סינתזה והפעלה של microcavities פלורסנט ליבות לחישת Refractometric
Summary
חיישני microcavity פלורסנט ליבות להעסיק גבוה ציפוי מדד קוונטים-dot בערוץ של סיליקה microcapillaries. שינויים במקדם השביר של נוזלים נשאבים לתוך סיבת ערוץ נימי המשמרות בספקטרום פלואורסצנטי microcavity שניתן להשתמש בו כדי לנתח את מדיום הערוץ.
Abstract
נייר זה דן בחיישני ליבת ניאון microcavity מבוסס שיכול לפעול בהתקנת ניתוח microfluidic. מבנים אלה מבוססים על היווצרות קוונטים-dot ציפוי ניאון (QD) על פני השטח של ערוץ microcapillary הקונבנציונלי. QDs הסיליקון הם אטרקטיבי במיוחד ליישום זה, בשל בחלקו לרעילות הזניחה בהשוואה לII-VI וQDs המתחם II-VI, אשר נשלטים חומרי תחיקה במדינות רבות. בעוד ספקטרום פליטת ההרכב הוא רחב וחסר ייחוד, סרט Si-QD על קיר הערוץ של תכונות נימי סט של פסגות חדות, צרות בספקטרום הקרינה, המקבילה לתהודות אלקטרומגנטיים לאור הלכוד בתוך הסרט. גל השיא של תהודות אלה רגיש למדיום החיצוני, ובכך מאפשר למכשיר לתפקד כחיישן refractometric בי QDs לא בא במגע פיזי עם את אנליטי. הניסויישיטות הקשורות לייצור של microcapillaries ניאון הליבות הם דנו בפירוט, כמו גם את שיטות הניתוח. לבסוף, השוואה נעשית בין המבנים הללו ואת תהודת הטבעת האופטית חקר נרחבת יותר נוזלי הליבה, במונחים של יכולות חישת microfluidic.
Introduction
מערכות חישה כימית הדורשות נפחי מדגם קטנים בלבד, וכי ניתן לשלב את התקני כף יד או שדה מפורמטים יכולות להוביל לפיתוח של מגוון רחב של טכנולוגיות חדשות. טכנולוגיות מסוג זה יכול לכלול אבחון שדה למחלות ומזיקים, 1, 2 מזהמים סביבתיים ובטיחות מזון. 3 מספר טכנולוגיות נבדקות באופן פעיל לחיישנים כימיים microfluidic, עם מכשירים הבוסס על הפיזיקה של תהודות plasmon שטח (SPR) מהמתקדמים ביותר. 4 חיישנים אלה נמצאים כעת מסוגלים לאתר ביומולקולות ספציפית רבה וזכו להצלחה מסחרית, אם כי בעיקר כציוד מעבדה בקנה מידה גדול. 5
בשנים האחרונות, microcavities האופטי עלה להתחרות עם מערכות SPR מבוססים. Microcavities יכול להיות רגיש להפליא, עם יכולת מוכחת לגילוי וירוסים בודדים 6 ואולי אפילו היחידה ביומולקולות <sעד> 7 (אשר נותר שנוי במחלוקת כלשהי, 8 אך אין ספק שמגבלות זיהוי ההמוניות הן 9 קטנים). בmicrocavities, מנגנון זיהוי מסתמך על שינויים בתהודות האופטיות הנגרמות על ידי הנוכחות של אנליטי במסגרת פרופיל השדה החשמלי של התהודה. בדרך כלל, אנליטי נתון יגרום לשינוי בתהודה בתדר מרכזי, ראות, או linewidth. כמו במערכות SPR, microcavities יכול לשמש כחיישני refractometric אינם ספציפיים, או כbiosensors פונקציונלי לניתוח ספציפי.
microstructures דיאלקטרי עם חתך עגול (למשל microspheres, דיסקים, או צילינדרים) מתאפיין בתהודות אלקטרומגנטיים המכונות מצבים לוחשים הגלריה, או WGMs, מונח שראשיתה בחקירות של הלורד Rayleigh של אפקטים אקוסטיים מקבילים. 10 בעיקרון, WGM אופטי מתרחש כאשר גל circumnavigates צלב של מעגליection ידי השתקפות מוחלטת פנימית, וחוזר לנקודת ההתחלה שלו בשלב זה. דוגמה לתהודה אלקטרומגנטית לmicrosphere סיליקה מודגמת באיור 1 א. תהודה זו מאופיינת במקסימום אחד בכיוון רדיאלי (n = 1), ואילו סך של 53 אורכי גל שיתאים סביב הקו המשווה (l = 53), רק שחלקם הראה. חלק החלוף של עוצמת השדה משתרע לתוך המדיום מחוץ לגבולות התחום, ולכן WGM microsphere יכול לחוש את המדיום החיצוני.
