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Die Spurenanalyse von Flüssigkeitsproben findet vielfältige Anwendung in den Lebenswissenschaften und der Umweltüberwachung. In dieser Arbeit haben wir ein kompaktes und kostengünstiges Photometer auf Basis von Metallwellenleiterkapillaren (MCCs) zur ultrasensitiven Absorptionsbestimmung entwickelt. Der optische Weg lässt sich deutlich verlängern und ist wesentlich länger als die physikalische Länge der MCC, da das von den gewellten, glatten Metallseitenwänden gestreute Licht unabhängig vom Einfallswinkel in der Kapillare gehalten wird. Dank neuartiger nichtlinearer optischer Verstärkung, schnellem Probenwechsel und Glukosemessung können mit gängigen chromogenen Reagenzien Konzentrationen bis hinunter zu 5,12 nM erreicht werden.
Die Photometrie wird aufgrund der Vielzahl verfügbarer chromogener Reagenzien und optoelektronischer Halbleiterbauelemente häufig zur Spurenanalyse flüssiger Proben eingesetzt^1,2,3,4,5. Im Vergleich zur herkömmlichen Absorptionsmessung in Küvetten reflektieren Flüssigkeitswellenleiterkapillaren (LWC) das Messlicht durch Totalreflexion (TIR) ​​innerhalb der Kapillare^1,2,3,4,5. Ohne weitere Optimierungen entspricht der optische Weg jedoch nahezu der physikalischen Länge des LWC^3,6. Eine Verlängerung des LWC über 1,0 m hinaus führt zu starker Lichtdämpfung und einem hohen Risiko der Blasenbildung^3,7. Die vorgeschlagene Mehrfachreflexionszelle zur Verbesserung des optischen Weges ermöglicht lediglich eine Verbesserung der Nachweisgrenze um den Faktor 2,5–8,9.
Derzeit gibt es zwei Haupttypen von LWC (Low Water Cells): Teflon-AF-Kapillaren (mit einem Brechungsindex von nur ~1,3, der niedriger ist als der von Wasser) und mit Teflon-AF oder Metallfilmen beschichtete Quarzglaskapillaren^1,3,4. Um Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dielektrischen Materialien zu erreichen, sind Materialien mit niedrigem Brechungsindex und hohen Lichteinfallswinkeln erforderlich^3,6,10. Teflon-AF-Kapillaren sind aufgrund ihrer porösen Struktur atmungsaktiv^3,11 und können geringe Mengen an Substanzen in Wasserproben absorbieren. Bei Quarzglaskapillaren mit einer Außenbeschichtung aus Teflon-AF oder Metall ist der Brechungsindex von Quarz (1,45) höher als der der meisten Flüssigkeiten (z. B. 1,33 für Wasser)^3,6,12,13. Bei Kapillaren, die innen mit einem Metallfilm beschichtet sind, wurden die Transporteigenschaften untersucht14,15,16,17,18, allerdings ist der Beschichtungsprozess kompliziert, und die Oberfläche des Metallfilms weist eine raue und poröse Struktur auf4,19.
Darüber hinaus weisen kommerzielle Leichtwasserkapillaren (AF Teflon Coated Capillaries und AF Teflon Coated Silica Capillaries, World Precision Instruments, Inc.) weitere Nachteile auf, wie beispielsweise die Anfälligkeit für Fehler. Das große Totvolumen des TIR3,10, (2) T-Verbinders (zum Verbinden von Kapillaren, Fasern und Ein-/Auslassrohren) kann Luftblasen einschließen.10
Gleichzeitig ist die Bestimmung des Glukosespiegels von großer Bedeutung für die Diagnose von Diabetes, Leberzirrhose und psychischen Erkrankungen²⁰. Zahlreiche Nachweismethoden stehen zur Verfügung, darunter Photometrie (einschließlich Spektrophotometrie^{21,22,23,24,25} und Kolorimetrie auf Papier^26,27,28), Galvanometrie^29,30,31, Fluorometrie^32,33,34,35, optische Polarimetrie³⁶, Oberflächenplasmonenresonanz³⁷, Fabry-Perot-Resonator³⁸, Elektrochemie³⁹ und Kapillarelektrophorese^40,41. Die meisten dieser Methoden erfordern jedoch teure Geräte, und der Nachweis von Glukose in Konzentrationen im niedrigen Nanomolarbereich stellt nach wie vor eine Herausforderung dar (beispielsweise bei photometrischen Messungen^{21,22,23,24,25,26,27,28}, die niedrigste Glukosekonzentration). Die Nachweisgrenze lag lediglich bei 30 nM, wenn Berliner-Blau-Nanopartikel als Peroxidase-Mimetika verwendet wurden. Nanomolare Glukoseanalysen sind häufig für zelluläre Studien auf molekularer Ebene erforderlich, beispielsweise zur Hemmung des Wachstums von menschlichem Prostatakrebs⁴² und zum CO₂-Fixierungsverhalten von Prochlorococcus im Meer.
