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Die Spurenanalyse von Flüssigkeitsproben findet breite Anwendung in den Biowissenschaften und der Umweltüberwachung. In dieser Arbeit haben wir ein kompaktes und kostengünstiges Photometer auf Basis von Metallwellenleiterkapillaren (MCCs) zur hochempfindlichen Absorptionsbestimmung entwickelt. Der optische Weg kann deutlich verlängert und deutlich länger als die physikalische Länge der MWC sein, da das an den gewellten, glatten Metallseitenwänden gestreute Licht unabhängig vom Einfallswinkel in der Kapillare gehalten werden kann. Dank neuer nichtlinearer optischer Verstärkung, schnellem Probenwechsel und Glukosedetektion können mit gängigen chromogenen Reagenzien Konzentrationen bis zu 5,12 nM erreicht werden.
Aufgrund der Fülle verfügbarer chromogener Reagenzien und optoelektronischer Halbleiterbauelemente wird die Photometrie häufig zur Spurenanalyse von Flüssigkeitsproben eingesetzt1,2,3,4,5. Im Vergleich zur herkömmlichen Absorptionsbestimmung mit Küvetten reflektieren (TIR) ​​Flüssigkeitswellenleiterkapillaren (LWC) das Messlicht, indem sie es in der Kapillare halten1,2,3,4,5. Ohne weitere Verbesserungen entspricht der optische Pfad jedoch nur annähernd der physischen Länge eines LWC3,6. Eine Verlängerung des LWC über 1,0 m hinaus führt zu starker Lichtdämpfung und einem hohen Risiko von Blasen usw.3,7. Mit der vorgeschlagenen Mehrfachreflexionszelle zur Verbesserung des optischen Pfads wird die Nachweisgrenze nur um den Faktor 2,5–8,9 verbessert.
Derzeit gibt es zwei Haupttypen von LWC, nämlich Teflon-AF-Kapillaren (mit einem Brechungsindex von nur ca. 1,3, der niedriger ist als der von Wasser) und mit Teflon-AF- oder Metallfilmen beschichtete Silica-Kapillaren1,3,4. Um TIR an der Schnittstelle zwischen dielektrischen Materialien zu erreichen, sind Materialien mit niedrigem Brechungsindex und hohem Lichteinfallswinkel erforderlich3,6,10. Was Teflon-AF-Kapillaren betrifft, so ist Teflon-AF aufgrund seiner porösen Struktur atmungsaktiv3,11 und kann geringe Mengen von Substanzen in Wasserproben absorbieren. Bei Quarzkapillaren, die außen mit Teflon-AF oder Metall beschichtet sind, ist der Brechungsindex von Quarz (1,45) höher als bei den meisten Flüssigkeitsproben (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, aber der Beschichtungsprozess ist kompliziert, die Oberfläche des Metallfilms hat eine raue und poröse Struktur4,19.
Darüber hinaus weisen kommerzielle LWCs (AF Teflon Coated Capillaries und AF Teflon Coated Silica Capillaries, World Precision Instruments, Inc.) einige andere Nachteile auf, beispielsweise: Das große Totvolumen des TIR3,10, (2) T-Verbinders (zum Verbinden von Kapillaren, Fasern und Einlass-/Auslassschläuchen) kann Luftblasen einschließen10.
Gleichzeitig ist die Bestimmung des Glukosespiegels von großer Bedeutung für die Diagnose von Diabetes, Leberzirrhose und psychischen Erkrankungen20 und zahlreiche Nachweismethoden wie 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 Polarimetrie 36, Oberflächenplasmonenresonanz 37, Fabry-Perot-Kavität 38, Elektrochemie 39 und Kapillarelektrophorese 40,41 usw. Die meisten dieser Methoden erfordern jedoch teure Geräte und der Nachweis von Glukose in mehreren Nanomolarkonzentrationen bleibt eine Herausforderung (beispielsweise für photometrische Messungen21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, die niedrigste Glukosekonzentration). die Begrenzung lag bei nur 30 nM, wenn Berliner Blau-Nanopartikel als Peroxidase-Mimetika verwendet wurden.) Nanomolare Glukoseanalysen werden häufig für zelluläre Studien auf molekularer Ebene benötigt, beispielsweise zur Hemmung des Wachstums von Prostatakrebs beim Menschen42 und zum CO2-Fixierungsverhalten von Prochlorococcus im Ozean.
