Summary
荧光核微腔传感器采用了高折射率的量子点的涂层，在通道中的二氧化硅microcapillaries。进入毛细通道事业泵送的流体的折射率变化中的微腔的荧光光谱，可用于分析的信道介质，转移。
Abstract
本文讨论了荧光核心微腔为基础的传感器，可以工作在微流控分析设置。这些结构的基础上形成的荧光量子点（QD）的以往的微细管的沟道表面上涂层。硅量子点对于这种应用，特别是有吸引力的部分原因是他们可以忽略不计的毒性相比，II-VI和II-VI族化合物量子点，这是许多国家的立法控制物质。虽然合奏发射光谱是广阔的，无特色，Si的QD的薄膜上的通道壁的毛细管功能锋利的一组中的荧光光谱，对应于电磁被困在薄膜内的光的共振，窄峰。这些共振的峰值波长是敏感的外部介质，因此，允许的移动设备以作为折射计的传感器，其中的量子点从来没有物理接触来与分析物的作用。实验与制造荧光核心microcapillaries的相关联的方法进行了详细讨论，以及分析方法。最后，比较这些结构之间的和更广泛的调查的液芯光环形谐振器，微流体传感功能方面。
Introduction
化学传感系统，只需要小的样品体积，手持式或场可操作设备可以被纳入可能导致广泛的新技术的发展。这些技术可能包括现场诊断疾病和病原体， 环境污染物，2和食品安全。微化学传感器的一些技术正在积极探索，与世界上最先进的物理特性，表面等离子体共振（SPR）的设备。现在，4这些传感器能够探测许多特定的生物分子，并取得了商业上的成功，但主要表现为较大规模的实验室设备。
近年来，光学微腔已经上涨竞争与基于SPR-系统。微腔可令人惊讶的敏感，表现出来的能力，检测单个病毒6，甚至单个生物分子
介质微观结构与一个圆形的交叉部分（ 例如，微球，磁盘，或气缸），其特征在于由电磁共振称为回音壁模式，或WGMS，期追溯到主瑞利的调查类似于声学效果10从本质上讲，一个光学WGM发生时，波沿凸圆截面ection通过全内反射，并返回到其起点的相位。在图1a中示出的一个例子的电磁的二氧化硅微球的共振。其特征在于，在径向方向上的一个最大值（n = 1时），而此谐振共53波长适合赤道附近的（ 升 = 53），其中只有部分被示出。瞬逝的电场强度的部分延伸到培养基中，领域边界之外，因此，的微球WGM可以感测的外部介质中。
毛细血管是一个特别有趣的一个的WGM基于传感器的例子。毛细管内，圆柱WGMS周围可以形成圆形的横截面，一个球体的情况下相似。如果毛细管壁是非常薄的，电磁场的一部分延伸进入毛细通道（ 图1b）。因此，毛细管可以是微流体传感器，用于分析物注入到沟道。这是b阿齐兹11的液芯光环形谐振器（LCORR）的操作。LCORRs依靠从精密可调谐激光源的光的探测WGMS上的渐逝波耦合。的LCORR的一个重要方面是，毛细管壁必须是薄的（约1微米），以确保信道的模式样本介质。其制造一些困难，使他们成为机械脆弱。
在我们的工作中，我们已经开发了一种替代的结构，我们称之为荧光芯微腔（FCM），12,13为了形成的FCM，涂层具有高折射率的荧光基团（具体地，层的毛细管通道壁嵌入式氧化硅量子点）。膜的高折射率需要字串，所发射的辐射，从而建立WGMS（ 图1c）。在对比度的LCORR，在FCM模式尖锐最大值出现在发射的荧光光谱。的厚度的膜是极为重要的，如果它太厚，在WGM不采样介质中的毛细通道，而且，如果它太薄，光学限制丢失和WGMS变弱。因此，制造的FCM是一个艰难的过程，需要精心准备。这是当前纸张的主要议题。
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Protocol
1。材料制备中的