In diesem Artikel wird ein kompaktes und kostengünstiges Photometer auf Basis einer Metallwellenleiterkapillare (MWC) aus Edelstahl SUS316L mit elektropolierter Innenfläche für die hochempfindliche Absorptionsmessung vorgestellt. Da Licht unabhängig vom Einfallswinkel in Metallkapillaren eingeschlossen werden kann, lässt sich der optische Weg durch Lichtstreuung an geriffelten und glatten Metalloberflächen deutlich verlängern und ist wesentlich länger als die physikalische Länge der MWC. Zusätzlich wurde ein einfacher T-Verbinder für die optische Verbindung und den Flüssigkeitsein-/auslass entwickelt, um Totvolumen zu minimieren und Lufteinschlüsse zu vermeiden. Mit dem 7 cm langen MWC-Photometer konnte die Nachweisgrenze im Vergleich zu einem kommerziellen Spektralphotometer mit 1 cm Küvette um das ca. 3000-Fache verbessert werden. Dies ist auf die optimierte nichtlineare optische Pfadführung und den schnellen Probenwechsel zurückzuführen. Zudem lässt sich mit gängigen chromogenen Reagenzien eine Glukosekonzentration von nur 5,12 nM nachweisen.
Wie in Abbildung 1 dargestellt, besteht das MWC-basierte Photometer aus einem 7 cm langen MWC mit einer elektropolierten Innenfläche in EP-Qualität, einer 505-nm-LED mit Linse, einem Photodetektor mit einstellbarer Verstärkung sowie zwei Anschlüssen für die optische Kopplung und den Flüssigkeitseinlass. Ein Dreiwegeventil, das mit dem Pike-Einlassrohr verbunden ist, dient zum Umschalten der einströmenden Probe. Das Peek-Rohr liegt dicht an der Quarzplatte und dem MWC an, wodurch das Totvolumen im T-Stück minimiert und das Einschließen von Luftblasen effektiv verhindert wird. Zudem lässt sich der kollimierte Strahl einfach und effizient durch die Quarzplatte des T-Stücks in den MWC einleiten.
Der Strahl und die flüssige Probe werden über ein T-Stück in die Mikrokanalplatte (MCC) eingeleitet, und der durch die MCC hindurchtretende Strahl wird von einem Fotodetektor erfasst. Lösungen von gefärbten oder ungefärbten Proben wurden abwechselnd über ein Dreiwegeventil in die Mikrokanalplatte (ICC) eingeleitet. Gemäß dem Lambert-Beer'schen Gesetz lässt sich die optische Dichte einer gefärbten Probe anhand der Gleichung 1.10 berechnen.
Dabei sind V_Farbe und V_Leerwert die Ausgangssignale des Fotodetektors, wenn Farb- bzw. Leerwertproben in den MCC eingeführt werden, und V_Dunkel ist das Hintergrundsignal des Fotodetektors, wenn die LED ausgeschaltet ist. Die Änderung des Ausgangssignals ΔV = V_Farbe – V_Leerwert kann durch Umschalten der Proben gemessen werden. Gemäß der Gleichung. Wie in Abbildung 1 dargestellt, haben kleine Änderungen von V_Leerwert (z. B. Drift) bei Verwendung eines Abtastschaltverfahrens nur einen geringen Einfluss auf den AMWC-Wert, wenn ΔV viel kleiner als V_Leerwert – V_Dunkel ist.
Um die Leistung des MWC-basierten Photometers mit der des küvettenbasierten Spektralphotometers zu vergleichen, wurde eine rote Tintenlösung als Farbprobe verwendet, da sie eine ausgezeichnete Farbstabilität und gute Konzentrations-Absorptions-Linearität aufweist. Als Blindprobe diente deionisiertes Wasser (DI H₂O). Wie in Tabelle 1 dargestellt, wurde eine Reihe roter Tintenlösungen mittels Verdünnungsreihen mit DI H₂O als Lösungsmittel hergestellt. Die relative Konzentration von Probe 1 (S1), unverdünnter roter Originalfarbe, wurde auf 1,0 festgelegt. Abbildung 2 zeigt optische Aufnahmen von elf roten Tintenproben (S4 bis S14) mit relativen Konzentrationen (siehe Tabelle 1) von 8,0 × 10⁻³ (links) bis 8,2 × 10⁻¹⁰ (rechts).
Die Messergebnisse für Probe 6 sind in Abb. 3(a) dargestellt. Die Umschaltpunkte zwischen gefärbten und ungefärbten Proben sind in der Abbildung mit Doppelpfeilen „↔“ markiert. Es ist ersichtlich, dass die Ausgangsspannung beim Umschalten von gefärbten zu ungefärbten Proben und umgekehrt rapide ansteigt. V_Farbe, V_Ungefärbt und die entsprechenden Spannungsänderungen ΔV können wie in der Abbildung gezeigt ermittelt werden.