נימים הן דוגמה מעניינת במיוחד של חיישן WGM מבוסס. בעוד WGMs נימים, גלילי יכול להיוצר סביב החתך העגול, דומה למקרה לכדור. אם קיר הנימים דק מאוד, חלק מהשדה האלקטרומגנטי משתרע לתוך ערוץ הנימים (האיור 1b). לפיכך, נימים יכולות להיות חיישן microfluidic לanalytes הוזרק לתוך הערוץ. זה באס של מבצע של טבעת נוזלי ליבה האופטית מהוד (LCORR) 11. LCORRs להסתמך על הצימוד החולף של אור ממקור ליזר דיוק tuneable לחקור את WGMs. היבט חשוב של LCORR הוא שקירות הנימים חייבים להיות רזים (~ 1 מיקרומטר) כדי להבטיח שאת הדגימות במצב בינונית הערוץ. זה מציב כמה קשיים בייצורם וגורם להם להיות שביר מכאני.
בעבודה שלנו, פתחו מבנה חלופי שאנו מכנים microcavity ליבת ניאון (FCM). 12,13 כדי ליצור FCM, אנו מעייל קירות הערוץ של נימים עם fluorophore גבוה שבירת מדד (במיוחד, שכבה נקודתי התחמוצת סיליקון משובץ קוונטים). המדד הגבוה של הסרט נדרש להגביל את הקרינה הנפלטת, ובכך לבנות את WGMs (האיור 1 ג). בניגוד לLCORR, בFCM המצבים להופיע כmaxima חד בספקטרום נפלט פלואורסצנטי. העובי שלסרט הוא חשוב וקריטי, ואם הוא סמיך מדי WGM לא לטעום את המדיום בערוץ הנימים, ואם הוא דק מדי כליאה האופטית אבד וWGMs להיות חלש. לפיכך, הייצור של FCM הוא תהליך קשה, שדורש הכנה מדוקדקת. זה הנושא המרכזי של המאמר הנוכחי.
Protocol
Representative Results
Discussion
microcavities פלורסנט ליבות יכול לשמש כחיישני refractometric. אמנם יש דוגמאות בודדות של microtubes "מגולגל" שיכול לשמש כחיישני microfluidic, 22 בהשוואה לmicrotubes, נימים תהיינה קלות יותר להשתלב setups microfluidic ויש יתרונות מעשיים רבים, שכן הם טפלו בקלות ופשוטה לממשק עם ניתוח התקנה. שימוש בשי…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה מומן על ידי NSERC, קנדה.
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.
References
- Mairhofer, J., Roppert, K., Ertl, P. Microfluidic Systems for Pathogen Sensing. A Review. Sensors. 9, 4804-4823 (2009).
- Jokerst, J. J., Emory, J. M., Henry, C. S. Advances in microfluidics for environmental analysis. Analyst. 137, 24-34 (2012).
- Neethirajan, N., Kobayashi, K., et al. Microfluidics for food, agriculture and biosystems industries. Lab on a Chip. 11, 1574-1586 (2011).
- Amarie, D., Alileche, A., et al. Microfluidic Devices Integrating Microcavity Surface-Plasmon-Resonance Sensors: Glucose Oxidase Binding-Activity Detection. Analytical Chemistry. 82, 343-352 (2010).
- Vollmer, F., Arnold, S., Keng, D. Single virus detection from the reactive shift of a whispering-gallery mode. PNAS. 105, 20701-20704 (2008).
- Armani, A. M., Kulkarni, R. P., et al. Single-Molecule Detection with Optical Microcavities. Science. 317, 783-787 (2007).
- Arnold, S., Shopova, I., Holler, S. Whispering gallery mode bio-sensor for label-free detection of single molecules: thermo-optic vs. reactive mechanism. Optics Express. 18, 281-287 (2009).
