Sintesi e funzionamento del fluorescente-core microcavità per il Rilevamento rifrattometrico

Sistemi sensori chimici che richiedono solo piccoli volumi di campione e che possono essere incorporati in dispositivi portatili o sul campo operabile potrebbe portare allo sviluppo di una vasta gamma di nuove tecnologie. Tali tecnologie potrebbero includere diagnosi dei campi per le malattie e agenti patogeni, ^{1, 2} contaminanti ambientali e della sicurezza alimentare. ³ tecnologie diverse sono attivamente esplorato per sensori chimici microfluidica, con i dispositivi basati sulla fisica della risonanza plasmonica di superficie (SPR), tra i più avanzati. ⁴ Questi sensori sono ora in grado di rilevare molte biomolecole specifiche e hanno raggiunto il successo commerciale, anche se principalmente su larga scala apparecchiature di laboratorio ^5.

In anni recenti, microcavità ottiche sono aumentati di competere con sistemi basati su SPR. Microcavità può essere incredibilmente sensibile, con dimostrata capacità di rilevare virus singole ⁶ e forse anche di singole biomolecole <sup> 7 (quest'ultimo rimane oggetto di dibattito, ⁸ ma non vi è dubbio che i limiti di massa di rilevazione sono piccole ^9). In microcavità, il meccanismo di rilevamento si basa su variazioni delle risonanze ottici causati dalla presenza di un analita nel profilo del campo elettrico della risonanza. Tipicamente, un determinato analita causerà la risonanza di cambiare in in frequenza centrale, la visibilità, o linewidth. Come per i sistemi SPR, microcavità può agire come sensori rifrattometrici non specifici, o come biosensori funzionalizzati per un'analisi specifica.

Microstrutture dielettrici con una sezione circolare (ad esempio microsfere, dischi, o cilindri) sono caratterizzati da risonanze elettromagnetiche conosciute come le modalità galleria acustica, o WGMS, termine che risale alle indagini Lord Rayleigh di effetti acustici analoghi ^10. Sostanza, un WGM ottico si verifica quando un'onda circumnaviga trasversale circolare sezione di riflessione interna totale, e ritorna al suo punto di partenza in fase. Un esempio di risonanza elettromagnetica dei microsfere di silice è illustrato in Figura 1a. Questa risonanza è caratterizzato da uno massimo nella direzione radiale (n = 1), mentre un totale di 53 lunghezze d'onda adatta intorno all'equatore (L = 53), solo alcune delle quali sono mostrate. La parte evanescente dell'intensità del campo si estende nel mezzo fuori del contorno sfera, quindi la WGM microsfere può percepire il mezzo esterno.

Capillari sono un esempio particolarmente interessante di WGM basata sensore. In un capillare, WGMS cilindrici possono formare intorno alla sezione trasversale circolare, simile al caso di una sfera. Se la parete capillare è molto sottile, una parte del campo elettromagnetico si estende nel canale capillare (Figura 1b). Così, un capillare può essere un sensore microfluidica per analiti iniettati nel canale. Questo è il basis di funzionamento dell'anello cuore liquido risonatore ottico (LCORR) ^11. LCORRs invocare l'accoppiamento evanescente di luce da una sorgente laser sintonizzabile precisione per sondare i WGMS. Un aspetto importante del LCORR è che le pareti dei capillari deve essere sottile (~ 1 micron) per assicurare che i campioni modalità mezzo canale. Questo pone qualche difficoltà sulla loro fabbricazione e li fa essere meccanicamente fragile.

Nel nostro lavoro, abbiamo sviluppato una struttura alternativa che noi chiamiamo una microcavità fluorescente nucleo (FCM). ^12,13 Per formare un FCM, abbiamo rivestire le pareti del canale di un capillare con un alto indice di rifrazione fluoroforo (in particolare, uno strato di ossido di silicio integrati punti quantici). L'alto indice del film è necessario per limitare la radiazione emessa, così costruendo le WGMS (figura 1c). In contrasto con la LCORR, in un FCM le modalità appaiono come acuto massimi in uno spettro di fluorescenza emessa. Lo spessore delfilm è di fondamentale importanza, se è troppo spesso la WGM non provare il mezzo nel canale capillare, e se è troppo sottile il confinamento ottico viene persa e le WGMS si indeboliscono. Pertanto, la realizzazione di un FCM è un processo difficile, che richiede un'attenta preparazione. Questo è il tema principale della carta corrente.