Syntes och användning av fluorescerande-core mikrokaviteter för refraktometriska Sensing

Summary

Lysrör-core microcavity sensorer använder en hög index quantum-dot beläggning i kanalen av kiseldioxid mikrokapillärer. Förändringar i brytningsindex av fluider pumpas in i kapillärkanalen orsaken skiftar i microcavity fluorescensspektrumet som kan användas för att analysera kanalen mediet.

Abstract

Denna uppsats diskuterar fluorescerande centrala microcavity-baserade sensorer som kan användas vid en mikroflödessystem analys setup. Dessa strukturer är baserade på bildningen av en fluorescerande kvant-dot (QD) beläggning på kanalens yta av en konventionell mikrokapillär. Silicon QDs är särskilt attraktiva för denna applikation, delvis beroende på att deras försumbara toxicitet jämfört med II-VI och II-VI QDs förening, som genom lagstiftning är kontrollerade ämnen i många länder. Medan ensemble emissionsspektrum är bred och formlös, en Si-QD film på kanalväggen av en kapillär har en uppsättning skarpa, smala toppar i fluorescensspektrat, motsvarande de elektromagnetiska resonanserna för ljus fångas i filmen. Toppvåglängden av dessa resonanser är känslig för det externa mediet, vilket således medger anordningen att fungera som en refraktometrisk givare där QDs aldrig komma i fysisk kontakt med analyten. Den experimentellametoder i samband med tillverkningen av det fluorescerande kärnor mikrokapillärer diskuteras i detalj, liksom analysmetoderna. Slutligen görs en jämförelse mellan dessa strukturer och de mer använda undersökt vätska-core optiska resonatorer ring i form av mikroflödessystem avkänningsförmåga.

Introduction

Kemiska sensorer system som kräver endast små provvolymer och som kan införlivas i handhållna eller fält-manövreras enheter kan leda till utveckling av ett brett utbud av nya teknologier. Sådan teknik kan omfatta fältet diagnostik för sjukdomar och patogener, ¹ miljögifter, ² och livsmedelssäkerhet. ³ Flera tekniker aktivt utforskas mikroflödessystem kemiska sensorer, med enheter baserade på fysik Surface Plasmon resonanser (SPR) hör till de mest avancerade. ⁴ Dessa sensorer är nu kan upptäcka många specifika biomolekyler och har uppnått kommersiell framgång, men främst större skala laboratorieutrustning. ⁵

Under senare år har optiska mikrokaviteter stigit till konkurrera med SPR-baserade system. Mikrokaviteter kan vara otroligt känsliga, med påvisad förmåga att upptäcka enstaka virus ⁶ och kanske enstaka biomolekyler <supp> 7 (den senare är föremål för någon debatt, ⁸ men det finns ingen tvekan om att massan detektionsgränserna små ^9). I mikrokaviteter, förlitar sig detektering mekanismen om förändringar i de optiska resonanser orsakade av närvaron av en analyt i den elektriska fältprofilen i resonans. Typiskt kommer en given analyt orsaka resonans att förändras i centrala frekvens, synlighet, eller linjebredd. Som med SPR-system, kan mikrokaviteter fungera som icke-specifika refraktometriska sensorer, eller som biosensorer funktionaliserade för en särskild analys.

Dielektriska mikrostrukturer med cirkulärt tvärsnitt (t.ex. mikrosfärer, diskar eller cylindrar) kännetecknas av elektromagnetiska resonanser som kallas Whispering Gallery lägen, eller WGMS, ett begrepp som går tillbaka till Lord Rayleigh: s undersökningar av analoga akustiska effekter. Huvudsak ^10, en optisk WGM uppstår när en våg circumnavigates cirkulärt tvärsnitt sektion genom total inre reflektion, och återgår till sin utgångspunkt i fas. Ett exempel på en elektromagnetisk resonans för en kiseldioxid mikrosfär illustreras i figur 1a. Denna resonans kännetecknas av ett maximum i den radiella riktningen (n = 1), medan totalt 53 våglängder passar runt ekvatorn (l = 53), är endast några av vilka visas. Den evanescenta delen av fältintensiteten sträcker sig in i mediet utanför sfärens gräns, alltså mikrosfären WGM kan känna det externa mediet.

Kapillärer är ett speciellt intressant exempel på ett WGM-baserad sensor. I en kapillär, cylindriska WGMS kan bildas runt cirkulärt tvärsnitt, liknande fallet för en sfär. Om kapillärväggen är mycket tunn, sträcker sig delvis i det elektromagnetiska fältet i kapillärkanalen (figur 1b). Sålunda, kan en kapillär vara en mikroflödessystem sensor för analyter injiceras i kanalen. Detta är basis drift av flytande kärna optiska ringresonator (LCORR). ¹¹ LCORRs lita på försvinnande koppling av ljus från en precision avstämbar laserkälla för att undersöka WGMS. En viktig aspekt av LCORR är att de kapillära väggarna måste vara tunn (~ 1 | im) för att säkerställa att läget samplar kanal mediet. Detta placerar vissa svårigheter på deras tillverkning och får dem att vara mekaniskt bräcklig.

I vårt arbete har vi utvecklat en alternativ struktur vi kallar en fluorescerande kärna microcavity (FCM). ^12,13 att bilda en FCM, vi täcker kanalen väggarna i en kapillär med en hög brytningsindex fluoroforen (specifikt ett lager av oxid-inbäddade kisel kvantprickar). Den högt index av filmen krävs för att begränsa den utsända strålningen, därigenom bygga upp WGMS (figur 1c). I motsats till LCORR, i en FCM lägena visas som skarpa maxima i en emitterade fluorescensspektrumet. Tjockleken av denFilmen är av avgörande betydelse, om det är för tjockt WGM inte prov mediet i kapillärkanalen, och om det är alltför tunt den optiska inneslutning förloras och WGMS blir svaga. Sålunda är tillverkningen av en FCM en svår process, som kräver noggrann förberedelse. Detta är huvudämnet för den aktuella papperet.

Protocol

1. Beredning av material Mikrokapillärer Skaffa kiseldioxid kapillärer från en kommersiell leverantör. Vi köper våra kapillärer från Polymicro Technologies. Välj en liten innerdiameter (~ 25 till 30 | im) för mer vitt åtskilda spektrala resonanser (dvs. en större fria spektralområdet) eller en större innerdiameter (~ 100 | im) för mer tätt placerade resonanser med högre kvalitetsfaktorer. En stor ytterdiameter säkerställer FCMs är slitstarka och lättmanipulerade….

Representative Results

Små avvikelser i kapillära tillverkning förfarandet kan leda till betydande förändringar i provet framgång. I figur 5 (ad), visar vi representativa exempel på misslyckades kapillärer samt en lyckad en. Generellt är den visuella indikeringen av en framgångsrik prov en röd fluorescens i kombination med en hög intensitet på kapillärväggarna och en formlös interiör. Fluorescensspektrat visar också tydligt skillnaden mellan framgång och misslyckande (figur 5e). En bra prov…

Discussion

Lysrör-core mikrokaviteter kan användas som refraktometriska sensorer. Även om det finns enstaka exempel på "rullas upp" mikrorör som kan fungera som mikroflödessystem sensorer, ²² jämfört med mikrorör kommer kapillärerna vara lättare att integreras i mikroflödessystem uppställningar och har stora praktiska fördelar, eftersom de är lätta att hantera och enkel att samverka med en analys setup. Med användning av konventionella Fourier analysmetoder kan våglängd skift som är minst e…

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.