alguns ou todos os componentes de Fourier.
   3. Para os dados reais, a relação linear ΔΦ _k = mk terá incerteza devido ao ruído e sinal de fundo, o que pode ter um efeito significativo nos componentes de baixa potência de Fourier. Assim, recomendamos um ajuste linear ponderada, em que o peso de cada componente é proporcional à sua potência, de modo a obter a inclinação da ΔΦ _k vs grafo k. O espectro pode ser filtrado em volta do componente principal antes da montagem, para remover ambas as frequências altas (nOise) e baixa freqüência (desacoplado fluorescência de fundo). A freqüência muda de EQ. 4 são então convertidos em unidades de comprimento de onda.
   4. Ao contrário do processo de ajuste de curva, um WGM "comprimento de onda" nunca é obtido, mas em vez disso uma mudança de comprimento de onda é medida ao longo de todo o espectro com respeito a um espectro de referência arbitrário. O procedimento é então repetido para cada espectro a ser analisado. Os passos para este processo são os seguintes:
      1. Converter o espectro em unidades de freqüência para garantir uma faixa livre espectral constante.
      2. Escolher o conjunto de dados de referência (isto é, o primeiro WGM espectro de fluorescência) a partir do qual todos os turnos será medido.
      3. Interpolar o espectro de frequência para se obter o espaçamento uniforme ^18.
      4. Realizar uma transformada discreta de Fourier para se obter os componentes de alimentação e de fase de cada espectro.
      5. Descubra as diferenças de fase para todos os k componentes de uma dada WGMespectro para a qual o valor de deslocamento for desejado, em relação ao espectro de referência.
      6. Procurar o deslocamento de fase utilizando a diferença de fase de cada um dos componentes de Fourier a principal apenas, ou um ajuste linear ponderada para os componentes seleccionados. Isto vai dar o Af deslocamento de fase ou δλ entre o espectro WGM e o espectro de referência.
      7. Os erros das mudanças de espectro (o limite de detecção) podem ser medidos por recolha de espectros repetida para o mesmo analito. Um grau de incerteza na sensibilidade pode ser obtido a partir do erro nos ajustes lineares ponderadas, se forem utilizados vários componentes.

Repita os passos 1-7 para cada análise. Embora este processo parece complicado, após a aplicação inicial, o procedimento é simples para automatizar, de modo que os conjuntos de dados grandes podem ser processados ​​em lote para encontrar os turnos. Nós usamos um código escrito especificamente Mathematica for este procedimento, para que conjuntos completos de dados podem ser processados ​​em lote "com o pressionar de um botão". Em princípio, as mudanças espectrais pode até mesmo calculado "ao vivo", apesar de não ter feito isso ainda.

Representative Results

Pequenos desvios no processo de fabricação capilar pode conduzir a alterações significativas na taxa de sucesso de amostra. Na Figura 5 (anúncio), mostramos exemplos representativos de capilares falhou, assim como um sucesso. Geralmente, a indicação visual de uma amostra de sucesso é uma fluorescência vermelha combinada com uma intensidade elevada para as paredes capilares e um interior featureless. O espectro de fluorescência também indica claramente a diferença entre o sucesso eo fracasso (Figura 5e). Um bom exemplo deve mostrar oscilações bem definidas (visibilidade ≈ 0,5) WGM no espectro.

A configuração pode ser programada para tomar os espectros de forma contínua como analitos são bombeados para dentro do canal capilar (Figura 6a). Usando a técnica acima descrita, a análise dos dados pode ser executada como uma tarefa batch em todos os espectros da WGM, que deve passar de diferentes analitos são injectadas para o capilar.Aqui, mostramos os resultados de uma série de tempo contínuo (isto é, um sensorgram) como água, metanol, etanol e, finalmente, são bombeados para dentro do canal sequencialmente. Apenas a componente de Fourier principal foi escolhido neste caso (Figura 6b), já que os resultados foram considerados satisfatórios, mesmo para esta análise simples. As barras de erro representam o desvio padrão de uma a posição do pico para os primeiros 100 medições (com água no canal).