In diesem Artikel wurde ein kompaktes, kostengünstiges Photometer auf Basis einer Metallwellenleiterkapillare (MWC), einer Edelstahlkapillare SUS316L mit elektropolierter Innenfläche, zur ultrasensitiven Absorptionsbestimmung entwickelt. Da Licht in Metallkapillaren unabhängig vom Einfallswinkel eingeschlossen werden kann, lässt sich der optische Weg durch Lichtstreuung an gewellten und glatten Metalloberflächen stark verlängern und ist viel länger als die physikalische Länge der MWC. Zusätzlich wurde ein einfaches T-Stück für die optische Verbindung und den Flüssigkeitseinlass/-auslass entwickelt, um Totvolumen zu minimieren und Blaseneinschlüsse zu vermeiden. Durch die neue Verbesserung des nichtlinearen optischen Wegs und des schnellen Probenwechsels ist die Nachweisgrenze des 7-cm-MWC-Photometers im Vergleich zu einem kommerziellen Spektralphotometer mit 1-cm-Küvette etwa 3000-mal höher, und mit herkömmlichen chromogenen Reagenzien kann eine Glukose-Nachweiskonzentration von nur 5,12 nM erreicht werden.
Wie in Abbildung 1 dargestellt, besteht das MWC-basierte Photometer aus einem 7 cm langen MWC mit elektropolierter EP-Innenfläche, einer 505-nm-LED mit Linse, einem Photodetektor mit einstellbarer Verstärkung und zwei Anschlüssen für optische Kopplung und Flüssigkeitszufuhr. Ein Dreiwegeventil, das mit dem Pike-Einlassrohr verbunden ist, dient zum Umschalten der eingehenden Probe. Das Pike-Rohr liegt eng an der Quarzplatte und dem MWC an, wodurch das Totvolumen im T-Stück minimiert und das Einschließen von Luftblasen wirksam verhindert wird. Darüber hinaus kann der kollimierte Strahl einfach und effizient durch die T-Stück-Quarzplatte in den MWC eingeführt werden.
Der Strahl und die flüssige Probe werden über ein T-Stück in den MCC eingeführt, und der durch den MCC hindurchtretende Strahl wird von einem Fotodetektor empfangen. Eingehende Lösungen von gefärbten oder leeren Proben werden abwechselnd über ein Dreiwegeventil in den ICC eingeführt. Nach dem Beerschen Gesetz lässt sich die optische Dichte einer gefärbten Probe mit der Gleichung 1,10 berechnen.
Dabei sind Vcolor und Vblank die Ausgangssignale des Fotodetektors, wenn Farb- bzw. Leerproben in den MCC eingegeben werden, und Vdark ist das Hintergrundsignal des Fotodetektors bei ausgeschalteter LED. Die Änderung des Ausgangssignals ΔV = Vcolor–Vblank kann durch Umschalten der Proben gemessen werden. Gemäß der Gleichung. Wie in Abbildung 1 dargestellt, können kleine Änderungen von Vblank (z. B. Drift) bei Verwendung eines Abtastumschaltschemas nur geringe Auswirkungen auf den AMWC-Wert haben, wenn ΔV deutlich kleiner als Vblank–Vdark ist.
