Синтез и эксплуатация Флуоресцентные-ядерный Микрополости для Рефрактометрические зондирования

Резюме

Флуоресцентные-ядерный датчики МР используют высоким индексом квантовых точек покрытия в канале кремнезема микрокапиллярах. Изменение показателя преломления жидкости закачивают в капиллярной причиной канала смещается в спектре флуоресценции микрополости, которые могут быть использованы для анализа канала среде.

Аннотация

В настоящем документе рассматриваются основные флуоресцентные микрополости на основе датчиков, которые могут работать в микрофлюидных настройки анализа. Эти структуры на основе формирования флуоресцентных квантовых точек (КТ) покрытия на поверхности канала от обычного микрокапиллярной. Кремний КТ являются особенно привлекательными для данного приложения, отчасти из-за их незначительной токсичностью по сравнению с II-VI и II-VI КТ соединение, которое законодательно регулируемых веществ во многих странах. В то время как спектр излучения ансамбля широк и безликие, Si-QD пленки на стенке канала капиллярного особенности набора острые, узкие пики в спектре флуоресценции, соответствующие электромагнитные резонансы на свет в ловушке в фильме. Пик волны эти резонансы чувствительны к внешней среде, что позволяет устройству работать в качестве датчика рефрактометрического, в которых КТ никогда не вступать в физический контакт с анализируемым веществом. Экспериментальныеметоды, связанные с изготовлением флуоресцентных основных микрокапиллярах обсуждается в деталях, а также методы анализа. Наконец, сравнение между этими структурами и более широко исследуемой жидкости ядра оптических резонаторов кольца, с точки зрения микрофлюидных зондирования.

Введение

Химическая зондирования системы, которые требуют лишь небольших объемов образца и которые могут быть включены в ручной или поле открывающиеся устройства может привести к развитию широкого спектра новых технологий. Такие технологии могут включать в себя поле для диагностики заболеваний и патогенных микроорганизмов, ¹ загрязнителей окружающей среды, ² и безопасности пищевых продуктов. ³ Несколько технологий в настоящее время активно изучаются для микрофлюидных химические сенсоры, с устройствами на базе физики поверхностных плазмонных резонансов (SPR) одними из самых передовых. ⁴ Эти датчики теперь способен обнаруживать многие специфические биомолекулы и добились коммерческого успеха, хотя в основном как крупномасштабные лабораторного оборудования ^5.

В последние годы, оптических микрорезонаторов поднялись, чтобы конкурировать с SPR-систем. Микрополости может быть удивительно чувствительны, с продемонстрировал способность обнаруживать вирусы одного ⁶ и, возможно, даже одной биомолекулы 7 (последняя остается предметом некоторых дебатов, ^8, однако нет никаких сомнений в том, что ограничения массы обнаружения малых ^9). В микрорезонаторах, механизм обнаружения зависит от изменений в оптических резонансов, вызванных наличием аналита в электрическом поле профиля резонанса. Как правило, данный аналита вызовет резонанс изменить в в центральной частоты, видимость, или ширина линии. Как и SPR систем, микрорезонаторах может выступать в качестве неспецифической рефрактометрического датчики, или в качестве биосенсоров функциональными для конкретного анализа.

Диэлектрических микроструктур с круглым поперечным сечением (например, микросферы, диски или цилиндры) характеризуются электромагнитного резонанса известны как шепчущей галереи, или гроссмейстеров, термин восходит к исследованиям лорда Рэлея аналогичных акустических эффектов ^10. Существу, оптические WGM происходит, когда волна circumnavigates круглого сечения сперегиба на полное внутреннее отражение, и возвращается к своей отправной точкой в ​​фазу. Например электромагнитного резонанса для микросфер диоксида кремния показана на рисунке 1а. Этот резонанс характеризуется одним максимумом в радиальном направлении (п = 1), а в общей сложности 53 длин волн соответствовать вокруг экватора (L = 53), лишь некоторые из которых показаны. Затухающих части поля распространяется в среде вне сферы границей, таким образом микросферы WGM чувствую внешней среды.

Капилляры являются особенно интересный пример WGM на основе датчика. В капилляр, цилиндрическая гроссмейстеров могут образовываться вокруг круглого сечения, как и в случае для сферы. Если стенки капилляра очень тонкая, часть электромагнитного поля распространяется в капиллярный канал (рис. 1б). Таким образом, капиллярный может быть микрофлюидных датчик для аналитов вводят в канал. Это бASIS работы жидкого ядра оптической кольцевой резонатор (LCORR) ^11. LCORRs полагаться на затухающих связи света с точностью перестраиваемый лазерный источник для исследования гроссмейстеров. Важным аспектом является то, что LCORR стенки капилляров должна быть тонкой (~ 1 мкм), чтобы гарантировать, что режим образцы канала среде. Это накладывает определенные трудности на их изготовление и заставляет их быть механически хрупкой.

