在微流控芯片中超敏感微纳光纤吸收检测外文翻译资料

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在微流控芯片中超敏感微纳光纤吸收检测

摘要

我们通过使用900nm直径的二氧化硅微光纤报告微纳光纤吸收传感器，其嵌入在具有2.5cm检测长度的125um的微通道中。通过测量亚甲基蓝（MB）的吸光度进行研究，该传感器的检测限低至50 pM，在浓度范围为0-5nM时具有良好的可逆性。该传感器也用于牛血清白蛋白（BSA）的测定，检测限为10mu;g/ mL。 此外，样品体积要求仅为500nL，探测光功率为约150nW，这对于单个或几个分子的生物样品的安全检测非常有帮助。

第一章 绪论

光吸收检测是宏观结构感测系统中最常用的检测方法之一。然而，微流体吸收传感器由于微通道尺寸小而具有相对低的灵敏度。在过去的几十年里，已经有过许多希望通过增加光路长度来提高灵敏度的尝试，包括多反射池，准直器综合检测池，U型流动池，光子晶体纤维池和液芯波导池。然而，由于测量长度相对较短，这些方法的灵敏度与传统的测量方法相比不会更好甚至难以企及。最近，Prabhakar等人发表了具有集成的SU-8波导作为消逝场吸收结构的微制造聚合物微流控芯片。它可用于基于吸光度的检测和折射率（RI）检测，对于10mM亚甲蓝（MB）其吸光度为0.02单位。由于200mm宽的SU-8平面波导之外存在一小部分渐逝场，因此它的吸收灵敏度比常规吸收光谱的吸收灵敏度低几个数量级。

自从2003年亚波长直径的二氧化硅微纳光纤（MNFs）作为低损耗光波导问世以来，就以其杰出的优点例如低光耗、强消逝场和可以与光纤系统灵活而低损耗的连接等引起了物理、化学和生物领域的广泛关注。通常，1um或者更小的二氧化硅微纳光纤通过锥形拉伸制造出标准光纤。与标准光纤无缝连接的两个端口将被用做输入和输出接口。此外，微纳光纤引导的光能够很好地被限制在整个光纤长度上（高达几十厘米），这使得微纳光纤的长度检测能够高于厘米级。

迄今为止，已经有许多使用微纳光纤的传感器问世，例如，Villatoro和Monzon-Hernandez发表了一种由涂覆有超薄钯膜的亚波长直径锥形光纤组成的快速响应的氢传感器。Warken等人发表了一种使用空气包层锥形光纤的超敏感表面吸收光谱。吸收灵敏度可能高于传统表面光谱的数量级。

消逝场吸收是最常用的微纳光纤感测机制之一。 当沿着微纳光纤引导光时，微纳光纤外的消逝场与附近的分析物相互作用。消逝场吸收理论由Mignani等人描述，简言之，吸光度（A）由Lambert– Beer定律给出：

其中为吸光度系数，L为检测长度，为光线外消逝场的分数幂。大多数之前研究的消逝场吸收传感器都采用典型的腰径大于10um的锥形光纤，导致很小，使得灵敏度变低。由于大而可实现的和L，基于微纳光纤的消逝场场吸收在超敏感的化学和生物感测方面有着很大的潜力，但是大多数之前发表的消逝场吸收传感器使用悬浮在空气中的微纳光纤或安装在大体积的流动室中，因此，表面污染和环境因素可能会影响这些传感器的稳定性。此外，由于大多数化学和生物样品是小体积水溶液，因此难以为常规感测结构提供足够的量。

在这里，我们将微纳光纤与微流控芯片结合，用于具有极小量样品需求的超敏感化学和生物检测。微流控芯片不仅为微纳光纤提供自然保护，而且还能提供用于微纳光纤的的微/纳米级样品溶液，它还可以保证优异的稳定性和重复性。该应用使用了一厘米长的微纳光纤的明显的消逝场，并且提供了用于微流控芯片上的吸光度测量的常规配置的替代方案。 通过测量亚甲基蓝（MB）和考马斯蓝染色的牛血清白蛋白（CB-BSA）的吸光度来研究传感器的性能。

第二章 实验部分

化学试剂

所有试剂和标准品, 除非另有说明,均为分析级且购自国药化学试剂（中国上海）。SU-8光致抗蚀剂和SU-8显影剂来自MicroChem Corp.（Newton，MA）。PDMS（Sylgard 184）来自Dow Corning（Midland，MI，USA）。超纯水(Siemens Labostar2-UV)在多处被使用。使用前准备样品溶液。

实验仪器

熔融机（Ericsson FSU 975）和自制拉锥装置用于制造微纳光纤。使用等离子体清洁器（PDC-32G-2，Harrick，USA）粘合玻璃-PDMS微流体芯片。将来自卤钨灯（PHILIPS 7748XHP）的宽带光耦合到多模光纤（125 / 62.5um，Corning，USA）中，并用作探测光。将透射光导入光谱仪（Maya2000 Pro，Ocean optics，USA）。 使用安装在显微镜（Eclipse 90i，Nikon，Japan）上的电荷耦合器件（CCD）相机（DS-Fi1，Nikon，Japan）获得光学显微照片。