Um die Leistung des MWC-basierten Photometers mit der des Küvetten-basierten Spektralphotometers zu vergleichen, wurde eine rote Tintenlösung aufgrund ihrer ausgezeichneten Farbstabilität und guten Konzentrations-Absorptionslinearität als Farbprobe verwendet, DI H2O als Blindprobe. Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurde eine Reihe von roten Tintenlösungen mithilfe der Methode der seriellen Verdünnung unter Verwendung von DI H2O als Lösungsmittel hergestellt. Die relative Konzentration von Probe 1 (S1), unverdünnter originaler roter Farbe, wurde mit 1,0 bestimmt. Abbildung 2 zeigt optische Fotografien von 11 roten Tintenproben (S4 bis S14) mit relativen Konzentrationen (aufgeführt in Tabelle 1) im Bereich von 8,0 × 10–3 (links) bis 8,2 × 10–10 (rechts).
Die Messergebnisse für Probe 6 sind in Abbildung 3(a) dargestellt. Die Umschaltpunkte zwischen gefärbten und leeren Proben sind in der Abbildung durch Doppelpfeile „↔“ markiert. Es ist ersichtlich, dass die Ausgangsspannung beim Wechsel von Farbproben zu leeren Proben und umgekehrt schnell ansteigt. Vcolor, Vblank und das entsprechende ΔV können wie in der Abbildung dargestellt 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) gezeigt, beträgt das gemessene ΔV nur 5 nV, was fast dem dreifachen Rauschwert (2 nV) entspricht. Ein kleines ΔV lässt sich nur schwer vom Rauschen unterscheiden. Somit erreichte die Nachweisgrenze eine relative Konzentration von 8,2×10-10 (Probe 14). Mithilfe der Gleichungen 1. kann die AMWC-Absorption aus den gemessenen Vcolor-, Vblank- und Vdark-Werten berechnet werden. Für einen Photodetektor mit einer Verstärkung von 104 beträgt Vdark -0,68 μV. Die Messergebnisse für alle Proben sind in Tabelle 1 zusammengefasst und können im Zusatzmaterial gefunden werden. Wie in Tabelle 1 gezeigt, erreicht die Absorption bei hohen Konzentrationen eine Sättigung, sodass Absorptionen über 3,7 mit MWC-basierten Spektrometern nicht gemessen werden können.
Zum Vergleich wurde eine rote Tintenprobe ebenfalls mit einem Spektralphotometer gemessen. Die mit der Acuvette gemessene Absorption ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Acuvette-Werte bei 505 nm (siehe Tabelle 1) wurden durch Bezugnahme auf die Kurven der Proben 10, 11 und 12 (siehe Einschub in Abbildung 4) als Basislinie ermittelt. Wie gezeigt, 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 wurde die Nachweisgrenze bei Verwendung des MWC-basierten Photometers im Vergleich zum Küvetten-basierten Spektralphotometer um den Faktor 3125 verbessert.
Die Abhängigkeit von Absorption und Konzentration ist in Abb. 5 dargestellt. Bei Küvettenmessungen ist die Absorption proportional zur Tintenkonzentration bei einer Weglänge von 1 cm. Bei MWC-basierten Messungen wurde hingegen bei niedrigen Konzentrationen ein nichtlinearer Anstieg der Absorption beobachtet. Gemäß dem Beerschen Gesetz ist die Absorption proportional zur optischen Weglänge, sodass die Absorptionsverstärkung AEF (definiert als AEF = AMWC/Acuvette bei gleicher Tintenkonzentration) das Verhältnis von MWC zur optischen Weglänge der Küvette ist. Wie in Abbildung 5 dargestellt, liegt die konstante AEF bei hohen Konzentrationen bei etwa 7,0, was verständlich ist, da die Länge des MWC genau das 7-fache der Länge einer 1-cm-Küvette beträgt. Bei niedrigen Konzentrationen (bezogene Konzentration < 1,28 × 10-5 ) steigt der AEF jedoch mit abnehmender Konzentration an und würde bei einer verwandten Konzentration von 8,2 × 10-10 einen Wert von 803 erreichen, wenn man die Kurve der Küvettenmessung extrapoliert. Bei niedrigen Konzentrationen (bezogene Konzentration < 1,28 × 10-5 ) steigt der AEF jedoch mit abnehmender Konzentration an und würde bei einer verwandten Konzentration von 8,2 × 10-10 einen Wert von 803 erreichen, wenn man die Kurve der Küvettenmessung 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 an und kann bei einer relativen Konzentration von 8,2 × 10–10 einen Wert von 803 erreichen, wenn er aus einer küvettenbasierten 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. Bei niedrigen Konzentrationen (relevante Konzentrationen < 1,28 × 10-5) steigt die AED jedoch mit abnehmender Konzentration an und erreicht bei Extrapolation aus einer Küvetten-basierten Messkurve einen relativen Konzentrationswert von 8,2 × 10–10 803.Dies führt zu einem entsprechenden optischen Weg von 803 cm (AEF × 1 cm), der viel 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 hat eine Länge von 200 cm). Über diesen nichtlinearen Anstieg der Absorption im LWC wurde bisher nicht berichtet.
