تجميع وتشغيل نيون الأساسية للاستشعار عن Microcavities Refractometric
Summary
أجهزة الاستشعار microcavity الفلورسنت النواة توظيف عالية مؤشر الكم دوت الطلاء في قناة microcapillaries السيليكا. التغيرات في معامل الانكسار من السوائل ضخها في قضية قناة الشعرية تحولات في microcavity الطيف مضان التي يمكن استخدامها لتحليل المتوسطة القناة.
Abstract
هذه الورقة تناقش الفلورسنت الأساسية المستندة إلى الاستشعار microcavity التي يمكن أن تعمل في إعداد تحليل ميكروفلويديك. وتستند هذه الهياكل على تشكيل طلاء الفلورسنت (QD) الكم نقطة على سطح القناة لmicrocapillary التقليدية. QDs السيليكون هي جاذبية خاصة لهذا التطبيق، ويرجع ذلك جزئيا إلى سميتها ضئيلة مقارنة II-VI وQDs مجمع II-VI، والتي يتم التحكم تشريعيا المواد في العديد من البلدان. في حين أن طيف الانبعاث الفرقة واسع وملامح، فيلم سي QD على الحائط قناة ملامح الشعرية مجموعة من القمم، وشارب ضيقة في الطيف مضان، المقابلة لالأصداء الكهرومغناطيسية للضوء محاصرين داخل الفيلم. الطول الموجي ذروة هذه الأصداء حساسة إلى متوسطة الخارجية، مما يسمح الجهاز ليعمل كجهاز استشعار refractometric التي لا تأتي أبدا QDs في اتصال جسدي مع الحليلة. التجريبيةوتناقش الأساليب المرتبطة تلفيق من microcapillaries الفلورسنت الأساسية بالتفصيل، وكذلك أساليب التحليل. وأخيرا، يتم إجراء مقارنة بين هذه الهياكل وأكثر على نطاق واسع التحقيق السائل الأساسية مرنانات حلقة البصرية، من حيث القدرات ميكروفلويديك الاستشعار عن بعد.
Introduction
يمكن الكيميائية أنظمة الاستشعار التي تتطلب كميات عينة صغيرة فقط والتي يمكن إدراجها في الأجهزة المحمولة باليد أو حقل قابلة للتشغيل-يؤدي إلى تطوير مجموعة واسعة من التكنولوجيات الجديدة. يمكن أن تشمل هذه التكنولوجيات التشخيص الميداني للأمراض والعوامل الممرضة، 1 الملوثات البيئية و 2 و سلامة الأغذية. وتمثل 3 في عدة تكنولوجيات استكشاف بنشاط عن أجهزة استشعار كيميائية ميكروفلويديك، مع الأجهزة القائمة على فيزياء الرنين مأكل السطحية (SPR) بين الأكثر تقدما. (4) هذه هي أجهزة الاستشعار الآن قادرة على اكتشاف الجزيئات الحيوية محددة كثيرة وحققت نجاحا تجاريا، على الرغم أساسا معدات المختبرات على نطاق أوسع .. 5
في السنوات الأخيرة، وارتفعت microcavities البصرية للتنافس مع SPR النظم القائمة. يمكن أن تكون حساسة بشكل مثير للدهشة Microcavities، مع إظهار القدرة على اكتشاف الفيروسات واحد 6 و ربما حتى الجزيئات الحيوية واحد <sيصل> 7 (هذا الأخير لا يزال موضوع بعض الجدل، 8 ولكن ليس هناك شك في أن حدود الكشف الشامل صغيرة هي 9). في microcavities، وآلية الكشف يعتمد على التغييرات في الأصداء البصرية الناجمة عن وجود الحليلة داخل الملف المجال الكهربائي للصدى. عادة، سوف تعطى الحليلة يسبب صدى للتغيير في وتيرة المركزية، والرؤية، أو linewidth. كما هو الحال مع أنظمة SPR، يمكن microcavities بمثابة المجسات غير محددة refractometric، أو أجهزة الاستشعار functionalized لتحليل محددة.