(a) Messergebnisse für Probe 6, (b) Probe 9, (c) Probe 13 und (d) Probe 14 mit einem MWC-basierten Photometer.
Die Messergebnisse für die Proben 9, 13 und 14 sind in Abb. 3(b)-(d) dargestellt. Wie in Abb. 3(d) zu sehen ist, beträgt das gemessene ΔV nur 5 nV, was fast dem Dreifachen des Rauschwerts (2 nV) entspricht. Ein so kleines ΔV ist schwer vom Rauschen zu unterscheiden. Daher erreichte die Nachweisgrenze eine relative Konzentration von 8,2 × 10⁻¹⁰ (Probe 14). Mithilfe der Gleichung 1 kann die AMWC-Absorption aus den gemessenen Werten für V_Farbe, V_Leerwert und V_Dunkel berechnet werden. Für einen Photodetektor mit einer Verstärkung von 10⁴ beträgt V_Dunkel -0,68 μV. Die Messergebnisse für alle Proben sind in Tabelle 1 zusammengefasst und im Anhang zu finden. Wie Tabelle 1 zeigt, sättigt sich die Absorption bei hohen Konzentrationen, sodass Absorptionswerte über 3,7 mit MWC-basierten Spektrometern nicht gemessen werden können.
Zum Vergleich wurde auch eine Probe roter Tinte mit einem Spektralphotometer vermessen; die gemessene Akuvetten-Absorption ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Akuvettenwerte bei 505 nm (siehe Tabelle 1) wurden anhand der Kurven der Proben 10, 11 und 12 (siehe Abbildung 4) als Basislinie ermittelt. Wie dargestellt, erreichte die Nachweisgrenze eine relative Konzentration von 2,56 × 10⁻⁶ (Probe 9), da die Absorptionskurven der Proben 10, 11 und 12 nicht voneinander zu unterscheiden waren. Somit konnte die Nachweisgrenze durch die Verwendung des MWC-basierten Photometers im Vergleich zum küvettenbasierten Spektralphotometer um den Faktor 3125 verbessert werden.
Die Abhängigkeit der Absorption von der Konzentration ist in Abb. 5 dargestellt. Bei Küvettenmessungen ist die Extinktion bei einer Schichtdicke von 1 cm proportional zur Tintenkonzentration. Bei MWC-basierten Messungen wurde hingegen bei niedrigen Konzentrationen ein nichtlinearer Anstieg der Extinktion beobachtet. Gemäß dem Lambert-Beer'schen Gesetz ist die Extinktion proportional zur optischen Schichtdicke. Daher entspricht die Absorptionsverstärkung AEF (definiert als AEF = AMWC/A_Küvette bei gleicher Tintenkonzentration) dem Verhältnis der MWC-Länge zur optischen Schichtdicke der Küvette. Wie in Abb. 5 gezeigt, liegt die konstante AEF bei hohen Konzentrationen bei etwa 7,0, was plausibel ist, da die Länge der MWC genau dem Siebenfachen der Länge einer 1 cm Küvette entspricht. Bei niedrigen Konzentrationen (relative Konzentration <1,28 × 10-5) steigt der AEF jedoch mit abnehmender Konzentration und würde bei einer relativen Konzentration von 8,2 × 10-10 einen Wert von 803 erreichen, wenn man die Kurve der küvettenbasierten Messung extrapoliert. Bei niedrigen Konzentrationen (relative Konzentration <1,28 × 10-5) steigt der AEF jedoch mit abnehmender Konzentration und würde bei einer relativen Konzentration von 8,2 × 10-10 einen Wert von 803 erreichen, wenn man die Kurve der küvettenbasierten Messung extrapoliert. Bei niedrigen Konzentrationen (besondere Konzentration <1,28 × 10–5) AEF erhöht die Konzentration und kann die Konzentration verbessern 803 pri Externe Konzentration 8,2 × 10–10 bei der Messung einer kritischen Auflösung auf neuen Ebenen. Bei niedrigen Konzentrationen (relative Konzentration <1,28 × 10–5) steigt der AEF jedoch mit abnehmender Konzentration und kann bei einer relativen Konzentration von 8,2 × 10–10 einen Wert von 803 erreichen, wenn er von einer auf Küvetten basierenden Messkurve extrapoliert wird.然而, 在低浓度（相关浓度<1,28 × 10-5）下, AEF 8,2 × 10-10时将达到803 的值.然而, 在 低 浓度 （相关 浓度 <1,28 × 10-5）, , AEF 随着 的 降低 而, 并且 通过 外推 基于比色皿 测量 曲线, 在 浓度 为 8.2 × 10-10 时 达到 达到 达到 达到 达到803 值。 Однако при низких концентрация (relative концентрации < 1,28 × 10-5) АЭП увеличивается с уменьшением концентрации, и в экстраполяции кривой Die Größe der neuen Farben beträgt 8,2 × 10–10 803. Allerdings steigt die AED bei niedrigen Konzentrationen (relevante Konzentrationen < 1,28 × 10-5) mit abnehmender Konzentration an und erreicht, extrapoliert aus einer auf Küvetten basierenden Messkurve, einen relativen Konzentrationswert von 8,2 × 10–10 803 .Dies ergibt einen entsprechenden optischen Weg von 803 cm (AEF × 1 cm), der deutlich länger ist als die physikalische Länge des MWC und sogar länger als der längste kommerziell erhältliche LWC (500 cm von World Precision Instruments, Inc.). (Doko Engineering LLC bietet einen LWC mit einer Länge von 200 cm an.) Dieser nichtlineare Anstieg der Absorption im LWC wurde bisher nicht beschrieben.