微纳光纤的制作

在这项实验中，笔者使用两步锥形拉制工艺来制造微纳光纤。简单来讲，将一段4cm长的商用多模光纤剥离其塑料保护套，然后通过熔接机拉伸成为具有100um腰长的60um直径的双锥形光纤（图1a）。在使用熔接器后，使用自制的拉锥装置将锥形腰部的直径拉至约1um（图1b）。

图1 双锥形纤维的光学显微照片。（a）直径为60毫米的双锥锥形纤维; （b）具有900nm直径腰部（MNF）的双锥形纤维的左侧部分。

刻度棒，125 mm。

基于微流控芯片的微纳光纤传感器的制作

图2展示了基于微流控芯片的微纳光纤传感器（MCBMS）的四步制造程序和光学显微照片。通过将一块具有3D微通道的PDMS板，一片在封闭微通道之前将微纳光纤嵌入微流体芯片中。PDMS膜和一块玻璃载片堆叠来制造微流体芯片。在封闭微通道之前将微纳光纤嵌入微流体芯片中。

首先，将未固化的PDMS倾倒在SU-8主机上并固化，如图2a所示。侧视光学显微镜显示微通道宽125um，深150um。然后，将两个375um直径的毛细管放置在固化的PDMS上，如图2b所示。并将另一层PDMS倒入固化的PDMS上以嵌入两个毛细管。将形成微通道和毛细管的PDMS板从SU-8主机上剥离。之后，再将毛细管从PDMS板上拉出以形成样品入口和出口的毛细通道。侧视光学显微照片显示PDMS板是3D微通道网络。如图2c所示，PDMS板被安装在具有上侧微通道的载玻片上。在光学显微镜下，用一根针管冲压样品入口孔和出口孔，以连接微通道和毛细管通道。光学显微照片显示，样品入口孔和出口孔的边长约为375um。 最后，将其中心为微纳光纤的双锥形锥形光纤嵌入微通道，其中两个锥形转变仅位于样品入口和出口孔处，如图2d所示。

图2 （a）-( d）基于微流控芯片的微纳光纤传感器制造程序的示意图和光学显微照片。（e）1.5um直径的MNF的光学显微照片，其引导嵌入在微通道中的波长为473nm的激光。 （f）在1.5um直径微纳光纤外的消逝场激发的荧光的光学显微照片。 刻度棒，125 mm。

嵌入过程由光学显微镜下的3D旋转控制台进行操作。通过氧等离子体处理将一片具有两个PDMS入口的PDMS膜结合到PDMS板上。为了避免样品泄漏到微通道嵌入的未拉伸纤维中，将未固化的PDMS从PDMS入口小心地注入微通道并在85℃下固化20分钟。将两个2cm长的毛细管（150um i.d.，375um o.d.）插入毛细管通道中，一个用作取样探针，另一个连接到注射器。图2e示出了具有1.5um直径微纳光纤的制成的MCBMS在引导473nm的波长激光器。当将0.01mM荧光素溶液注入微通道时，可以看到由473nm波长激光激发的明亮荧光，如图2f所示。。

第三章 结果与讨论

传感器设计中的总体目标和思路

这项工作的目的是开发一种超灵敏和强大的的微纳光纤消逝场吸收传感器，用于基于微流控芯片的化学传感和样品消耗量小的生物传感。微纳光纤的直径是直接影响其灵敏度的关键因素。减小直径是增加微纳光纤以外部分能量占比（）的有效方法。含水二氧化硅微纳光纤中作为微纳光纤直径（d）的函数计算如图S1（ESIdagger;）所示。900nm直径的微纳光纤，为15％，比200mm直径的光纤的高3个数量级。

在这项工作中，通过考虑灵敏度，机械强度和光学损耗，选择900 nm直径的微纳光纤和1.5 mm直径的微纳光纤作为感应元件，并为微纳光纤设计和制造了一个检测长度为2.5 cm的3D微通道网络。这种设计有很多优点。 首先，通过根据微纳光纤的长度改变毛细管位置，可以调整检测通道长度。其次，预制的MCBMS可以通过毛细管方便地连接到样品驱动系统和其他微流体芯片组件。在这里，由于其高采样吞吐量，槽微量样品瓶阵列被用于样品引入。使用注射器产生的负压作为驱动力。 第三，微纳光纤的全长都可用于消逝场吸收测量。 因此，即使没有光束准直系统检测长度可以达到几厘米。最后，样品体积要求降至纳升级，对于生物传感是很适用的。值得一提的是，MCBMS可以通过高效率的标准光纤耦合器直接连接到光源和检测器。传感器的总耦合损耗约为3dB。此外，与使用消逝场耦合技术的聚合物单纳米线光学传感器和使用光致发光系统进行光学发射的半导体纳米线传感器相比，本感测系统更简单和更紧凑。

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亚甲基蓝消逝场吸收测量

在这项工作中，我们通过测量亚甲基蓝的吸光度来研究MCBMS的灵敏度和重复性。将超纯水作为参考，在使用前准备不同浓度的从100pM到5nM的亚甲基蓝溶液。 每次测量后，用超纯水冲洗微通道。

