Síntese e Operação de Fluorescente-core microcavidades de Sensoriamento refractométricos

Summary

Os sensores fluorescentes de núcleo microcavidade empregar um alto índice de revestimento quantum dot-no canal de sílica microcapilares. As mudanças no índice de refracção dos fluidos bombeados para a causa do canal capilar se desloca no espectro de fluorescência microcavidade que pode ser utilizado para analisar o meio do canal.

Abstract

Este artigo discute fluorescentes núcleo microcavidade sensores baseados em que podem operar em uma configuração de análise de microfluídica. Estas estruturas são baseadas na formação de um fluorescente quantum dot-revestimento (QD) sobre a superfície de canal de um microcapilar convencional. QDs silício são especialmente atractivo para esta aplicação, devido em parte à sua toxicidade insignificante comparado com o II-VI e QDs II-VI compostos, os quais são controlados legislativamente substâncias em muitos países. Embora o espectro de emissão conjunto é ampla e sem características, uma película de Si-QD na parede do canal capilar de Características de um conjunto de cortantes, picos estreitos no espectro de fluorescência, que corresponde às ressonâncias electromagnéticas de luz aprisionada dentro do filme. O comprimento de onda de pico de estas ressonâncias é sensível ao meio externo, permitindo assim que o dispositivo funcione como um sensor refractométrico em que nunca os QDs entrar em contacto físico com o analito. O experimentalmétodos associados com a fabricação do microcapilares fluorescente de núcleo são discutidos em detalhe, assim como os métodos de análise. Por fim, é feita uma comparação entre as estruturas e as mais amplamente investigada líquido do núcleo de anéis ópticos ressonadores, em termos de capacidades de detecção microfluidicos.

Introduction

Sistemas de detecção químicos que requerem volumes de amostra apenas pequenas e que podem ser incorporadas em dispositivos portáteis ou campo-operável poderia levar ao desenvolvimento de uma ampla gama de novas tecnologias. Essas tecnologias podem incluir o diagnóstico no campo de doenças e patógenos, contaminantes ambientais ^{1, 2} e segurança alimentar. ³ Várias tecnologias estão sendo ativamente explorada para sensores químicos microfluídicos, com dispositivos baseados na física de ressonâncias de plasmons de superfície (SPR) entre os mais avançados. ⁴ Estes sensores são agora capazes de detectar várias biomoléculas específicas e obtiveram sucesso comercial, embora principalmente em larga escala equipamento de laboratório. ⁵

Em anos recentes, têm aumentado microcavidades ópticas para competir com os sistemas baseados em SPR. Microcavidades pode ser incrivelmente sensível, com a capacidade demonstrada para detectar vírus individuais ⁶ e talvez até biomoléculas individuais <saté> 7 (este último continua a ser objecto de algum debate, ⁸ porém, não há dúvida de que os limites de detecção em massa são ⁹ pequeno). Em microcavidades, o mecanismo de detecção baseia-se em alterações nas ressonâncias ópticos devido à presença de um analito no interior do perfil do campo eléctrico da ressonância. Tipicamente, para um dado analito irá causar a ressonância de mudar no em frequência central, a visibilidade, ou a largura de linha. Tal como acontece com os sistemas de SPR, de microcavidades podem actuar como não específicos refractométricos sensores, ou como biossensores funcionalizados para uma análise específica.

Microestruturas dielétricas com uma secção circular (por exemplo, microesferas, discos ou cilindros) são caracterizadas por ressonâncias eletromagnéticas conhecidas como os modos Galeria sussurrando, ou WGMS, um termo que remonta a investigações Senhor Rayleigh de efeitos acústicos análogos. ¹⁰ Essencialmente, um WGM óptica ocorre quando uma onda circumnavigates a circular sexão por reflexão total interna, e retorna para o seu ponto de partida na fase. Um exemplo de uma ressonância electromagnética, para uma microesfera de sílica encontra-se ilustrada na figura 1a. Esta ressonância é caracterizado por um máximo na direcção radial (n = 1), enquanto que um total de 53 comprimentos de onda se ajustar em torno do equador (l = 53), das quais apenas algumas são mostrados. A parte evanescente da intensidade de campo se estende para o meio do lado de fora do limite esfera, assim o WGM microsfera pode sentir o meio externo.

Capilares são um exemplo particularmente interessante de um sensor baseado em WGM. Em um capilar, WGMS cilíndricos podem formar em torno da secção transversal circular, semelhante ao caso de uma esfera. Se a parede do capilar é muito fina, a parte do campo electromagnético prolonga-se para dentro do canal capilar (Figura 1b). Assim, um tubo capilar pode ser um sensor de microfluidos para analitos injectados para dentro do canal. Esta é a basis de funcionamento do anel de núcleo líquido ressoador óptico (LCORR). LCORRs ¹¹ dependem do acoplamento evanescente de luz a partir de uma fonte de laser de alta precisão ajustável para sondar as WGMS. Um aspecto importante da LCORR é que as paredes capilares devem ser finos (~ 1 mm) para assegurar que as amostras de modo a meio do canal. Isto coloca algumas dificuldades no seu fabrico e faz com que sejam mecanicamente frágeis.

No nosso trabalho, nós desenvolvemos uma estrutura alternativa chamamos uma microcavidade núcleo fluorescente (FCM). ^12,13 Para formar uma FCM, que revestir as paredes do canal de um capilar com um fluoróforo elevado índice de refracção (especificamente, uma camada de óxido de silício incorporado pontos quânticos). O índice elevado da película é necessária para limitar a radiação emitida, construindo assim as WGMS (Figura 1c). Em contraste com a LCORR, num dos modos de FCM aparecem como maxima afiado em um espectro de fluorescência emitida. A espessura dapelícula é extremamente importante e, se ele for muito espesso a WGM não experimentar o meio do canal capilar, e se for muito fina o confinamento óptico é perdida e as WGMS tornam-se fracas. Assim, a fabricação de um FCM é um processo difícil, exigindo uma preparação cuidadosa. Este é o tema principal do trabalho atual.

Protocol

1. Preparação dos Materiais Microcapilares Obter capilares de sílica a partir de um fornecedor comercial. Nós compramos o nosso capilares de Polymicro Technologies. Escolha um diâmetro interno pequeno (~ 25-30 mm) para mais amplamente separados ressonâncias espectrais (ou seja, uma maior gama espectral livre) ou um diâmetro interno maior (~ 100 mm) para ressonâncias mais espaçadas com fatores de maior qualidade. Um grande diâmetro exterior garante os FCMs são duráveis ​…

Representative Results

Pequenos desvios no processo de fabricação capilar pode conduzir a alterações significativas na taxa de sucesso de amostra. Na Figura 5 (anúncio), mostramos exemplos representativos de capilares falhou, assim como um sucesso. Geralmente, a indicação visual de uma amostra de sucesso é uma fluorescência vermelha combinada com uma intensidade elevada para as paredes capilares e um interior featureless. O espectro de fluorescência também indica claramente a diferença entre o sucesso eo fracasso …

Discussion

Fluorescent-core microcavidades podem ser usados ​​como sensores de refractométricos. Embora haja exemplos isolados de "enroladas" microtubos que possam agir como sensores microfluídicos, em comparação com ²² microtubos, capilares, será mais fácil de integrar em configurações microfluidicos e têm consideráveis ​​vantagens práticas, uma vez que são facilmente manuseadas e simples para fazer a interface com uma análise configuração. Utilizando métodos de análise convencionais …

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.