Sensorgram operação destes dispositivos (isto é, séries de tempo contínuo em oposição à simples medidas estáticas) evita falta de recursos potencialmente interessantes de uma análise. Por exemplo, podemos ver um "galo" na informação da mudança WGM entre água e metanol, indicando analito com maior índice de refração de cada componente puro. Na verdade, a água-metanol misturas são conhecidas por ter um índice de refracção mais elevado do que qualquer fase pura, ¹⁹ o que sugere a presença de uma pequena mixing região entre as duas soluções. Para biosensoriamento medições, prevemos que as medições sensorgram será crucial para determinar a natureza e especificidade da ligação do analito. Na Figura 6c, também vemos que a incerteza na posição de pico é de aproximadamente 10 horas, que é consideravelmente menor do que o tom pm 110 do espectrômetro. Esta melhoria é realizável por causa do método de análise de dados, o que aqui pode detectar mudanças de uma ordem de grandeza menor do que o passo espectrómetro.

Por fim, a sensibilidade média do capilar pode ser obtido a partir da mudança de líquido para os três soluções, ao longo do correspondente intervalo de índice de refracção do analito. Isto dependerá principalmente da espessura da película e do índice de refracção. Este último é conhecido como sendo ~ 1,67, a partir de medições ellipsometric sobre películas planas preparados utilizando métodos semelhantes. ²⁰ Para um diâmetro interior 30 mícrons, a sensibilidade máxima teórica pode ser calculadautilizando a abordagem desenvolvida na teoria da perturbação Ref. ^21, utilizando as soluções cilíndricos, em vez de os esféricas. Com este método, para o índice de canal de 1,33, a sensibilidade máxima da (n, l) = (1, 190) de modo próximo λ = 780 nm é igual a 25,7 nm / RIU para uma espessura de película de 265 nm. A sensibilidade média experimental é 16,0 nm / RIU nesta gama de comprimento de onda, o que indica que a espessura da película é sub-óptimo.

Figura 1. Amplitude do campo eléctrico para os modos de galeria sussurrantes de uma microesfera (a), um LCORR (b), e uma FCM (c). Nos dois últimos casos, o analito está dentro do canal, para uma microesfera, a substância a analisar é do lado de fora e, portanto, necessita de uma câmara separada. A ordem de modo radial é 1, enquanto que o modo angular é de 53, 52, umand 65, respectivamente.

Figura 2. (A) Um ser capilar mergulhada em uma solução de Fox-15. Apesar de não ser possível ver o menisco na fotografia, o experimentador possa observá-lo levantando-se do canal. (B) Um conjunto de capilares no último estágio de microscópio de análise preliminar. Um laser de 445 nm, é incidente perto do centro do tubo capilar mais à esquerda, o brilho vermelho é a fluorescência Si-QD. Isto parece especialmente intenso no fim do capilar, devido ao guiamento no interior das paredes capilares de vidro. (C) Um capilar realizada com sucesso na análise de configuração de microfluidos. Fluido injectado no capilar da microbomba (não mostrado) flui da direita para a esquerda através do canal e entra em outro tubo para descarte.

Figura 3. Um espectro WGM típico. A imagem superior da fluorescência indica a posição da fenda de entrada do espectrómetro, juntamente com a correspondente imagem 2D espectral. O espectro 1D último extraído é da região em caixa.

Figura 4 A única modalidade extraída de um espectro WGM capilar e se encaixam com uma Lorentziana puro (Eq. 1; linha vermelha). E uma Lorentziana enviesada (Eq. 2; linha azul). Enquanto este último obviamente proporciona um melhor ajuste apropriado, pico, geralmente não é a melhor opção para a identificação de pequenas mudanças de espectro, conforme necessário para atingir baixos limites de detecção.

Figura 5. > (Ad) mostram um conjunto de imagens de fluorescência de uma falha e FCM bem sucedido (a):. Não luminescência; este capilar não preencher correctamente ou a solução foi completamente evaporado (b) a fluorescência amarelo-alaranjado, o canal capilar.. Aqui, a região não é fluorescente sobre as paredes do capilar, mas sim no centro. Em algumas amostras, o filme aparece a encolher-se no meio do canal. (C) mostra a fluorescência vermelha forte, mas carece WGMS no espectro. Algumas irregularidades são observáveis ​​na estrutura de película. (D) foi bem sucedida de um capilar com boas WGMS. Uma assinatura de filmes de sucesso é a uniformidade de canal e uma falta de características irregulares. Os espectros de fluorescência correspondente são mostrados em (e).