- Microcapillaries石英毛细管从商业供应商。我们购买我们的毛细血管，从Polymicro技术。选择一个小的内径（〜25 - 30微米）为更广泛的分离光谱共振（ 即较大的自由光谱范围）或更大范围内的内直径（〜100微米），用于更紧密地间隔开的共振具有更高的质量因素。大外径保证了期货公司是耐用，易于控制。
- 毛细管配备的着色聚酰亚胺的外套，它必须首先除去。毛细管削减约10厘米的碎片辊，使用钻石光纤切割刀。每件作品构成一个样本。加热这些管式炉中在650℃下在氧气中燃烧掉涂层的1小时。这个过程将删除护套材料，露出石英毛细管内。冷却至室温后，取出capillariES从加热船。
- 氢倍半硅氧烷的解决方案氢硅倍半氧烷（HSQ）被报告给泗8 H 12 O 12的分子组成的笼状结构14，此材料是可从Dow Corning购得。购买HSQ在一个狐系列（流动氧化物）的解决方案，如FOX-15。这些解决方案是昂贵的，保质期有限，因此需要认真规划。蒸发的甲基异丁基酮溶剂中，提供了一个约18％（重量）浓度的HSQ。如果的HSQ的浓度太低时，量子点可以不形成在薄膜中。如果它太高，薄膜可能太厚，从毛细管的流道表面脱层。根据我们的经验，毛细管25-30μm内径〜25重量％的HSQ，福克斯的解决方案是最好的。因此，它可能是必要的蒸发或添加更多的HSQ溶剂（使确保它是干的）的，为了调整浓度。无论摊薄或集中是必要的，是难以确定的，未经审判和错误， 即让一些样品，检查结果，讨论如下。
2。制备涂层毛细管
- 填充毛细管毛细管准备步骤1.1和蘸到福克斯的解决方案。当毛细管浸入到溶液中，你应该是能够在视觉上跟随的弯液面的声道，被吸入到该溶液的毛细管（ 图2a）。
- 当弯液面到达顶部时，除去所述毛细管，并将其放置在一个玻璃退火坩埚。现在应该填写完整与狐狸的解决方案。重复此为尽可能多的样品，以增加成功的机会。我们通常运行批处理的20-30（重量），使用两种不同浓度的HSQ的解决方案。我们填补了空气中的毛细血管，但保持T他FOX溶液在手套箱冷却的建议，如果可能的话，以尽量减少暴露的氧气和水蒸汽的解决方案。即使是很小的风险，可能会导致凝胶化的解决方案。
- 退火退火中的毛细血管的两阶段的过程。退火蒸发溶剂和折叠的HSQ的笼形结构，形成的SiO x膜附着到通道壁。在更高的温度下退火歧化成Si量子点的 SiO x膜的二氧化硅基质中分散。退火步骤包括有30分钟的坡道从室温至300℃下，停留3小时，以使溶剂蒸发，然后一个坡道至1100℃，在45分钟，并停留一小时，以沉淀出量子点。
- 让毛细血管的缓慢冷却（〜12小时），回至室温。这有助于最小化毛细管壁上沉积的膜的压力相关的开裂。其他退火协议可能随后，可能是更可靠的，而是一个高温退火阶段在1,000-1,100℃下总是必要的，以形成量子点。在此步骤结束时，应该（希望）有20-30毛细管与嵌入在二氧化硅基质涂层的通道壁的荧光量子点层。
3。描述
- 抽样检查毛细血管安装必须进行成像和光谱在700〜900 nm波长范围内的荧光显微镜。落射荧光或共聚焦的设置适合于这一目的。候选毛细血管在舞台上放置一排，因此，它很容易为快速视觉分析（ 图2b）在它们之间移动。激发毛细管与蓝色或UV辐射可以在自由空间上的显微镜载物台，或直接通过使用分色滤光器的物镜，使用目镜观察荧光图像或彩色摄像机。
- 观察毛细荧光。如果制造成功，，毛细血管会呈现出鲜艳的红色荧光。这是一个良好的样本的第一个迹象。毛细血管呈现橙黄色荧光（而不是与量子点的相关的红色）一般不具有所需要的光学特性。这些样本也往往会形成更多的与HSQ低浓度的解决方案。一些毛细管可能没有显示在所有的荧光，在这种情况下形成的QD膜没有和毛细管（玻璃锐器）可以被丢弃。这是一个指示，该解决方案可能不会被吸入到所述毛细管，或它可能已被缺失的HSQ。最后，一些样品可能显示一个裂解或纹理的薄膜，这些也可以被丢弃。
- 丢弃除了那些鲜红的硅量子点的荧光特性在上一步中提到的所有样品。