Abb. 6(a)–(c) zeigen jeweils ein optisches Bild, ein Mikroskopbild und ein optisches Profilbild der Innenfläche des MWC-Abschnitts. Wie in Abb. 6(a) dargestellt, ist die Innenfläche glatt und glänzend, reflektiert sichtbares Licht und ist hochreflektierend. Wie in Abb. 6(b) dargestellt, bilden sich aufgrund der Verformbarkeit und der kristallinen Natur des Metalls kleine Mesas und Unregelmäßigkeiten auf der glatten Oberfläche. Angesichts der kleinen Fläche (<5 μm × 5 μm) beträgt die Rauheit der meisten Oberflächen weniger als 1,2 nm (Abb. 6 (c)). Angesichts einer kleinen 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) Optisches Bild, (b) Mikroskopbild und (c) optisches Bild der Innenfläche des MWC-Schnitts.
Wie in Abb. 7(a) gezeigt, 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 DI H2O gefüllten Teflon AF-Kapillaren muss der Einfallswinkel größer sein als der kritische Winkel von 77,8°, sodass der LOP ohne weitere Verbesserung kleiner als 1,02 × LC ist3.6. Beim MWC hingegen ist die Einschließung des Lichts innerhalb der Kapillare unabhängig vom Brechungsindex oder Einfallswinkel, sodass der Lichtweg bei kleiner werdendem Einfallswinkel viel länger sein kann als die Länge der Kapillare (LOP » LC). Wie in Abb. 7(b) gezeigt, kann die gewellte Metalloberfläche eine Lichtstreuung hervorrufen, die den optischen Weg erheblich verlängern kann.
Daher gibt es für MWC zwei Lichtwege: direktes Licht ohne Reflexion (LOP = LC) und Sägezahnlicht mit Mehrfachreflexionen zwischen den Seitenwänden (LOP » LC). Gemäß dem Beerschen Gesetz kann die Intensität des durchgelassenen direkten und Zickzacklichts als PS×exp(-α×LC) bzw. PZ×exp(-α×LOP) ausgedrückt werden, wobei die Konstante α der Absorptionskoeffizient ist, der vollständig von der Tintenkonzentration abhängt.