Die Abbildungen 6(a)–(c) zeigen jeweils eine optische Aufnahme, eine Mikroskopaufnahme und eine Profilometeraufnahme der Innenfläche des MWC-Abschnitts. Wie in Abb. 6(a) zu sehen ist, ist die Innenfläche glatt und glänzend, reflektiert sichtbares Licht und weist eine hohe Reflektivität auf. Wie in Abb. 6(b) dargestellt, sind aufgrund der Verformbarkeit und der kristallinen Struktur des Metalls kleine Erhebungen und Unebenheiten auf der glatten Oberfläche erkennbar. Angesichts der geringen Fläche (<5 μm×5 μm) beträgt die Rauheit der meisten Oberflächen weniger als 1,2 nm (Abb. 6(c)). Im Hinblick auf die geringe Fläche (<5 μm×5 μm) beträgt die Rauheit der meisten Oberflächen weniger als 1,2 nm (Abb. 6(c)). Bei kleineren Einsätzen (<5 Mio. × 5 Mio.) beträgt die Mindestdauer 1,2 Seemeilen (Risk. 6(v)). Aufgrund der geringen Fläche (<5 µm×5 µm) beträgt die Rauheit des größten Teils der Oberfläche weniger als 1,2 nm (Abb. 6(c)).Der Durchmesser beträgt 1,2 nm (ca. 6 c).Der Durchmesser beträgt 1,2 nm (ca. 6 c). Die Mindestlänge beträgt 1,2 Seemeilen (Ris. 6(v)). Angesichts der geringen Fläche (<5 µm × 5 µm) beträgt die Rauheit der meisten Oberflächen weniger als 1,2 nm (Abb. 6(c)).
(a) Optische Aufnahme, (b) Mikroskopaufnahme und (c) optische Aufnahme der Innenfläche des MWC-Schnitts.
Wie in Abb. 7(a) dargestellt, wird der optische Weg LOP in der Kapillare durch den Einfallswinkel θ bestimmt (LOP = LC/sinθ, wobei LC die physikalische Länge der Kapillare ist). Bei mit deionisiertem Wasser gefüllten Teflon-AF-Kapillaren muss der Einfallswinkel größer als der kritische Winkel von 77,8° sein, sodass der LOP ohne weitere Optimierung weniger als 1,02 × LC beträgt^3,6. Im Gegensatz dazu ist bei MWC die Lichtführung in der Kapillare unabhängig vom Brechungsindex und vom Einfallswinkel. Daher kann der Lichtweg mit abnehmendem Einfallswinkel deutlich länger als die Kapillarlänge sein (LOP » LC). Wie in Abb. 7(b) gezeigt, kann die gewellte Metalloberfläche Lichtstreuung induzieren, wodurch der optische Weg erheblich verlängert wird.
Daher existieren für MWC zwei Lichtwege: direktes Licht ohne Reflexion (LOP = LC) und sägezahnförmiges Licht mit Mehrfachreflexionen zwischen den Seitenwänden (LOP » LC). Gemäß dem Lambert-Beer'schen Gesetz lässt sich die Intensität des transmittierten direkten und des zickzackförmigen Lichts als PS × exp(-α × LC) bzw. PZ × exp(-α × LOP) ausdrücken, wobei die Konstante α der Absorptionskoeffizient ist, der ausschließlich von der Tintenkonzentration abhängt.