- 检查存在的荧光光谱中的WGMS确保图像对准所希望的光谱仪的入射狭缝上，并收集的荧光光谱。调整的采集时间，以便产生一个可接受的信号 - 噪声比。执行根据需要的波长和强度的校准。的QD光谱应该是强烈的从700至900nm的波长范围内。从该地区采取相应的毛细管内壁的光谱显示出强劲的波动引起的圆柱回音壁模式（WGMS）的存在，这是一个成功的折射传感器的第二个到最后一个要求。
- 有些样品可能有一个明亮的红色量子点的荧光，但缺乏WGM振荡的频谱。这是一个迹象的QD膜破裂或剥离，从毛细血管壁，破坏了光学共振。 WGMS的情况下丢弃的毛细血管。在这一点上，仅（通常SMALL）部分的样品，以满足传感器的要求仍然存在。有要执行的最后一个测试。
- 折光率分析附加候选毛细管聚乙烯，聚乙烯，聚四氟乙烯，或其他管化学相容的与预期的分析物的解决方案，其内径应比毛细管的外径稍大。管道的选择应使得没有反应的解决方案被泵入所述毛细管。
- 使用一个良好的粘合剂将玻璃毛细管油管;否则毛细管油管接口会泄漏。我们有相当不错的成功使用诺兰NOA-76或吉祥物即时的粘合胶。胶水的选择取决于它的玻璃毛细管的油管，和一个缺乏与该通道流体反应的粘附性。请小心，以防止粘接剂渗透进入毛细通道，阻止它。
- 接口管通过注射器到micropumping系统。可以使用与公知的，如甲醇，乙醇和水的折射率的化合物的装置，以确定折射灵敏度。这是最后的考验，成功的传感器。每个流体，一次一个地，泵进入毛细管，确保不爆裂所述毛细管和所述管（ 图2c）之间的粘合密封。
- 毛细管内的各液体的收集光谱。在光路中使用的分析仪，TE偏振光WGMS（分析仪平行于毛细管轴）和TM偏振光WGMS（分析仪垂直于毛细管轴）来区分。应该有一个转变的波长在WGM共振，（TE或TM），在毛细管中的每个不同的解决方案。如果是没有可观察到的移位，量子点的膜过厚，WGMS不充分采样通道介质。在成功的样本，我们观察的灵敏度通常为5至15纳米每个解决方案折射率单位（RIU）。几乎所有的样品做显示WGMS展示出一种可测量的灵敏度，然而，通常只有一小部分制备的毛细管将显示WGMS。
4。数据分析
- 获得的荧光光谱的荧光光谱，您的样本。对于生物传感应用，该信道表面的特定分析物具有第一官能化。的QD膜的表面基本上是二氧化硅，所以存在许多表面修饰食谱。不管应用程序，最后的步骤是在数据处理和分析。
- 实现检测限低，需要测量小波谱的变化，最好的“移分辨率”应该是显着小于名义光谱分辨率或沥青。由于在光谱处理，必须小心。尤其是，在许多成像分光计完全水平的频谱可能不会被投影到CCD;分析之间，因此，如果在样本图像漂移垂直方向上的狭缝，假光谱的移位，也可以得到。使用任何手段是必要的，以确保不会发生这种情况， 例如使用的校准标准来确定的预计频谱的角度和纠正，减少样品的漂移影响，确保相同的CCD像素来获得所有光谱。
在图3中，其中出现的模式作为相应的通道壁的位置的强烈振荡的一个例子示出的光谱图像。使用Mathematica的计算机代码（或组喜欢你）进口的光谱图像，输出一维的光谱数据，进行曲线拟合和傅立叶分析的的WGM变化，如下所述。
- 实现检测限低，需要测量小波谱的变化，最好的“移分辨率”应该是显着小于名义光谱分辨率或沥青。由于在光谱处理，必须小心。尤其是，在许多成像分光计完全水平的频谱可能不会被投影到CCD;分析之间，因此，如果在样本图像漂移垂直方向上的狭缝，假光谱的移位，也可以得到。使用任何手段是必要的，以确保不会发生这种情况， 例如使用的校准标准来确定的预计频谱的角度和纠正，减少样品的漂移影响，确保相同的CCD像素来获得所有光谱。
- 曲线拟合确定的的WGM峰值波长测量光谱的变化，由于被分析物的我n的FCM通道。适合一个单一的模式，以一个函数来描述的频谱形状 - 这是一种常见的方式获得的峰值位置。在理想情况下，这将是一个洛伦兹功能（与适当的波长转换频率的单位通过δλ=│cδf/ F 2│其中 c是光速）：