Bei Tinte mit hoher Konzentration (z. B. relative Konzentration > 1,28 × 10-5) wird das Zickzack-Licht stark gedämpft und seine Intensität ist aufgrund des großen Absorptionskoeffizienten und des viel längeren optischen Wegs viel geringer als die von geradlinigem Licht. Bei Tinte mit hoher Konzentration (z. B. relative Konzentration > 1,28 × 10-5) wird das Zickzack-Licht stark gedämpft und seine Intensität ist aufgrund des großen Absorptionskoeffizienten und des viel längeren optischen Wegs 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 gedämpft und seine Intensität ist aufgrund des großen Absorptionskoeffizienten und der viel längeren optischen Emission viel geringer als die des direkten Lichts.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 erheblich gedämpft und seine Intensität ist aufgrund des großen Absorptionskoeffizienten und der längeren optischen Zeit viel geringer als die des direkten Lichts.kleine Straße.Daher dominierte direktes Licht die Absorptionsbestimmung (LOP=LC) und der AEF wurde konstant bei ~7,0 gehalten. Wenn dagegen der Absorptionskoeffizient mit abnehmender Tintenkonzentration abnimmt (z. B. relative Konzentration < 1,28 × 10-5), steigt die Intensität des Zickzacklichts schneller an als die des geraden Lichts und dann beginnt das Zickzacklicht eine wichtigere Rolle zu spielen. Wenn dagegen der Absorptionskoeffizient mit abnehmender Tintenkonzentration abnimmt (z. B. relative Konzentration < 1,28 × 10-5), steigt die Intensität des Zickzacklichts schneller an als die des geraden Lichts 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 abnimmt (beispielsweise die relative Konzentration <1,28 × 10-5), nimmt die Intensität des Zickzacklichts schneller zu 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, wenn der Absorptionskoeffizient mit abnehmender Tintenkonzentration abnimmt (beispielsweise 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.Daher kann der AEF aufgrund des sägezahnförmigen optischen Pfads (LOP » LC) deutlich über 7,0 erhöht werden. Präzise Lichtübertragungseigenschaften von MWC können mithilfe der Wellenleitermodustheorie ermittelt werden.
Neben der Verbesserung des optischen Pfades trägt der schnelle Probenwechsel auch zu extrem niedrigen Nachweisgrenzen bei. Aufgrund des geringen Volumens von MCC (0,16 ml) kann die zum Wechseln und Austauschen von Lösungen in MCC benötigte Zeit weniger als 20 Sekunden betragen. Wie in Abbildung 5 dargestellt, ist der minimal nachweisbare Wert von AMWC (2,5 × 10–4) 4-mal niedriger als der von Acuvette (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. Wie in Abbildung 3(b)-(d) dargestellt, kann beispielsweise ΔV aufgrund des schnellen Probenwechsels in der kleinvolumigen Kapillare leicht von einem Driftsignal unterschieden werden.
Wie in Tabelle 2 dargestellt, wurden verschiedene Glucoselösungen in unterschiedlichen Konzentrationen mit deionisiertem Wasser als Lösungsmittel hergestellt. Gefärbte oder Leerproben wurden durch Mischen von Glucoselösung oder deionisiertem Wasser mit chromogenen Lösungen von Glucoseoxidase (GOD) und Peroxidase (POD) 37 im festen Volumenverhältnis 3:1 hergestellt. Abb. 8 zeigt optische Fotografien von neun gefärbten Proben (S2–S10) mit Glucosekonzentrationen von 2,0 mM (links) bis 5,12 nM (rechts). Die Rötung nimmt mit abnehmender Glucosekonzentration ab.
Die Ergebnisse der Messungen der Proben 4, 9 und 10 mit einem MWC-basierten Photometer sind in Abb. 9(a)–(c) dargestellt. Wie in Abb. 9(c) gezeigt, wird das gemessene ΔV weniger stabil und steigt während der Messung langsam an, da sich die Farbe des GOD-POD-Reagenz selbst (auch ohne Zugabe von Glucose) im Licht langsam ändert. Daher können aufeinanderfolgende ΔV-Messungen für Proben mit einer Glucosekonzentration von weniger als 5,12 nM (Probe 10) nicht wiederholt werden, da die Instabilität des GOD-POD-Reagenz bei einem ausreichend kleinen ΔV nicht länger vernachlässigt werden kann. Daher liegt die Nachweisgrenze für Glucoselösung bei 5,12 nM, obwohl der entsprechende ΔV-Wert (0,52 µV) viel größer ist als der Rauschwert (0,03 µV), was darauf hindeutet, dass ein kleines ΔV immer noch nachgewiesen werden kann. Diese Nachweisgrenze kann durch 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 Vcolor-, Vblank- und Vdark-Werte berechnet werden. Für einen Fotodetektor mit einer Verstärkung von 105 beträgt Vdark -0,068 μV. Messwerte für alle Proben können im Zusatzmaterial eingestellt werden. Zum Vergleich wurden Glukoseproben zusätzlich mit einem Spektralphotometer gemessen. Die gemessene Absorption der Acuvette erreichte eine Nachweisgrenze von 0,64 µM (Probe 7), wie in Abbildung 10 dargestellt.