Bei Tinte mit hoher Konzentration (z. B. relative Konzentration > 1,28 × 10⁻⁵) wird das Zickzacklicht stark abgeschwächt und seine Intensität ist aufgrund des großen Absorptionskoeffizienten und des viel längeren optischen Weges viel geringer als die von geradlinigem Licht. Bei Tinte mit hoher Konzentration (z. B. relative Konzentration > 1,28 × 10-5) wird das Zickzacklicht stark abgeschwächt und seine Intensität ist aufgrund des großen Absorptionskoeffizienten und des viel längeren optischen Weges viel geringer als die von geradlinigem Licht. Aufgrund der hohen Konzentration (z. B. Außenkonzentration > 1,28 × 10-5) wird die Helligkeit des Sonnenlichts durch diese Intensität verringert намного Nichtsdestotrotz, wenn Sie sich im Licht befinden, ist eine große Anzahl an optischen Dienstleistungen erforderlich. Bei Tinte mit hoher Konzentration (z. B. relative Konzentration > 1,28 × 10⁻⁵) wird das Zickzacklicht stark abgeschwächt und seine Intensität ist aufgrund des großen Absorptionskoeffizienten und der viel längeren optischen Emission viel geringer als die von direktem Licht.Schiene.对于高浓度墨水（例如, 相关浓度>1.28×10-5）, Z字形光衰减很大, 其强度远低于直光, 这是由于吸收系数大, 光学时间更长.z这 是 吸收 系数 大 光学 时间 更。。。 长 长 长 长 长 长 长 长 长 长 长 长 长Aufgrund der hohen Konzentration (z. B. mit einer relevanten Konzentration >1,28×10-5) ist das Sonnenlicht nicht mehr haltbar und so intensiv Heute ist es so, dass Sie mit einer großen Anzahl optischer Tests und einer größeren Anzahl optischer Tests arbeiten. Bei Tinten mit hoher Konzentration (z. B. relevante Konzentrationen > 1,28 × 10⁻⁵) wird das Zickzacklicht aufgrund des großen Absorptionskoeffizienten und der längeren optischen Zeit deutlich abgeschwächt und seine Intensität ist viel geringer als die von direktem Licht.kleine Straße.Daher wurde die Absorptionsbestimmung hauptsächlich mit direktem Licht durchgeführt (LOP=LC), und der AEF-Wert wurde konstant bei ~7,0 gehalten. Im Gegensatz dazu nimmt die Intensität des Zickzacklichts schneller zu als die des geraden Lichts, wenn der Absorptionskoeffizient mit abnehmender Tintenkonzentration sinkt (z. B. entsprechende Konzentration < 1,28 × 10-5), und dann beginnt das Zickzacklicht eine wichtigere Rolle zu spielen. Im Gegensatz dazu nimmt die Intensität des Zickzacklichts schneller zu als die des geraden Lichts, wenn der Absorptionskoeffizient mit abnehmender Tintenkonzentration sinkt (z. B. entsprechende Konzentration < 1,28 × 10-5), und dann beginnt das Zickzacklicht eine wichtigere Rolle zu spielen. Напротив, когда коффициент поглощения уменьшается с уменьшением концентрации чернил (zum Beispiel, относительная концентрация <1,28 × 10-5), intensiv Das leuchtende Sonnenlicht leuchtet auf, je nachdem, welches Licht Sie benötigen, und dann wird das leuchtende Sonnenlicht abgespielt. Im Gegenteil, wenn der Absorptionskoeffizient mit abnehmender Tintenkonzentration sinkt (z. B. die relative Konzentration < 1,28 × 10⁻⁵), steigt die Intensität des Zickzacklichts schneller an als die des direkten Lichts, und dann beginnt das Zickzacklicht zu spielen.wichtigere Rolle.相反,当吸收系数随着墨水浓度的降低而降低时（例如,相关浓度<1,28×10-5 ),相反, 当 吸收 系数 随着 墨水 的 降低 而 降低 时 例如 例如, 相关 浓度 浓度 <1,28 × 10-5）,字形光 的 强度 比 增加 得 更, 然后 z 字形光 发挥 作用 一 个 重要 重要 重要 更 更 更 更 更 更 更 更 HI的角色. In diesem Fall wird die Koeffizientenkonzentration durch eine geringere Konzentration von Schwarz (z. B. eine Konzentration von < 1,28×10-5) bestimmt. intensiv Das glühende Sonnenlicht erhellt den Himmel, wenn es darum geht, und das glühende Sonnenlicht beginnt, mehr als eine Rolle zu spielen. Umgekehrt gilt: Wenn der Absorptionskoeffizient mit abnehmender Tintenkonzentration sinkt (z. B. die entsprechende Konzentration < 1,28×10-5), steigt die Intensität des Zickzacklichts schneller an als die des direkten Lichts, und dann beginnt das Zickzacklicht eine wichtigere Rolle zu spielen.Rollencharakter.Aufgrund des sägezahnförmigen optischen Pfades (LOP » LC) kann der AEF-Wert daher um weit über 7,0 erhöht werden. Präzise Lichtübertragungseigenschaften von MWC können mithilfe der Wellenleitermodentheorie ermittelt werden.