在公式。图1中，A是一个缩放参数，f 0是中心频率。不幸的是，的FCM是不理想的情况下。- 在圆柱形空腔WGMS偏向更高的频率，有可能由于发展的螺旋共振（具有非零轴向分量的波矢WGMS）15洛伦兹适合因此表现不佳用于确定峰值位置。不幸的是，没有任何功能第在适应从一个分布的重叠Lorentzians的不断上升WGMS。在以往的工作16，我们认为，一个扭曲的洛伦兹17将提供更好的适合：
在这里，A和 B都倾斜参数。可以看出，在图4中，方程。 2式的数据比更适合。 1，但不幸的是，它没有物理WGMS的理论基础。
- 在圆柱形空腔WGMS偏向更高的频率，有可能由于发展的螺旋共振（具有非零轴向分量的波矢WGMS）15洛伦兹适合因此表现不佳用于确定峰值位置。不幸的是，没有任何功能第在适应从一个分布的重叠Lorentzians的不断上升WGMS。在以往的工作16，我们认为，一个扭曲的洛伦兹17将提供更好的适合：
- 傅立叶移位分析或者，数据可以使用离散付里叶变换处理，并测定相应的相移的傅立叶频谱。此方法利用的整个频谱的周期性，作为使用单个任意WGM相对。它不测量峰值波长位置，而是衡量一个整体平移一个给定的的WGM频谱相对于任意的基准频谱。
- 使用相位差Δφ为高功率的傅立叶成分，对应于主WGM光谱振荡，得到的光谱的移位。这对应于一个真实WGM频移的：
△F =Δφ（F MAX - F 分钟 ）/（2πk）的的，
其中 f 分钟和 f 最大是在光谱中的最小和最大频率。然而，多的信息可以被丢弃，如果只使用的主要成分，此外，截断的问题可能使其难以确定哪些组分是主要的一个。通常情况下，最好的结果需要一些试验和错误，选择了傅里叶成分。 - 移位定理，而不是使用所有的傅里叶组件。因此，对于一个纯粹的移位中，每个单独的组件移位比例为 k（ 与 k元件数目）。换言之，δφK = mk，其中的比例m是衡量真正的移位。总的频移因此，计算公式如下：
ΔF=米（六最大 - F min时）/（2π）。
这需要米以下方式获得的相位差ΔΦk为傅立叶组件中的一些或所有的线性拟合。 - 的线性关系ΔΦK = MK对于真实的数据，将有不确定性，由于噪声和背景信号，它可以有一个显着的效果，在低功耗的傅立叶分量。因此，我们建议的加权线性拟合，其中的每个组件的重量是它的功率成比例，以获得ΔΦK表 与斜率K表图。的频谱可以被过滤之前嵌合周围的主要成分，以除去两个高频率（ŇOISE）和低频（非耦合的荧光背景）。频率由式偏移。 4，然后将其转换成波长为单位。
- 不同于用于曲线拟合的情况下，一个WGM“波长”从未获得的，但相对于任意的参考光谱的整个频谱，而不是测量的波长偏移。然后，该过程重复进行，为每一个要分析的频谱。在此过程中的步骤如下：
- 光谱转换成频率为单位，以确保恒定的自由光谱范围。
- 选择所有班次将引用数据集（ 即第一个的WGM荧光光谱）。
- 插值获得的光谱均匀的频率间隔。
- 执行离散傅里叶变换，以获得各频谱的功率和相位分量。
- 对于所有的k部件的WGM的相位差频谱的移位值是需要的话，相对于对参考光谱。
- 查找使用主傅里叶分量只，所选组件或加权线性拟合的相位差的相移。这将使在WGM频谱和参考频谱之间的相位偏移 Δf或δλ。
- 通过收集重复光谱相同的分析物，可以被测量的光谱的移位中的错误（检测极限）。灵敏度的不确定性在从错误中的加权线性拟合，可以得到，如果使用多个组件。
- 使用相位差Δφ为高功率的傅立叶成分，对应于主WGM光谱振荡，得到的光谱的移位。这对应于一个真实WGM频移的：
重复步骤1-7为各分析。虽然这个过程听起来很复杂，在最初的实施过程是简单的自动化，从而使大型数据集可以批量处理找到的转变。我们使用专门编写的Mathematica代码FOR此程序，这样完整的数据集，可以批量处理“的按下一个按钮”。的原则，在光谱的变化，甚至可以计算出的“活”的，虽然我们没有这样做。