В нашей работе, мы разработали альтернативную структуру мы называем флуоресцентные микрополости ядра (ТСМ). ^12,13 Для формирования ТСМ, мы пальто стенки канала капиллярного с высоким показателем преломления флуорофора (в частности, слой Оксид встраиваемый кремниевых квантовых точек). Высокий индекс пленки необходимо ограничить излучения, тем самым созданию гроссмейстеров (рис. 1в). В отличие от LCORR, в FCM режимы выглядят как резкие максимумы в испускаемого спектра флуоресценции. ТолщинаФильм является критически важным, если он слишком толстый WGM не попробовать среды в капиллярный канал, и если оно слишком тонкое оптическое ограничение теряется и гроссмейстеров становятся слабыми. Таким образом, изготовление FCM является сложным процессом, требующим тщательной подготовки. Это основной теме данной работы.

протокол

1. Подготовка материалов

1. Микрокапиллярах Получить кремния капилляры от коммерческих поставщиков. Мы покупаем наши капилляры от Polymicro технологий. Выберите небольшой внутренний диаметр (~ 25 - 30 мкм) для более удаленных друг от друга спектральных резонансов (т.е. больший свободный спектральный диапазон) или большего внутреннего диаметра (~ 100 мкм) для более близко расположенных резонансов с более высокой добротностью. Большой наружный диаметр обеспечивает ФУМ прочны и легко манипулировать.
   1. Капилляры поставляются с цветными полиимида куртки, которые сначала должны быть удалены. Отрежьте примерно 10-см куски капиллярной из рулона, используя алмазный слой ножом. Каждая часть представляет собой единый образец. Нагрейте их в трубчатой ​​печи при температуре 650 ° C в течение одного часа кислород, чтобы сжечь покрытие. Этот процесс удаляет материал куртки, обнажая кварцевую капиллярную внутри. После охлаждения до комнатной температуры, удалить capillariES с отоплением лодки.
2. Водород silsesquioxane решения водорода silsesquioxane (HSQ), как сообщается, состоит из H ₁₂ Si ₈ O ₁₂ молекул с клеткой-подобной структуры ^14. Данный материал доступен в продаже от компании Dow Corning. Покупка HSQ в одном из своих Fox-серии (текучий оксид) решений, таких как лисы-15. Эти решения являются дорогими и имеют ограниченный срок хранения, поэтому тщательное планирование необходимо. Испарения растворителя MIBK предоставляет HSQ концентрации примерно 18% по весу. Если HSQ концентрация слишком мала, квантовых точек не могут образоваться в фильме. Если она слишком высокая, фильмы могут быть слишком толстыми и расслаиваться от капиллярной поверхности канала. По нашему опыту, для капилляра с 25-30 мкм, внутренний диаметр, решение Фокс, содержащих ~ 25 мас.% HSQ лучше. Таким образом, это может быть необходимо для испарения или добавить больше HSQ растворителя (убедившись, что она сухая), чтобы отрегулироватьконцентрацией. Если разведение или концентрацию необходимо определить трудно без проб и ошибок, то есть сделать некоторые образцы и проанализировать результаты, как описано ниже.