Neben der Verbesserung des optischen Pfades trägt auch der schnelle Probenwechsel zu extrem niedrigen Nachweisgrenzen bei. Dank des geringen Volumens der Mikrokapillare (MCC, 0,16 ml) beträgt die Zeit für den Lösungswechsel in der MCC weniger als 20 Sekunden. Wie in Abbildung 5 dargestellt, ist der minimale Nachweiswert der AMWC (2,5 × 10⁻⁴) viermal niedriger als der der Akuvette (1,0 × 10⁻³). Der schnelle Wechsel der fließenden Lösung in der Kapillare reduziert den Einfluss von Systemrauschen (z. B. Drift) auf die Genauigkeit der Absorptionsdifferenz im Vergleich zur Retentionslösung in der Küvette. Beispielsweise lässt sich ΔV, wie in Abb. 3(b)–(d) gezeigt, aufgrund des schnellen Probenwechsels in der Kapillare mit kleinem Volumen leicht von einem Driftsignal unterscheiden.
Wie in Tabelle 2 dargestellt, wurden verschiedene Glucoselösungen mit deionisiertem Wasser als Lösungsmittel hergestellt. Gefärbte bzw. ungefärbte Proben wurden durch Mischen von Glucoselösung bzw. deionisiertem Wasser mit chromogenen Lösungen von Glucoseoxidase (GOD) und Peroxidase (POD) im Volumenverhältnis 3:1 präpariert. Abbildung 8 zeigt optische Aufnahmen von neun gefärbten Proben (S2–S10) mit Glucosekonzentrationen von 2,0 mM (links) bis 5,12 nM (rechts). Die Rotfärbung nimmt mit sinkender Glucosekonzentration ab.
Die Messergebnisse der Proben 4, 9 und 10 mit einem MWC-basierten Photometer sind in Abb. 9(a)–(c) dargestellt. Wie in Abb. 9(c) zu sehen ist, nimmt die Stabilität des gemessenen ΔV-Wertes ab und steigt während der Messung langsam an, da sich die Farbe des GOD-POD-Reagenz selbst (auch ohne Glucosezusatz) im Licht langsam verändert. Daher können aufeinanderfolgende ΔV-Messungen für Proben mit einer Glucosekonzentration unter 5,12 nM (Probe 10) nicht wiederholt werden, da die Instabilität des GOD-POD-Reagenz bei ausreichend kleinen ΔV-Werten nicht mehr vernachlässigt werden kann. Die Nachweisgrenze für Glucoselösung liegt daher bei 5,12 nM, obwohl der entsprechende ΔV-Wert (0,52 µV) deutlich über dem Rauschwert (0,03 µV) liegt, was zeigt, dass auch kleine ΔV-Werte detektiert werden können. Diese Nachweisgrenze kann durch die Verwendung stabilerer chromogener Reagenzien weiter verbessert werden.
(a) Messergebnisse für Probe 4, (b) Probe 9 und (c) Probe 10 mit einem MWC-basierten Photometer.
Die AMWC-Absorption kann anhand der gemessenen Werte für V_Farbe, V_Leerwert und V_Dunkel berechnet werden. Für einen Photodetektor mit einer Verstärkung von 105 beträgt V_Dunkel -0,068 μV. Die Messwerte für alle Proben sind im Zusatzmaterial aufgeführt. Zum Vergleich wurden auch Glucoseproben mit einem Spektralphotometer gemessen. Die gemessene Absorption der Acuvette erreichte eine Nachweisgrenze von 0,64 µM (Probe 7), wie in Abbildung 10 dargestellt.
Der Zusammenhang zwischen Absorption und Konzentration ist in Abbildung 11 dargestellt. Mit dem MWC-basierten Photometer wurde eine 125-fache Verbesserung der Nachweisgrenze im Vergleich zum küvettenbasierten Spektralphotometer erzielt. Diese Verbesserung ist aufgrund der geringen Stabilität des GOD-POD-Reagenz geringer als beim Test mit roter Tinte. Zudem wurde ein nichtlinearer Anstieg der Absorption bei niedrigen Konzentrationen beobachtet.
Das auf einem Metall-Wasser-Kapillarrohr (MWC) basierende Photometer wurde für den hochempfindlichen Nachweis von Flüssigkeitsproben entwickelt. Der optische Weg lässt sich deutlich verlängern und ist wesentlich länger als die physikalische Länge des MWC, da das von den gewellten, glatten Metallseitenwänden gestreute Licht unabhängig vom Einfallswinkel im Kapillarrohr geführt wird. Dank neuartiger nichtlinearer optischer Verstärkung, schnellem Probenwechsel und Glukosenachweis können mit herkömmlichen GOD-POD-Reagenzien Konzentrationen bis hinunter zu 5,12 nM erreicht werden. Dieses kompakte und kostengünstige Photometer wird in den Lebenswissenschaften und der Umweltanalytik breite Anwendung finden.