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Representative Results
在毛细管制造过程中的小偏差可以导致样品的成功率显着变化。在图5（广告），显示出有代表性失败的毛细血管，以及作为一个成功的例子。一般来说，一个成功的样品的视觉指示是在毛细血管壁和特征的内部具有高强度组合的红色荧光。荧光光谱也清楚地表明成功和失败之间的差异（ 图5e）。一个很好的样本定义（能见度≈0.5）的WGM振荡频谱。
作为分析物被泵入所述毛细通道（ 图6a）的设置可以被编程为连续地采取光谱。使用上面描述的技术，可以执行数据分析所有在WGM光谱，这应该转移不同的分析物被注入到毛细管上作为批处理作业。在这里，我们的结果显示为连续的时间序列（ 即的传感 ）水，甲醇，和最终乙醇依次进入通道被泵。只有在这种情况下，选择的主要傅立叶成分（ 图6b），给出的结果被认为是令人满意的，即使对于这种简单的分析。误差棒表示为100的第一测量（在通道中的水）的峰值位置的一个标准偏差。
传感操作这些设备（ 即连续的时间序列，而不是单一的静态测量）避免丢失潜在的有趣的功能分析。例如，我们看到在WGM用水和甲醇之间的移位数据中的“凹凸”，表示分析物具有更高的折射率比任一纯组分。事实上，水-甲醇的混合物是已知的，具有更高的折射率比任一纯相，19表明存在一个小的英里兴区域之间的两个解决方案。对于生物传感测量，我们预计，传感测量将是至关重要的性质和分析物结合的特异性。在图6c中 ，我们也看到，峰的位置的不确定性是晚上10点，这是大大小于110点的间距光谱仪。此改进是可行的，因为数据分析方法，该方法在这里可以检测位移的命令的数量级小于分光计间距。
最后，在毛细管的平均灵敏度可以得到的三种解决方案的净位移的，超过了相应的分析物的折射率范围。这将主要取决于膜的厚度和折射率。后者被称为是〜1.67，用类似的方法制备的在平坦的薄膜从椭偏测量。20对于一个30微米的内径，可以计算出理论上的最大灵敏度使用微扰理论方法，参考文献21使用圆柱形的解决方案，而不是球形的。使用这种方法，为1.33，第（n，l）的最大灵敏度=（1，190）模式附近的λ= 780nm的信道索引是等于25.7的膜厚度为265纳米的纳米/ RIU。实验的平均灵敏度为16.0纳米/ RIU在该波长范围内，表明膜的厚度是次优的。
图1。回音壁模式的微球（a）中一个LCORR（二），和FCM（三）的电场振幅。在后两种情况下，分析物是在通道内的微球中，分析物之外，因此，需要一个单独的腔室。径向模式的顺序是1，而角的顺序是53，52，一个第二65。
图2（a）在毛细管被浸入到一个解决方案中，FOX-15。虽然它不是在照片中，可以看到的弯液面，实验者可以观察到它上升通道。初步分析的显微镜载物台（b）一组最终毛细血管。一个445 nm激光入射中心附近最左边的毛细管;红色发光的硅量子点的荧光。这特别是在毛细管末端激烈，由于波导内的玻璃毛细管壁出现，（c）一个成功的毛细管保持在微流体分析设置。从右至左通过该信道从的微型泵（图中未示出）注入到毛细管的流体流量，并进入另一个管处置。
图3。甲典型WGM频谱。最上方的荧光图像显示光谱仪的入射狭缝的位置，沿着与相应的二维光谱图像。最后的一维谱提取是从盒装的地区。
图4，一个单一的模式提取的从毛细管WGM频谱中，并适合用纯洛伦兹（公式1;红线）和歪斜洛伦兹（公式2;蓝线）。而后者则显然提供了一个更好的适合，装修高峰一般是不会识别非常小的光谱变化的要求，实现低检测限的最佳选择。
图5。