Die Beziehung zwischen Absorption und Konzentration ist in Abbildung 11 dargestellt. Mit dem MWC-basierten Photometer wurde eine 125-fache Verbesserung der Nachweisgrenze im Vergleich zum Küvetten-basierten Spektralphotometer erreicht. Diese Verbesserung ist aufgrund der geringen Stabilität des GOD-POD-Reagenzes geringer als beim Rottintentest. Außerdem wurde ein nichtlinearer Anstieg der Absorption bei niedrigen Konzentrationen beobachtet.
Das MWC-basierte Photometer wurde für die hochempfindliche Detektion flüssiger Proben entwickelt. Der optische Weg kann deutlich verlängert und deutlich länger als die physikalische Länge des MWC sein, da das von den gewellten, glatten Metallseitenwänden gestreute Licht unabhängig vom Einfallswinkel in der Kapillare gehalten werden kann. Dank neuer nichtlinearer optischer Verstärkung, schnellem Probenwechsel und Glukoseerkennung können mit herkömmlichen GOD-POD-Reagenzien Konzentrationen bis zu 5,12 nM erreicht werden. Dieses kompakte und kostengünstige Photometer wird in den Biowissenschaften und der Umweltüberwachung zur Spurenanalyse 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 EP-Klasse, Kapillare aus Edelstahl SUS316L), einer LED mit 505 nm Wellenlänge (Thorlabs M505F1) und Linsen (Strahlwinkel ca. 6,6 Grad), einem Photodetektor mit variabler Verstärkung (Thorlabs PDB450C) und zwei T-Stücken für optische Kommunikation und Flüssigkeitsein-/auslass. Das T-Stück wird durch Verbinden einer transparenten Quarzplatte mit einem PMMA-Röhrchen hergestellt, in das MWC- und Peek-Röhrchen (0,72 mm Innendurchmesser, 1,6 mm Außendurchmesser, Vici Valco Corp.) fest eingesetzt und verklebt sind. Ein mit dem Pike-Einlassrohr verbundenes Dreiwegeventil dient zum Umschalten der eingehenden Probe. Der Fotodetektor kann die empfangene optische Leistung P in ein verstärktes Spannungssignal N×V umwandeln (wobei V/P = 1,0 V/W bei 1550 nm ist und die Verstärkung N manuell im Bereich von 103–107 eingestellt werden kann). Der Kürze halber wird V anstelle von N×V als Ausgangssignal verwendet.
Im Vergleich dazu wurde zur Messung der Absorption von Flüssigkeitsproben auch ein kommerzielles Spektralphotometer (Agilent Technologies Cary 300-Serie mit R928 High Efficiency Photomultiplier) mit einer 1,0 cm Küvettenzelle verwendet.
Die Innenfläche des MWC-Schnitts wurde mit einem optischen Oberflächenprofiler (ZYGO New View 5022) mit einer vertikalen und lateralen Auflösung von 0,1 nm bzw. 0,11 µm untersucht.
Alle Chemikalien (analytische Qualität, keine weitere Reinigung) wurden von Sichuan Chuangke Biotechnology Co., Ltd. gekauft. Die Glucose-Testkits enthalten Glucoseoxidase (GOD), Peroxidase (POD), 4-Aminoantipyrin und Phenol usw. Die chromogene Lösung wurde mit der üblichen GOD-POD 37-Methode hergestellt.