- Vollmer, F., Braun, D., et al. Protein detection by optical shift of a resonant microcavity. Applied Physics Letters. 80, 4057-4059 (2002).
- Rayleigh, L. The problem of the whispering gallery. Philosophical Magazine. 20, 115-120 (1910).
- White, I. M., Oveys, H., Fan, X. Liquid-core optical ring-resonator sensors. Optics Letters. 9, 1319-1321 (2006).
- Rodriguez, J. R., Bianucci, P., et al. Whispering gallery modes in hollow cylindrical microcavities containing silicon nanocrystals. Applied Physics Letters. 92, 131119 (2008).
- Bianucci, P., Rodriguez, J. R., et al. Whispering gallery modes in silicon nanocrystal coated microcavities. Physica Status Solidi A. 206, 965 (2009).
- Hessel, C. M., Henderson, E. J., et al. Hydrogen Silsesquioxane: A Molecular Precursor for Nanocrystalline Si-SiO2 Composites and Freestanding Hydride-Surface-Terminated Silicon Nanoparticles. Chemistry of Materials. 18, 6139-6146 (2006).
- Poon, A. W., Chang, R. K., Lock, J. A. Spiral morphology-dependent resonances in an optical fiber: effects of fiber tilt and focused Gaussian beam illumination. Opt. Lett. 23, 1105-1107 (1998).
- Silverstone, J. W., McFarlane, S., Manchee, C. P. K., Meldrum, A. Ultimate resolution for sensing with microcavities. Optics Express. 20, 8284-8295 (2012).
- Stancik, A. L., Brauns, E. B. A simple asymmetric lineshape for fitting infrared absorption spectra. Vibrational Spectroscopy. 47, 66-69 (2008).
- Lomb, N. R. Least-squares frequency analysis of unequally spaced data. Astrophysics and Space Science. 39, 447-462 (1976).
- Scott, R. P. W. The thermodynamic properties of methanol-water association and its effect on solute retention in liquid chromatography. Analyst. 125, 1543-1547 (2000).
- Manchee, C. P. K., Zamora, V., et al. Refractometric sensing with fluorescent-core microcavities. Optics Express. 19, 21540-21551 (2011).
- Teraoka, I., Arnold, S. Enhancing Sensitivity of a Whispering Gallery Mode Microsphere Sensor by a High-Refractive Index Surface. Layer. J. Opt. Soc. Am. B. 23, 1434-1441 (2006).
- Huang, G., Bolanos Quinones, V. A., et al. Rolled-up optical microcavities with subwavelength wall thicknesses for enhanced liquid sensing applications. ACS Nano. 4, 3123-3130 (2010).
- Fan, X. D., White, I. M., et al. Overview of novel integrated optical ring resonator bio/chemical sensors. Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). 6452, M4520-M4520 (2007).
- White, I. M., Zhu, , et al. Refractometric sensors for lab-on-a-chip based on optical ring resonators. IEEE Sensors J. 7, 28-35 (2007).
- Li, H., Fan, X. Characterization of sensing capability of optofluidic ring resonator biosensors. Applied Physics Letters. 97, 011105 (2010).
- Zamora, V., Díez, A., et al. Refractometric sensor based on whispering gallery modes of thin capillaries. Optics Express. 15, 12011-12016 (2007).
- Suter, J. D., White, I. M., et al. Label-free quantitative DNA detection using the liquid core optical ring resonator. Biosensors and Bioelectronics. 23, 1003-1009 (2008).
- White, I. M., Oveys, H., et al. Integrated multiplexed biosensors based on liquid core optical ring resonators and antiresonant reflecting optical waveguides. Applied Physics Letters. 89, 191106 (2006).
- Yang, G., White, I. M., Fan, X. An opto-fluidic ring resonator biosensor for the detection of organophosphorus pesticides. Sensors and Actuators B: Chemical. 133, 105-112 (2008).
- Zhu, H., Dale, P. S. Rapid and Label-Free Detection of Breast Cancer Biomarker CA15-3 in Clinical Human Serum Samples with Optofluidic Ring Resonator Sensors. Anal. Chem. 81, 9858-9865 (2009).
- Redding, B., Marchena, E., et al. Comparison of raised-microdisk whispering-gallery-mode characterization techniques. Optics Letters. 35, 998-1000 (2010).