2. Изготовление покрытием капилляров

1. Заполнение капилляра Возьмите кусочки капиллярной полученного на стадии 1.1 и опустите их в раствор Фокс. Когда капилляр погружают в раствор, вы должны быть в состоянии визуально следить мениска до канала, как решение втягивается в капилляр (рис. 2а).
   1. Когда мениска достигает вершины, удаление капиллярных и поместить его в стеклянную отжига тигле. Теперь он должен быть полностью заполнены раствором Фокс. Повторите эту процедуру для, как многие образцы как это возможно, чтобы увеличить шансы на успех. Мы обычно работают партиями 20-30 и использовать два различных концентраций HSQ решений по весу. Мы заполняем капилляров в воздухе, но сохраняя тОн Fox решение охлажденная в перчаточный ящик рекомендуется, если это возможно, в целях сведения к минимуму воздействия на решение паров воды и кислорода. Даже небольшое воздействие может привести к гелеобразования раствора.
2. Отжиг Отжиг капилляров в два этапа. Отжиг испаряется растворитель и разрушается HSQ структуру клетки, образуя фильм SiO _х присоединении к стенкам канала. Отжиг при более высоких температурах диспропорционирует фильм SiO _х в Si квантовыми точками, диспергированных в матрице диоксида кремния. Отжига шаги включают в себя 30-минутный рампы от комнатной температуры до 300 ° C, останавливаться в течение 3 часов для испарения растворителя, то рампы до 1100 ° C в течение 45 минут, и останавливаться в течение одного часа для осаждения КТ.
   1. Пусть капилляров медленно охлаждают (~ 12 часов) до комнатной температуры. Это помогает свести к минимуму связанные со стрессом растрескивания пленки, нанесенной на стенки капилляра. Другие протоколы могут отжигавероятно, будет следовать, и может быть более надежной, но высокой температуры отжига сцене в 1000-1100 ° C, всегда необходимо сформировать КТ. В конце этого этапа следует (надеемся) у 20-30 капилляров слоем флуоресцентных квантовых точек встроенных в покрытие диоксидом кремния матрицы стенок канала.

3. Характеристика

1. Попробуйте проверить флуоресцентного микроскопа, на которых установлены капилляры должны выполнять обе изображений и спектроскопии в 700-900 нм. Эпифлуоресцентной или конфокальной установки подходят для этой цели. Поместите ряд кандидатов капилляры на сцене так, чтобы она легко перемещаться между ними для быстрого визуального анализа (рис. 2б). Возбуждает капилляр с синей или УФ-излучения либо в свободном пространстве на столик микроскопа, либо непосредственно через объектив помощью дихроичным фильтром, и наблюдать флуоресценцию изображение с помощью окуляраили цветной камеры.
   1. Соблюдайте капиллярной флуоресценции. Если производство было успешным, капилляры будут проявлять ярко красной флуоресценции. Это является первым признаком благоприятного образца. Капилляры выставке оранжево-желтой флуоресценции (вместо красного цвета, связанные с КТ) в целом не имеют желаемых оптических характеристик. Эти образцы также имеют тенденцию к образованию чаще в растворах с низкой концентрацией HSQ. Некоторые капилляры могут не проявлять флуоресценцию на всех, в этом случае КТ фильм не формировать и капиллярные может быть отброшен (стекло острыми). Это указывает на то, что решение не может быть обращено в капилляр, или она, возможно, были недостатки в HSQ. Наконец, некоторые образцы могут показать, потрескавшиеся или текстурированные пленки; это также может быть отброшен.
   2. Отменить все образцы, упомянутые в предыдущем шаге за исключением тех, которые показывают ярко-красный флуоресценции характерными КТ кремния.
2. Проверьте наличие гроссмейстеров в спектрах флуоресценции Убедитесь, что изображения выравнивается по желанию на входную щель спектрометра и сбора спектр флуоресценции. Отрегулируйте время сбора так, чтобы получить приемлемый сигнал-шум. Выполните длины волны и интенсивности калибровки по мере необходимости. QD спектры должны быть интенсивными в диапазоне длин волн от 700 до 900 нм. Спектры взяты из области, соответствующей внутренней стенки капиллярных должен показать сильные колебания в связи с наличием цилиндрической шепчущей галереи (гроссмейстеров), это второй до последнего требования успешного рефрактометрического датчика.
   1. Некоторые образцы могут иметь ярко-красный QD флуоресценции, но отсутствие колебаний WGM в спектре. Это указывает на QD фильма трещины или расслаиваться от стенки капилляра, который разрушает оптических резонансов. Откажитесь капилляры без гроссмейстеров. На данный момент, только (как правило, SMALL) доля образцов, которые отвечают требованиям датчик остается. Существует один финальный тест должен быть выполнен.
3. Рефрактометрические анализ Прикрепить кандидата капилляров в полиэтилен, Tygon, тефлона или других трубопроводов химически совместимы с предполагаемым анализируемого решения, внутренний диаметр должен быть немного больше, чем капиллярных наружного диаметра. Выбор трубки должны быть сделаны так, чтобы не вступать в реакцию с решениями для закачки в капилляр.
   1. Используйте хороший клей для крепления стеклянного капилляра с трубкой, в противном случае капиллярная трубка-интерфейс будет течь. У нас есть достаточно хороший успех, используя Норланд NOA-76 или талисман момент гель клей. Выбор клея зависит от его адгезию к стеклянный капилляр и трубка, и отсутствие реакции с каналом жидкости. Будьте осторожны, чтобы предотвратить клей не просачивается в капиллярный канал и блокирует его.
   2. Интерфейс трубс помощью шприца micropumping системы. Соединения с известными показателями преломления, такие как метанол, этанол и вода может быть использована для определения рефрактометрического чувствительность прибора. Это последнее испытание успешно датчика. Насос каждой жидкости, по одной за раз, в капилляр, стараясь не разорвать клей уплотнения между капилляром и трубки (рис. 2).
   3. Сбор спектров друг с жидкостью внутри капилляра. Использование анализатора в свете пути различать TE-поляризованных гроссмейстеров (анализатор параллельны оси капилляра) и ТМ-поляризованных гроссмейстеров (анализатор перпендикулярно оси капилляра). Там должно быть изменение в длине волны WGM резонансов, либо ТЕ или ТМ, с каждым различные решения в капилляр. Если нет наблюдаемого сдвига, с квантовыми точками фильм слишком толстые и гроссмейстеров не достаточно попробовать канала среде. В успешных образцов мы наблюдаем чувствительности обычно между 5 и 15 нмза решение блока преломления (РИУ). Почти все образцы, которые делают шоу гроссмейстеров продемонстрировать измеримые чувствительность, однако, как правило, лишь небольшая часть подготовленных капилляров покажет гроссмейстеров.

