Syntese og drift av Fluorescent-core Microcavities for Refractometric Sensing

Summary

Fluorescent-core microcavity sensorer benytter en høy-indeks kvante-dot belegg i kanalen av silika microcapillaries. Endringer i brytningsindeksen av fluider pumpet i kapillarkanalen årsaken vridninger i microcavity fluorescens spekteret som kan brukes til å analysere kanalen medium.

Abstract

Artikkelen diskuterer fluorescerende kjernen microcavity-baserte sensorer som kan operere i en microfluidic analyse oppsett. Disse strukturene er basert på dannelsen av en fluorescerende kvante-dot (QD) belegg på kanalen overflaten av et konvensjonelt microcapillary. Silicon QDs er spesielt attraktive for dette programmet, grunn delvis til deres ubetydelig toksisitet sammenlignet med II-VI og II-VI sammensatte QDs som er legislatively kontrollerte stoffer i mange land. Mens ensemblet emisjonsspektrum er bred og særpreg, en Si-QD film på kanalen veggen av en kapillær funksjoner et sett av skarpe, smale topper i fluorescens spektrum, tilsvarende de elektromagnetiske resonanser for lys fanget innenfor filmen. Toppen bølgelengde av disse resonanser er følsom for den eksterne mediet, og således tillate at enheten skal fungere som et refractometric sensor der QDs aldri komme i fysisk kontakt med analytten. Den eksperimentellemetoder forbundet med fremstillingen av den fluorescerende-core microcapillaries er diskutert i detalj, samt analysemetoder. Endelig er det foretatt en sammenligning mellom disse strukturer og de mer allment undersøkt væske-core optiske ring resonatorer, i form av microfluidic sensing evner.

Introduction

Kjemiske sensing systemer som krever bare små prøvevolumer og som kan bli innarbeidet i håndholdte eller felt-opererbar enheter kan føre til utvikling av et bredt spekter av nye teknologier. Slike teknologier kan inkludere felt diagnostikk for sykdommer og patogener, ¹ miljøgifter, ² og mattrygghet. ³ Flere teknologier blir aktivt utforsket for microfluidic kjemiske sensorer, med enheter basert på fysikken i overflaten plasmon resonans (SPR) blant de mest avanserte. ⁴ Disse sensorene er nå i stand til å oppdage mange spesifikke biomolekyler og har oppnådd kommersiell suksess, men hovedsakelig som større skala lab utstyr. ⁵

I de senere årene har optiske microcavities steget å konkurrere med SPR-baserte systemer. Microcavities kan være utrolig følsom, med demonstrert evne til å oppdage enkle virus ⁶ og kanskje til og med enkle biomolekyler <sopp> 7 (sistnevnte er fortsatt gjenstand for en viss debatt, ⁸ men det er ingen tvil om at massen deteksjonsgrenser er små ^9). I microcavities, stoler deteksjon mekanismen av endringer i de optiske resonanser forårsaket av tilstedeværelsen av en analytt i det elektriske felt profilen av resonans. Typisk vil en gitt analytt føre resonans å endre i i sentrale frekvens, sikt, eller linewidth. Som med SPR systemer kan microcavities fungere som uspesifikke refractometric sensorer, eller som biosensorer funksjonalisert for en bestemt analyse.

Dielektriske mikrostrukturer med et sirkulært tverrsnitt (f.eks mikrosfærer, disker, eller sylindere) er preget av elektromagnetiske resonans kjent som Whispering Gallery moduser, eller WGMs, et begrep som går tilbake til Lord Rayleigh undersøkelser av analoge akustiske effekter. ^Ti hovedsak en optisk WGM oppstår når en bølge circumnavigates sirkulær korset sEL ved total intern refleksjon, og returnerer til sitt utgangspunkt i fase. Et eksempel på en elektromagnetisk resonans for en silisiumdioksyd mikrokule er illustrert i figur 1a. Denne resonans er preget av en maksimum i radial retning (n = 1), mens totalt 53 bølgelengder passer rundt ekvator (l = 53), er bare noen av disse er vist. Den flyktige delen av feltintensiteten strekker inn i mediet utenfor sfæren grense; dermed mikrokule WGM kan ane eksterne medium.

Kapillærer er en spesielt interessant eksempel på en WGM-baserte sensor. I en kapillær, sylindriske WGMs kan dannes rundt den sirkulære tverrsnitt, lik den saken for en sfære. Hvis kapillær veggen er svært tynn, strekker en del av det elektromagnetiske feltet i kapillarkanalen (Figur 1b). Dermed kan en kapillær være en microfluidic sensor for analytter injisert inn i kanalen. Dette er Basis av drift av flytende kjerne optisk ring resonator (LCORR). ¹¹ LCORRs avhengige svinnende kopling av lys fra en presisjon avstembart laserkilde å sondere WGMs. En viktig del av den LCORR er at kapillærveggene må være tynn (~ 1 um) for å sikre at modusen prøvene kanalen medium. Dette legger noen problemer på fabrikasjon deres og får dem til å være mekanisk skjøre.

I vårt arbeid har vi utviklet et alternativ struktur vi kaller et fluorescerende kjerne microcavity (FCM). ^12,13 å danne en FCM, vi pels kanalen veggene i et kapillær med en høy brytningsindeks-indeksen fluoroforen (spesifikt, et lag av oksid-innebygde silisium quantum prikker). Den høye indeks av filmen er nødvendig for å begrense den emitterte stråling, og dermed bygge opp WGMs (figur 1c). I motsetning til den LCORR, i en FCM modiene være skarpe maksima i en slippes fluorescens spektrum. Tykkelsen avFilmen er kritisk viktig, hvis den er for tykk til WGM ikke prøve mediet i kapillarkanalen, og hvis det er for tynt den optiske innesperring er tapt og WGMs bli svak. Således er fremstillingen av en FCM en vanskelig prosess som krever nøye forberedelse. Dette er hovedtemaet i dagens papir.

Protocol

1. Utarbeidelse av materialer Microcapillaries Skaffe silika kapillærer fra en kommersiell leverandør. Vi kjøper våre kapillærer fra Polymicro Technologies. Velg en liten indre diameter (~ 25-30 mikrometer) for mer vidt atskilte spektrale resonanser (dvs. en større gratis spektralområdet) eller en større indre diameter (~ 100 mikrometer) for tettere linjeavstand resonans med høyere kvalitet faktorer. En stor ytre diameter sikrer FCMs er slitesterk og lett manipuleres. <l…

Representative Results

Små avvik i kapillær fabrikasjon prosedyre kan føre til betydelige endringer i utvalget suksess rate. I figur 5 (ad), viser vi representative eksempler på mislykket kapillærer samt en vellykket en. Generelt, er den visuelle indikasjon på en vellykket prøve en rød fluorescens kombinert med en høy intensitet ved kapillærveggene og et særpreg interiør. Fluorescens spektrum angir også tydelig forskjellen mellom suksess og fiasko (figur 5e). En god prøve skal vise veldefinerte …

Discussion

Fluorescent-core microcavities kan brukes som refractometric sensorer. Mens det er isolerte eksempler på "rullet opp" mikrorør som kan fungere som microfluidic sensorer, ²² sammenlignet med mikrorør, vil kapillærene være lettere å integrere i microfluidic oppsett og har store praktiske fordeler, siden de er lette å håndtere og enkelt å grensesnitt med en analyse oppsett. Med konvensjonelle Fourier analysemetoder kan bølgelengde skift som er minst en størrelsesorden mindre enn stigningen a…

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.