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图6（a）一套光谱采取如甲醇，然后加入水，然后用乙醇，泵入所述毛细管。顺序从红到蓝光谱，（b）表示每个荧光谱的傅立叶功率谱。 40 个分量表示的主要观察WGM振荡。仅此组件的相应的相位差异，并绘在（c）后，转换成通过式的波长偏移。 4。误差线代表60测量的峰位移的一个标准偏差。插图示出的折射率范围从甲醇中乙醇的平均灵敏度超过。理论上，波长位移的增加而增加的折射率，并且因此没有严格线性的，在与所观察到的移位数据。
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Discussion
折射计传感器可以用作荧光核心的微腔。虽然有个别的例子，“卷”起来，可以作为微流体传感器，22相比，微管微管，毛细血管会更容易地集成到微流控的设置，并具有相当的实用的优点，因为它们很容易处理和分析简单的接口与设置。利用传统的傅立叶分析方法，是在至少一个数量级小于光谱系统的间距的波长偏移，可以被检测。这种方法也可以分为传感型测量系统的集成。
这些主要的FCM将液芯光环形谐振器（LCORRs）竞争。23,24,25 LCORRS是玻璃毛细管，已通过加热和拉，泵送进入通道HF溶解的内毛细管的表面，或加热和通货膨胀变薄与加压气体26这些处理的结果在毛细管与微米薄的壁，需要支持WGMS具有瞬逝尾巴进入毛细通道延伸。 LCORR已证明生物传感器的多种不同的目标分析物的检测。27,28,29,30
期货公司有几个明显的优势和限制比较LCORRs的。这两种器件依靠上的分析物通过毛细管通道的流动。两者都基于在硅胶上进行化学，可以采用类似的方法进行官能化。然而，分辨率和检测限的LCORR会更好，假设等效的数据分析方法，使用。这是因为的LCORRs的基础上，有一个非常高的采样速率，而的FCM使用常规分光计的精度可调谐激光测量。这降低了检测限（和潜在的31）的灵敏度的FCM。到目前为止，我们已取得的检出限，充其量Øf 10 -5左右RIU使用这种技术的变化，而 在LCORRs是标准值中的10 -6 RIU。另外一个问题是关于使用光谱仪在整个系统的成本。从硅量子点的荧光可以很容易地测量小尺寸，非冷却手持式光谱仪等设备的海洋光学USB2000一系列的（〜$ 2,000的费用）。然而，使用这样的设备的FCM将需要考虑和测试的实验装置，因为它可能是简单的，从毛细管的一个小区域，而无需使用显微镜的物镜和一个成像光谱仪获得WGM光谱。
LCORRs需要使用的装置，是既昂贵又难以操作“中的字段”，如一个可调谐激光和精确的纳米定位设备。此外，薄壁毛细管是既脆弱，难以处理。 FCM一样，与此相反，需要一个蓝色的光源，例如一simple激光二极管或LED，和光学投射的荧光成像光谱仪的入射狭缝上。 FCM也更健壮的比薄壁LCORR的。该方法也可以扩展到不同类型的荧光层，可以具有更高的效率和峰值波长不同，相比于Si-量子点。因此，选择一个优选的传感器（LCORR与FCM）可能会取决于期望的应用程序。如果存在的分析物的浓度非常低，低的检出限的LCORR将是有利的。如果方便使用，耐久性，成本和实验是主要关注的问题，那么FCM可以如果光谱仪可以集成而不使用荧光显微镜中是更好的选择。虽然具有显着不同的优点和局限性，这两种设备是很有前途的潜力分析物范围广泛的微流控分析。
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Disclosures
我们什么都没有透露。
Acknowledgments
这项研究是由加拿大NSERC。
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. |
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