Wie in Tabelle 2 dargestellt, wurden verschiedene Glucoselösungen in unterschiedlichen Konzentrationen mit deionisiertem Wasser als Verdünnungsmittel mittels serieller Verdünnung hergestellt (Details siehe Zusatzmaterialien). Zur Herstellung von gefärbten Proben bzw. Leerproben wurde Glucoselösung bzw. deionisiertes Wasser mit chromogener Lösung im festen Volumenverhältnis 3:1 gemischt. Alle Proben wurden vor der Messung 10 Minuten lang lichtgeschützt bei 37 °C gelagert. Bei der GOD-POD-Methode färben sich gefärbte Proben rot mit einem Absorptionsmaximum bei 505 nm, wobei die Absorption nahezu proportional zur Glucosekonzentration ist.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurde eine Reihe roter Tintenlösungen (Ostrich Ink Co., Ltd., Tianjin, China) mit der Methode der seriellen Verdünnung unter Verwendung von deionisiertem Wasser als Lösungsmittel hergestellt.
Zitierhinweis für diesen Artikel: Bai, M. et al. Kompaktes Photometer auf Basis von Metall-Wellenleiterkapillaren: zur Bestimmung nanomolarer Glucosekonzentrationen. The Science. 5, 10476. doi: 10.1038/srep10476 (2015).
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Páscoa, RNMJ, Tóth, IV & Rangel, AOSS – Überblick über aktuelle Anwendungen der Flüssigkeitswellenleiter-Kapillarzelle in strömungsbasierten Analysetechniken zur Verbesserung der Empfindlichkeit spektroskopischer Nachweismethoden. Páscoa, RNMJ, Tóth, IV & Rangel, AOSS – Überblick über aktuelle Anwendungen der Flüssigkeitswellenleiter-Kapillarzelle in strömungsbasierten Analysetechniken zur Verbesserung der Empfindlichkeit spektroskopischer Nachweismethoden.Pascoa, RNMJ, Toth, IV und Rangel, AOSS Ein Überblick über aktuelle Anwendungen der Flüssigkeitswellenleiter-Kapillarzelle in Durchflussanalysetechniken zur Verbesserung der Empfindlichkeit spektroskopischer Nachweismethoden. 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 flussbasierten Analysemethoden zur Verbesserung der Empfindlichkeit spektroskopischer Nachweismethoden.Anus. Chim. Act 739, 1-13 (2012).
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Gimbert, LJ, Haygarth, PM & Worsfold, PJ Bestimmung nanomolarer Phosphatkonzentrationen in natürlichen Gewässern mittels Durchflussinjektion mit einer Flüssigkeitswellenleiter-Kapillarzelle mit großer Weglänge und spektrophotometrischer Festkörperdetektion. Gimbert, LJ, Haygarth, PM & Worsfold, PJ Bestimmung nanomolarer Phosphatkonzentrationen in natürlichen Gewässern mittels Durchflussinjektion mit einer Flüssigkeitswellenleiter-Kapillarzelle mit großer Weglänge und spektrophotometrischer Festkörperdetektion.Gimbert, LJ, Haygarth, PM und Worsfold, PJ Bestimmung nanomolarer Phosphatkonzentrationen in natürlichen Gewässern mittels Durchflussinjektion mit einer Flüssigkeitswellenleiter-Kapillarzelle und spektrophotometrischer Festkörperdetektion. 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 mithilfe einer Flüssigkeitsspritze und eines weitreichenden Flüssigkeitswellenleiter-Kapillarrohrs.Gimbert, LJ, Haygarth, PM und Worsfold, PJ Bestimmung von nanomolarem Phosphat in natürlichem Wasser mittels Injektionsfluss und Kapillarwellenleiter mit langem optischen Weg und spektrophotometrischer Festkörperdetektion.Taranta 71, 1624–1628 (2007).