图3a示出了900nm直径微纳光纤的透射光谱。当亚甲基蓝浓度增加时，透射强度明显降低，吸收峰从波长为637变化到波长为628nm。吸收带的蓝移可以归因于H聚集，如在之前的工作中已经报道的。在图3a的插图中示出了635nm波长处的峰值吸收与亚甲基蓝浓度的关系。非线性浓度依赖性吸光度可能是由于在微纤维表面吸附亚甲基蓝引起的。很明显，直径为900nm的微纳光纤的灵敏度比1.5um直径的微纳光纤的灵敏度高约两倍。使用900nm直径微纳光纤的MCBMS的检测限为约50pM，比先前报道的渐逝场吸收传感器和基于微流体芯片的吸收传感器的检测限高几个数量级。与使用1cm检测细胞的常规UV-Vis分光光度计相比，MCBMS的灵敏度提高至少2000倍。 此外，样品量要求降低到500 nL。图3b提供了900nm直径的微纳光纤响应与500pM 亚甲基蓝溶液和超纯水等分析勿的循环的透射强度，显示出良好的吸光度可逆性。当超纯水样品透射强度在经过几天测量或几个高浓度溶液测量之后不能达到原始水平时，用乙醇和空气交替地大量冲洗微通道和微纳光纤可以更新微纳光纤表面，并恢复原始的空白传输强度。

图3 （a）具有900nm直径微纳光纤的MCBMS在不同亚甲基蓝浓度的透射光谱。 插图：635nm波长处的吸光度对于直径分别为900nm和1.5um的两个微纳光纤的亚甲基蓝浓度。 （b）对于900nm直径的MNF，用500pM MB溶液循环测量。 y错误由3个重复测量确定。

比色蛋白测定

在这里，我们将MCBMS应用于Bradford测定。 为了评估MCBMS对折射率的响应，我们将一系列折射率从1.33到1.41的乙二醇溶液注入微通道并记录透射强度（图S2a，ESIdagger;）。如图所示。 S2b（ESIdagger;），与不同RI的解决方案相比，超过700 nm波长的微纳光纤的透射在700 nm以下的波长显示出更小的差异。 因此，在400 nm到700 nm的光谱范围内，由不同蛋白质浓度引起的RI变化不会严重影响比色蛋白测定。

在这项工作中，我们选择CB-BSA作为样本，以验证MCBMS对生物传感的敏感性和适用性。为了避免非特异性结合，我们用BSA封闭缓冲液冲洗微通道。将超纯水作为参考，在使用前制备不同浓度的CB-BSA溶液，范围为20fg*mL^-1至800fg*mL^-1。在每组测量之后，用超纯水冲洗微通道，并从低浓度向高浓度引入CB-BSA样品。图4显示900nm直径微纳光纤的透射光谱。 随着CB-BSA浓度的增加，透射强度明显降低。 在633nm波长处的峰值吸光度对CB-BSA浓度显示在插图中。非线性浓度依赖性吸光度可能是由于在微纤维表面上吸附CB-BSA引起的。 估计的检测限为大致为10fg*mL^-1。因此，灵敏度比标准和改良的Bradford测定方法的灵敏度高出几个数量级。值得注意的是微纤维中探测光的测量功率约为150 nW。由于入射光的吸收可能导致细胞破坏或诱导生物样品的化学修饰，所以这里使用的极弱探测光对于生物样品是非常安全的。

第四章 结论

我们已经通过将微纳光纤与微流控芯片集成，展示了超灵敏的瞬逝场吸收传感器。通过测量亚甲基蓝和CB-BSA等物质测试消逝场吸收的性能，分别达到50pM和10 fg*mL^-1的检测极限。此外，微纳光纤和标准光纤之间的无缝连接为MCBMS提供了从标准光纤系统继承而来的许多有吸引力的优点。随着微纳光纤化学和生物传感应用方面的进步，这里展示的紧凑而坚固的MCBMS可能为超敏感毒素测量和检测黄曲霉和大肠杆菌O157：H7等病原体开辟新的机遇。

图4 （a）900nm直径微纳光纤的不同CB-BSA浓度的透射光谱。 插图：633nm波长处的吸光度对BSA浓度。 y错误由3个重复测量确定。

致谢

我们感谢魏芳教授和谷复兴教授与我们进行了有益的讨论。 这项工作得到了中国国家自然科学基金资助项目号。 60907036和61036012，浙江省自然科学基金项目编号： Y1090021，中央大学基础研究基金项目编号： 2010QNA5038和中国高等教育博士点专项研究基金，项目号J20091636。

一种用于检测水中痕量亚硝酸盐的消逝场波光纤传感器

摘要

本文描述了一种在水中检测痕量亚硝酸盐化合物的光纤技术。这里概述的离线光纤传感器是基于通过亚硝酸盐化合物在水中与合适的化学试剂反应形成的测试溶液中的消逝场吸收制成的。一小段未被塑料包层覆盖的二氧化硅纤维部分用作感测区域。实验结果清楚地证明了本技术用于

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