Síntesis y funcionamiento de los núcleos fluorescentes microcavidades de Percepción refractométrico

Summary

Fluorescente-core sensores microcavidad emplean un alto índice de puntos cuánticos de revestimiento en el canal de sílice microcapilares. Los cambios en el índice de refracción del fluido bombeado en la causa canal capilar se desplaza en el espectro de fluorescencia microcavidad que se puede utilizar para analizar el medio de canal.

Abstract

Este documento discute fluorescentes basados ​​en el núcleo microcavidad-sensores que pueden operar en una configuración de análisis de microfluidos. Estas estructuras están basadas en la formación de un fluorescente de puntos cuánticos (QD) de revestimiento sobre la superficie de un canal convencional microcapilar. Puntos cuánticos de silicio son especialmente atractivos para esta aplicación, debido en parte a su toxicidad insignificante comparado con el II-VI y II-VI puntos cuánticos compuestos, que son legislativamente sustancias controladas en muchos países. Mientras que el espectro de emisión del conjunto es ancha y, una película de Si-QD en la pared del canal de una serie de características capilares de un conjunto de picos agudos, estrechos en el espectro de fluorescencia, correspondiente a las resonancias electromagnéticas para luz atrapada dentro de la película. La longitud de onda máxima de estas resonancias es sensible al medio externo, lo que permite que el dispositivo funcione como un sensor de refracción en el que los puntos cuánticos nunca entran en contacto físico con el analito. La experimentalmétodos asociados con la fabricación de los microcapilares fluorescente de núcleo se discuten en detalle, así como los métodos de análisis. Finalmente, se hace una comparación entre estas estructuras y los más ampliamente investigado líquido de núcleo resonadores anillo óptico, en términos de capacidades de detección de microfluidos.

Introduction

Químicos sistemas de detección que requieren volúmenes de muestra pequeños y que sólo se pueden incorporar en dispositivos de mano o campo operable-podría conducir al desarrollo de una amplia gama de nuevas tecnologías. Estas tecnologías podrían incluir diagnósticos sobre el terreno de las enfermedades y agentes patógenos, contaminantes ambientales ^{1, 2} y de seguridad alimentaria. ³ Varias tecnologías están siendo exploradas por sensores químicos de microfluidos, con dispositivos basados ​​en la física de las resonancias de plasmones superficiales (SPR), entre los más avanzados. ⁴ Estos sensores son ahora capaces de detectar muchas biomoléculas específicas y han logrado el éxito comercial, aunque principalmente como equipo de laboratorio a gran escala. ⁵

En los últimos años, han aumentado microcavidades ópticas para competir con los sistemas basados ​​en SPR. Microcavidades puede ser increíblemente sensible, con capacidad demostrada para detectar virus individuales ⁶ y tal vez incluso biomoléculas individuales <shasta> 7 (este último sigue siendo objeto de debate, ⁸ sin embargo no hay duda de que los límites de detección de masas son pequeños ^9). En microcavidades, el mecanismo de detección se basa en los cambios en las resonancias ópticos causados ​​por la presencia de un analito en el perfil de campo eléctrico de la resonancia. Típicamente, un analito dado causará la resonancia a cambios en la frecuencia central, la visibilidad, o ancho de línea. Como con los sistemas de SPR, microcavidades puede actuar como no específicos sensores refractometría, o funcionalizados como biosensores para un análisis específico.

Microestructuras dieléctrico con una sección transversal circular (por ejemplo, microesferas, discos o cilindros) se caracterizan por fenómenos de resonancia electromagnéticos conocidos como los modos de galería susurrante, o WGMS, un término que se remonta a Lord Rayleigh investigaciones de los efectos acústicos análogos. ¹⁰ Esencialmente, un WGM óptico ocurre cuando una onda circumnavigates la circular sección por reflexión interna total, y vuelve a su punto de partida en fase. Un ejemplo de una resonancia electromagnética para una microesfera de sílice se ilustra en la Figura 1a. Esta resonancia se caracteriza por un máximo en la dirección radial (n = 1), mientras que un total de 53 longitudes de onda se ajuste alrededor del ecuador (l = 53), sólo algunas de las cuales se muestran. La parte evanescente de la intensidad de campo se extiende en el medio fuera de los límites esfera, por lo que la WGM microesfera puede detectar el medio externo.

Los capilares son un ejemplo especialmente interesante de un sensor basado en WGM. En una WGM capilares cilíndricos, pueden formarse alrededor de la sección transversal circular, similar al caso de una esfera. Si la pared del capilar es muy delgada, parte del campo electromagnético se extiende en el canal capilar (Figura 1b). Por lo tanto, un capilar puede ser un sensor de microfluidos para analitos inyectados en el canal. Esta es la bAsís de funcionamiento del anillo de núcleo líquido resonador óptico (LCORR). ¹¹ LCORRs se basan en el acoplamiento evanescente de la luz de una fuente láser sintonizable precisión para sondear los WGM. Un aspecto importante de la LCORR es que las paredes de los capilares deben ser finas (~ 1 m) para asegurar que las muestras del modo del medio del canal. Esto coloca algunas dificultades en su fabricación y hace que sean mecánicamente frágiles.

En nuestro trabajo, hemos desarrollado una estructura alternativa que llamamos un microcavidad núcleo fluorescente (FCM). ^12,13 Para formar un FCM, que recubren las paredes de los canales de un capilar con un fluoróforo de alto índice de refracción (en concreto, una capa de óxido de silicio integrados puntos cuánticos). El alto índice de la película es necesario para confinar la radiación emitida, a fin de constituir los WGM (Figura 1c). En contraste con la LCORR, en un FCM los modos aparecen como máximos agudos en el espectro de fluorescencia emitida. El espesor de lapelícula es sumamente importante, y si es demasiado gruesa la WGM no muestrea el medio en el canal capilar, y si es demasiado delgada el confinamiento óptico se pierde y las WGM se debilitan. Por lo tanto, la fabricación de un FCM es un proceso difícil, que requiere una cuidadosa preparación. Este es el tema principal del documento actual.

Protocol

1. Preparación de los materiales Microcapilares Obtener capilares de sílice de un proveedor comercial. Compramos nuestros capilares de Tecnologías Polymicro. Elige un diámetro interno pequeño (~ 25 a 30 micras) para obtener más ampliamente separados resonancias espectrales (es decir, un mayor rango espectral libre) o un diámetro interno más grande (~ 100 m) para las resonancias más estrechamente espaciados con los factores de calidad más altos. Un diámetro exterior grande …

Representative Results

Las pequeñas desviaciones en el procedimiento de fabricación capilar puede conducir a cambios significativos en la tasa de éxito de la muestra. En la Figura 5 (ad), se muestran ejemplos representativos de no capilares, así como un éxito. Generalmente, la indicación visual de una muestra de éxito es una fluorescencia de color rojo combinado con una alta intensidad en las paredes de los capilares y un interior sin rasgos. El espectro de fluorescencia también indica claramente la diferencia entre e…

Discussion

Fluorescente de núcleo microcavidades se puede utilizar como sensores refractometría. Aunque hay ejemplos aislados de "enrolladas" microtubos que podrían actuar como sensores de microfluidos, en comparación con ²² microtubos, capilares será más fácil de integrar en las configuraciones de microfluidos y tienen considerables ventajas prácticas, ya que son fáciles de manejar y fácil de interfaz con un análisis configuración. Usando métodos convencionales de análisis de Fourier, los despla…

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.