4. Анализ данных

1. Получение спектров флуоресценции Возьмите спектр флуоресценции вашего образца. Для биодатчиков приложений, поверхности канала должен сначала быть функциональными для конкретных веществ. Поверхность QD фильм, по существу диоксид кремния, поэтому многие рецепты модификации поверхности существует. Независимо от приложения, последним шагом является обработка и анализ данных.
   1. Достижение низких пределов обнаружения требует измерения малых спектральных сдвигов в идеале "сдвиг резолюция" должна быть значительно меньше, чем номинальное разрешение спектрометра или поле. Следует быть внимательным в спектральной обработки из-за этого. В частности, на многих спектрометр визуализацииа спектр не может быть спроецирована совершенно горизонтально на CCD, таким образом, если между анализов, образец изображения дрейфует в вертикальном положении щели, ложные спектральные сдвиги могут быть получены. Используйте любые средства, необходимые для обеспечения этого не произойдет, например, использовать калибровочный стандарт, чтобы определить угол проецируемого спектра и исправить его, свести к минимуму дрейф образца и убедиться, что то же самое пикселей CCD используются для получения всех спектрах .
      Например спектральное изображение показано на рисунке 3, где режимы отображаются в виде сильных колебаний в местах, соответствующих стенок канала. Использование кода Mathematica компьютер (или, что ваша группа предпочитает), чтобы импортировать спектральных изображений, выход 1D спектральные данные, а также выполнять установку кривой и Фурье-анализ WGM сдвиги, как описано ниже.
2. Подгонки кривой Определить длину волны пика WGM для измерения малых смещений спектральных из-за аналитов яп канала ТСМ. Установить единый режим для функции, описывающей форму спектра - это простой способ получить положение пика. В идеальном случае, это будет лоренцевой функцией (при надлежащем преобразования длины волны с частотой устройств через δλ = │-cδf / ф ² │ где с скорость света):
   
   В формуле. 1, является параметр масштабирования и F ₀ является центральной частоты. К сожалению, ФУМ не идеальный случай.
   1. В цилиндрических полостей гроссмейстеров смещены в сторону более высоких частот, вероятно, в связи с развитием спирали резонансов (гроссмейстеров с ненулевым осевой составляющей волнового вектора) ^15. Лоренцевы подходит поэтому работают плохо для определения положения пика. К сожалению, нет функции йна будет соответствовать распределению перекрытия лоренцианов от спирали гроссмейстеров. В предыдущей работе ¹⁶ мы предположили, что перекос лоренцевы ¹⁷ дали бы лучше подходят:
      