وتتميز المجهرية عازلة مع قطاع عريض دائري (مثل المجهرية، والأقراص، أو اسطوانات) من الأصداء كهرومغناطيسية تعرف باسم وسائط معرض يهمس، أو WGMs، وهو مصطلح يعود تاريخها إلى التحقيقات الرب رايليغ من الآثار الصوتية مشابهة 10 أساسا، وهو WGM البصرية عندما يحدث موجة يبحر عبر التعميم قection من الانعكاس الداخلي الكامل، والعودة إلى نقطة البداية في المرحلة. ويتضح مثال بالرنين الكهرومغناطيسي لالمكروية السيليكا في الشكل 1A. ويتميز هذا صدى من جانب واحد كحد أقصى في الاتجاه شعاعي (ن = 1)، في حين أن ما مجموعه 53 موجات تناسب جميع أنحاء خط الاستواء (ل = 53)، وتظهر فقط بعض منها. الجزء زائل من شدة الحقل يمتد إلى خارج حدود المتوسطة المجال، وبالتالي في WGM المكروية يمكن الشعور الوسط الخارجي.
الشعيرات الدموية هي مثال للاهتمام خاصة من جهاز استشعار WGM مقرا لها. يمكن في WGMs، الشعرية أسطواني حول تشكيل التعميم عبر الفرع، على غرار الحال بالنسبة للكرة. إذا كان الجدار الشعرية رقيقة جدا، وهي جزء من المجال الكهرومغناطيسي يمتد إلى القناة الشعرية (1B الشكل). وهكذا، يمكن أن تكون الشعرية جهاز استشعار لميكروفلويديك analytes حقنها في القناة. هذا هو بأسيس من عمل عصابة الأساسية البصرية مرنان السائل (LCORR) 11 LCORRs تعتمد على توصيل زائل الضوء من مصدر ليزر بدقة tuneable للتحقيق في WGMs. جانبا هاما من LCORR هو أن جدران الشعيرات الدموية يجب أن تكون رقيقة (~ 1 ميكرومتر) للتأكد من أن عينات وضع وسيلة القناة. هذا يضع بعض الصعوبات في تصنيع ويسبب لها أن تكون هشة ميكانيكيا.
في عملنا، وضعنا هيكل بديل نسميه microcavity الأساسية الفلورسنت (FCM). 12،13 لتشكيل FCM، ونحن معطف الجدران قناة لشعري مع fluorophore عالية الانكسار فهرس (على وجه التحديد، طبقة من أكسيد السيليكون جزءا لا يتجزأ من نقاط الكم). مطلوب من ارتفاع الرقم القياسي للفيلم لحصر الإشعاعات المنبعثة، مما يساعد على بناء حتى WGMs (الشكل 1C). وعلى النقيض من LCORR، في وسائط FCM تظهر ماكسيما حاد في الطيف مضان المنبعثة. السماكة منفيلم مهم للغاية، وإذا كان سميكا جدا في WGM لا تذوق المتوسطة في القناة الشعرية، وإذا كانت رقيقة جدا يتم فقدان الحبس البصرية وWGMs تصبح ضعيفة. وهكذا، فإن تلفيق من FCM هي عملية صعبة، تتطلب إعداد دقيق. هذا هو الموضوع الرئيسي لهذه الورقة.
Protocol
Representative Results
Discussion
ويمكن استخدام الفلورسنت الأساسية microcavities وأجهزة الاستشعار refractometric. في حين أن هناك أمثلة معزولة من microtubes "طوى" التي يمكن أن تكون بمثابة أجهزة استشعار ميكروفلويديك، 22 مقارنة microtubes، وسوف يكون من الأسهل الشعيرات الدموية على الاندماج في الاجهزة ميكروفلويديك ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم تمويل هذا البحث من قبل NSERC، كندا.
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).