Wie in Abbildung 1 dargestellt, besteht das MWC-basierte Photometer aus einem 7 cm langen MWC (Innendurchmesser 1,7 mm, Außendurchmesser 3,18 mm, elektropolierte Innenfläche der Klasse EP, Kapillare aus Edelstahl SUS316L), einer LED mit einer Wellenlänge von 505 nm (Thorlabs M505F1), Linsen (Strahlstreuung ca. 6,6°), einem Photodetektor mit variabler Verstärkung (Thorlabs PDB450C) und zwei T-Stücken für die optische Kommunikation und den Flüssigkeitsein-/auslass. Das T-Stück besteht aus einer transparenten Quarzplatte, die mit einem PMMA-Rohr verklebt ist. In dieses Rohr sind das MWC und das PEEK-Rohr (0,72 mm Innendurchmesser, 1,6 mm Außendurchmesser, Vici Valco Corp.) fest eingesetzt und verklebt. Ein Dreiwegeventil, das mit dem PEEK-Einlassrohr verbunden ist, dient zum Umschalten der einströmenden Probe. Der Fotodetektor wandelt die empfangene optische Leistung P in ein verstärktes Spannungssignal N×V um (wobei V/P = 1,0 V/W bei 1550 nm gilt; die Verstärkung N kann manuell im Bereich von 10³–10⁷ eingestellt werden). Der Einfachheit halber wird V anstelle von N×V als Ausgangssignal verwendet.
Zum Vergleich wurde auch ein kommerzielles Spektralphotometer (Agilent Technologies Cary 300 Serie mit R928 Hocheffizienz-Photomultiplier) mit einer 1,0 cm Küvettenzelle verwendet, um die Absorption von flüssigen Proben zu messen.
Die Innenfläche des MWC-Schnitts wurde mit einem optischen Oberflächenprofilometer (ZYGO New View 5022) mit einer vertikalen und lateralen Auflösung von 0,1 nm bzw. 0,11 µm untersucht.
Alle Chemikalien (Analysenqualität, keine weitere Reinigung) wurden von Sichuan Chuangke Biotechnology Co., Ltd. bezogen. Die Glukosetestkits enthalten Glukoseoxidase (GOD), Peroxidase (POD), 4-Aminoantipyrin und Phenol usw. Die chromogene Lösung wurde nach der üblichen GOD-POD-Methode 37 hergestellt.
Wie in Tabelle 2 dargestellt, wurden verschiedene Glucoselösungen mit deionisiertem Wasser als Verdünnungsmittel mittels einer Verdünnungsreihe hergestellt (siehe Ergänzungsmaterial für Details). Färbte bzw. Blindproben wurden durch Mischen von Glucoselösung bzw. deionisiertem Wasser mit der chromogenen Lösung in einem festen Volumenverhältnis von 3:1 hergestellt. Alle Proben wurden vor der Messung 10 Minuten lang lichtgeschützt bei 37 °C gelagert. Bei der GOD-POD-Methode färben sich die gefärbten Proben rot mit einem Absorptionsmaximum bei 505 nm, wobei die Absorption nahezu proportional zur Glucosekonzentration ist.
Wie in Tabelle 1 dargestellt, wurde eine Reihe von Lösungen roter Tinte (Ostrich Ink Co., Ltd., Tianjin, China) durch serielle Verdünnung unter Verwendung von deionisiertem Wasser als Lösungsmittel hergestellt.
So zitieren Sie diesen Artikel: Bai, M. et al. Kompaktes Photometer auf Basis von Metallwellenleiterkapillaren: zur Bestimmung von Glucosekonzentrationen im nanomolaren Bereich. The Science. 5, 10476. doi: 10.1038/srep10476 (2015).
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Páscoa, RNMJ, Tóth, IV & Rangel, AOSS Review on recent applications of the liquid waveguide capillary cell in flow based analysis techniques to enhance the sensitivity of spectroscopic detection methods. Páscoa, RNMJ, Tóth, IV & Rangel, AOSS Review on recent applications of the liquid waveguide capillary cell in flow based analysis techniques to enhance the sensitivity of spectroscopic detection methods.Pascoa, RNMJ, Toth, IV und Rangel, AOSS Ein Überblick über aktuelle Anwendungen der Flüssigkeitswellenleiter-Kapillarzelle in Strömungsanalysetechniken zur Verbesserung der Empfindlichkeit spektroskopischer Detektionsmethoden. Páscoa, RNMJ, Tóth, IV & Rangel, AOSS回顾液体波导毛细管单元在基于流动的分析技术中的最新应用,以提高光谱检测方法的灵敏度. Páscoa, rnmj, tóth, IV & rangel, aoss检测 方法 的。。。 灵敏度 灵敏度 灵敏度 灵敏度 灵敏度 灵敏度 灵敏度 灵敏度 灵敏度灵敏度 灵敏度 灵敏度 灵敏度 灵敏度 灵敏度 灵敏度 灵敏度 灵敏度 灵敏度 灵敏度 灵敏度灵敏度 灵敏度 灵敏度 灵敏度 灵敏度 灵敏度 灵敏度 灵敏度Pascoa, RNMJ, Toth, IV und Rangel, AOSS Ein Überblick über aktuelle Anwendungen von Flüssigkeitswellenleiter-Kapillarzellen in durchflussbasierten Analysemethoden zur Steigerung der Empfindlichkeit spektroskopischer Detektionsmethoden.anus. Chim. Act 739, 1-13 (2012).
