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 <sup> 7 (de laatste blijft het onderwerp van discussie, 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 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. …

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)….

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 di…

Materials

Table of Materials	Company	Catalog #	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.