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Figura 6. (A) um conjunto de espectros tomados como metanol, depois com água, em seguida, o etanol foi bombeada para dentro do capilar. Os espectros foram tomados sequencialmente de vermelho para azul. (B) mostra o espectro de potência de Fourier de cada espectro de fluorescência. O componente ^th 40 representa a oscilação WGM principal observável. As diferenças de fase correspondentes foram tomadas para este componente único, e são representados em (c), após a conversão em turnos de comprimento de onda por meio de Eq. 4. As barras de erro representam o desvio padrão de um deslocamento do pico para 60 medições. A inserção mostra a sensibilidade média, durante o intervalo de índice de refracção de metanol em etanol. Teoricamente, o comprimento de onda se desloca aumento com o aumento do índice de refração e não são, portanto, estritamente linear, de acordo com os dados de mudança observados.

Discussion

Fluorescent-core microcavidades podem ser usados ​​como sensores de refractométricos. Embora haja exemplos isolados de "enroladas" microtubos que possam agir como sensores microfluídicos, em comparação com ²² microtubos, capilares, será mais fácil de integrar em configurações microfluidicos e têm consideráveis ​​vantagens práticas, uma vez que são facilmente manuseadas e simples para fazer a interface com uma análise configuração. Utilizando métodos de análise convencionais de Fourier, os desvios de comprimento de onda que são pelo menos uma ordem de grandeza menor do que o passo do sistema de espectroscopia pode ser detectado. Este método também permite a integração em sistemas sensorgram tipo de medição.

Estes FCMs competem principalmente com o líquido de núcleo ressonadores anel óptica (LCORRs). ^23,24,25 LCORRS são capilares de vidro que foram diluídos através de aquecimento e de puxar, de bombeamento de HF para o canal para dissolver a superfície interna capilar, ou aquecimento e inflação com gás pressurizado. Resultado ²⁶ Estes tratamentos em um capilar com paredes finas, micrômetros como necessários para suportar WGMS com uma cauda evanescente se estende para o canal capilar. LCORR biossensores foram demonstrados para a detecção de uma variedade de analitos alvo diferentes. ^27,28,29,30

FCMs tem várias vantagens e limitações em comparação com LCORRs. Ambos os dispositivos dependem do fluxo de uma substância através de um canal capilar. Ambos são baseados na química da sílica e podem ser funcionalizados utilizando métodos semelhantes. No entanto, o limite de resolução e detecção da LCORR será melhor, assumindo que os métodos de análise de dados equivalentes são usados. Isto é porque LCORRs são baseados em medições de precisão a laser sintonizável que têm uma taxa de amostragem muito elevada, enquanto que FCMs utilizar um espectrómetro convencional. Isto diminui os limites de detecção (e potencialmente a sensibilidade do ³¹⁾ do FCM. Até agora conseguido, na melhor das hipóteses, um limite de detecção of em torno de 10 ^-5 RIU usando variações da técnica, enquanto que um valor de 10 ^-6 RIU é padrão no LCORRs. Um problema adicional refere-se à utilização de um espectrómetro do custo global do sistema. A fluorescência de Si-QDs podem ser facilmente medidos com pegada pequena, não-refrigerado aparelhos portáteis, como o espectrômetro Ocean Optics USB2000 série (atualmente uma despesa de ~ US $ 2.000). No entanto, a utilização de um tal dispositivo com FCMs deverão ser consideradas e teste da montagem experimental, uma vez que pode não ser simples de obter espectros WGM de uma pequena região do capilar sem utilizar uma objectiva de microscópio de um espectrômetro de imagem.

LCORRs requerem o uso de um aparelho que é caro e difícil de operar "no campo", tal como um laser sintonizável e equipamento nanoposicionamento preciso. Além disso, o capilar de paredes finas, é frágil e difícil de manusear. FCMs, por outro lado, precisam de uma fonte de luz azul, como um silaser de diodo mple ou LED, e óptica para projetar a imagem de fluorescência para a fenda de entrada de um espectrômetro. A FCM é também muito mais robusto do que o LCORR de paredes finas. O método também pode ser estendida para diferentes tipos de camadas fluorescentes que podem ter maior eficiência e comprimentos de onda de pico diferentes, quando comparados com Si-QDs. Assim, a escolha de um sensor preferido (LCORR vs FCM) provavelmente depende da aplicação pretendida. Para concentrações muito baixas de analito está presente, os limites de detecção baixos do LCORR seria vantajoso. Se a facilidade de utilização, durabilidade e custo experimental é a principal preocupação, então o FCM pode ser uma opção melhor do que o espectrómetro pode ser integrado sem o uso de um microscópio de fluorescência. Apesar de ter vantagens distintas e limitações, ambos os dispositivos são promissores para a análise de microfluidos de uma ampla variedade de analitos potenciais.

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.