Wen, T., Gao, J., Zhang, J., Bian, B. & Shen, J. Untersuchung der Dicke von Ag, AgI-Filmen in der Kapillare für Hohlwellenleiter. Wen, T., Gao, J., Zhang, J., Bian, B. & Shen, J. Untersuchung der Dicke von Ag, AgI-Filmen in der Kapillare für Hohlwellenleiter.Wen T., Gao J., Zhang J., Bian B. und Shen J. Untersuchung der Dicke von Ag, AgI-Filmen in Kapillaren für Hohlwellenleiter. Wen, T., Gao, J., Zhang, J., Bian, B. & Shen, J. 中空波导毛细管中Ag、AgI 薄膜的研究。 Wen, T., Gao, J., Zhang, J., Bian, B. & Shen, J. Untersuchung der Dicke dünner Ag- und AgI-Filme im Luftkanal.Wen T., Gao J., Zhang J., Bian B. und Shen J. Untersuchung der Dünnschichtdicke von Ag, AgI in Hohlwellenleiterkapillaren.Infrarotphysik. Technologie 42, 501–508 (2001).
Gimbert, LJ, Haygarth, PM & Worsfold, PJ Bestimmung nanomolarer Phosphatkonzentrationen in natürlichen Gewässern mittels Fließinjektion mit einer Flüssigkeitswellenleiter-Kapillarzelle langer Weglänge und Festkörper-Spektralphotometrie. Gimbert, LJ, Haygarth, PM & Worsfold, PJ Bestimmung nanomolarer Phosphatkonzentrationen in natürlichen Gewässern mittels Fließinjektion mit einer Flüssigkeitswellenleiter-Kapillarzelle langer Weglänge und Festkörper-Spektralphotometrie.Gimbert, LJ, Haygarth, PM und Worsfold, PJ Bestimmung von nanomolaren Phosphatkonzentrationen in natürlichen Gewässern mittels Fließinjektion mit einer Flüssigkeitswellenleiter-Kapillarzelle und Festkörper-Spektralphotometrie. Gimbert, LJ, Haygarth, PM & Worsfold, PJ使用流动注射和长光程液体波导毛细管和固态分光光度检测法测定天然水中纳摩尔浓度的磷酸盐. Gimbert, LJ, Haygarth, PM & Worsfold, PJ Bestimmung der Phosphatkonzentration in natürlichem Wasser mittels einer Flüssigkeitsspritze und eines Langstrecken-Flüssigkeitswellenleiterkapillarrohrs.Gimbert, LJ, Haygarth, PM und Worsfold, PJ Bestimmung von nanomolaren Phosphatkonzentrationen in natürlichem Wasser mittels Injektionsfluss und Kapillarwellenleiter mit langem optischem Weg und Festkörper-Spektralphotometrie.Taranta 71, 1624–1628 (2007).
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Ellis, PS, Lyddy-Meaney, AJ, Worsfold, PJ & McKelvie, ID Multi-Reflexions-Photometrie-Durchflusszelle zur Verwendung bei der Durchflussinjektionsanalyse von Ästuarwasser. Ellis, PS, Lyddy-Meaney, AJ, Worsfold, PJ & McKelvie, ID Multi-Reflexions-Photometrie-Durchflusszelle zur Verwendung bei der Durchflussinjektionsanalyse von Ästuarwasser.Ellis, PS, Liddy-Minnie, AJ, Worsfold, PJ und McKelvey, ID Eine photometrische Durchflusszelle mit Mehrfachreflexion zur Verwendung in der Strömungsanalyse von Ästuarwasser. Ellis, PS, Lyddy-Meaney, AJ, Worsfold, PJ & McKelvie, ID Ellis, PS, Lyddy-Meaney, AJ, Worsfold, PJ & McKelvie, ID.Ellis, PS, Liddy-Minnie, AJ, Worsfold, PJ und McKelvey, ID Eine photometrische Durchflusszelle mit Mehrfachreflexion für die Durchflussinjektionsanalyse in Ästuargewässern.Anus Chim. Acta 499, 81-89 (2003).
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