      Здесь и B, искажается параметров. Как видно на рисунке 4, уравнение. 2 не дает лучшее прилегание к данным, чем уравнение. 1, но, к сожалению, не имеет физической основы теории гроссмейстеров.
3. Фурье-анализ сдвига Кроме того, данные могут быть обработаны с использованием дискретного преобразования Фурье, и соответствующие сдвиги фаз измеряется от спектра Фурье. Этот метод использует периодичность весь спектр, по сравнению с использованием одного произвольного WGM. Он не измеряет положение пика волны, но вместо мер общий сдвигданного WGM спектра по отношению к произвольным спектром ссылки.
   1. Используйте Δφ разности фаз для мощных компонента Фурье, что соответствует основным WGM спектральных колебаний для получения спектрального сдвига. Это соответствует реальным сдвигом частоты WGM из:
      f = Δφ (F _макс - F _мин) / (2тгк),
      где F и F _{мин Макс} минимальная и максимальная частота в спектре. Тем не менее, много информации можно отказаться, если только главный компонент используется, кроме того, усечение вопросов может сделать это трудно определить, какой компонент является основной. Часто, лучшие результаты методом проб и ошибок, какие компоненты Фурье для выбора.
   2. Сдвиг теоремы вместо этого использует все компоненты Фурье. Соответственно, для чистого сдвига, каждый отдельный компонент смещается пропорционально к (с кявляющийся компонентом числа). Иными словами, δφ _к = тк, где пропорциональность м является мерой реальной смены. Общий сдвиг частоты, таким образом, определяется по формуле:
      f = M (F _макс - F _мин) / (2π).
      Это требует м, которые будут получены линейной аппроксимации разности фаз ΔΦ _к для некоторых или всех компонентов Фурье.
   3. Для реальных данных, линейная зависимость ΔΦ _к = тк будет иметь неопределенность, связанная с шумом и фонового сигнала, которые могут оказать существенное влияние на маломощные компоненты Фурье. Таким образом, мы рекомендуем взвешенной линейной аппроксимации, в которых вес каждого компонента пропорционально его мощности, чтобы получить наклон ΔΦ _к сравнению А граф. Спектра могут быть отфильтрованы вокруг главного компонента перед установкой, чтобы удалить как высокие частоты (пУаза) и низких частот (несвязанных фоновой флуоресценции). Сдвиг частоты по формуле. 4, затем преобразуются в волны единиц.
   4. В отличие от случая к кривой, WGM "волны" никогда не получил, но вместо этого сдвига длины волны измеряется по всему спектру по отношению к произвольным спектром ссылки. Затем процедура повторяется для каждого спектра для анализа. Шаги для этой процедуры заключаются в следующем:
      1. Преобразование спектра в единицах частоты, чтобы обеспечить постоянный свободный спектральный диапазон.
      2. Выберите эталонного набора данных (т.е. первый WGM спектр флуоресценции), из которых все сдвиги будут оцениваться.
      3. Interpolate спектров для получения равномерного разнос частот ^18.
      4. Выполните дискретное преобразование Фурье для получения мощности и фазы компонент каждого спектра.
      5. Найти разность фаз для всех к компонентам данного WGMспектра, для которых величина сдвига желательно, по отношению к эталонному спектру.
      6. Найти сдвиг фаз использовании разности фаз либо основного компонента Фурье только, или взвешенной линейной подходят к выбранным компонентам. Это даст δf фазового сдвига или δλ между WGM спектра и опорного спектра.
      7. Ошибки в спектральных сдвигов (предел обнаружения) может быть измерена путем сбора повторные спектры для тех же вещества. Неопределенность в чувствительности может быть получена от ошибок в весовых линейного припадки, если несколько компонентов используются.

Повторите шаги 1-7 для каждого анализа. Хотя эта процедура звучит сложно, после начала осуществления процедуры проста для автоматизации, так что большие наборы данных могут быть обработаны партию, чтобы найти сдвиги. Мы используем код Mathematica написана специально FOГ эту процедуру, так что полные наборы данных могут быть обработаны партии »с нажатием кнопки". В принципе, спектральные сдвиги могут даже подсчитал, "живой", хотя мы этого еще не сделали.

Результаты

Небольшие отклонения в капиллярной процедура изготовления может привести к значительным изменениям в скорости успех образца. На рисунке 5 (объявление), мы показываем типичные примеры неудачных капилляров, а также успешным. Как правило, визуальная индикация успешного образца ...

Обсуждение

Флуоресцентные-ядерный микрорезонаторов может быть использован как рефрактометрического датчиков. Хотя есть единичные примеры "закатал" микропробирок, которые могли бы выступать в качестве микрофлюидных датчиков, ²² по сравнению с микропробирок, капилляры будет легче инт?...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Таблица материалов	Компания	Каталог #	Комментарии
кремния микрокапиллярах
гибкий шланг microbore			полиэтилен, Tygon, и т.д.
клей	Mascot, Norland NOA
HSQ растворяется в MIBK			например., FOX-15
метанол
этанол
дистиллированная вода