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Dallas, T. & Dasgupta, PK Licht am Ende des Tunnels: aktuelle analytische Anwendungen von Wellenleitern mit Flüssigkeitskern. Dallas, T. & Dasgupta, PK Licht am Ende des Tunnels: aktuelle analytische Anwendungen von Wellenleitern mit Flüssigkeitskern.Dallas, T. und Dasgupta, PK Licht am Ende des Tunnels: aktuelle analytische Anwendungen von Wellenleitern mit Flüssigkeitskern. Dallas, T. & Dasgupta, PK Licht am Ende des Tunnels: 液芯波导的最新分析应用. Dallas, T. & Dasgupta, PK Licht am Ende des Tunnels: 液芯波导的最新分析应用.Dallas, T. und Dasgupta, PK Licht am Ende des Tunnels: die neueste analytische Anwendung von Wellenleitern mit Flüssigkeitskern.TrAC, Trendanalyse. Chemical. 23, 385–392 (2004).
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Ellis, PS, Lyddy-Meaney, AJ, Worsfold, PJ & McKelvie, ID. Mehrfachreflexions-Photometrie-Durchflusszelle zur Verwendung bei der Durchflussinjektionsanalyse von Ästuargewässern. Ellis, PS, Lyddy-Meaney, AJ, Worsfold, PJ & McKelvie, ID. Mehrfachreflexions-Photometrie-Durchflusszelle zur Verwendung bei der Durchflussinjektionsanalyse von Ästuargewässern.Ellis, PS, Liddy-Minnie, AJ, Worsfold, PJ und McKelvey, ID. Eine photometrische Durchflusszelle mit Mehrfachreflexion zur Verwendung bei der Durchflussanalyse von Ästuargewässern. Ellis, PS, Lyddy-Meaney, AJ, Worsfold, PJ & McKelvie, ID Ellis, PS, Lyddy-Meaney, AJ, Worsfold, PJ und McKelvie, ID.Ellis, PS, Liddy-Minnie, AJ, Worsfold, PJ und McKelvey, ID Eine photometrische Durchflusszelle mit mehreren Reflexionen für die Durchflussinjektionsanalyse in Ästuargewässern.Anus Chim. Acta 499, 81-89 (2003).
Pan, J. -Z., Yao, B. & Fang, Q. Tragbares Photometer basierend auf der Absorptionsdetektion von Flüssigkeitskern-Wellenleitern für Proben im Nanoliter-Bereich. Pan, J.-Z., Yao, B. & Fang, Q. Tragbares Photometer basierend auf der Absorptionsdetektion von Flüssigkeitskern-Wellenleitern für Proben im Nanoliter-Bereich.Pan, J.-Z., Yao, B. und Fang, K. Ein tragbares Photometer basierend auf der Wellenlängenabsorptionsdetektion im Flüssigkeitskern für Proben im Nanoliterbereich. Pan, J. -Z., Yao, B. & Fang, Q. Pan, J.-Z., Yao, B. & Fang, Q. Basierend auf 液芯波波水水水油法的纳法手手手持光度计.Pan, J.-Z., Yao, B. und Fang, K. Ein Handphotometer mit einer Nanoprobe, basierend auf der Erkennung der Absorption in einer Flüssigkeitskernwelle.Anus Chemical. 82, 3394–3398 (2010).
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Khijwania, SK & Gupta, BD Faseroptischer Absorptionssensor für evaneszente Felder: Einfluss der Faserparameter und der Geometrie der Sonde. Khijwania, SK & Gupta, BD Faseroptischer Absorptionssensor für evaneszente Felder: Einfluss der Faserparameter und der Geometrie der Sonde.Hijvania, SK und Gupta, BD – Faseroptischer Evaneszentfeld-Absorptionssensor: Einfluss von Faserparametern und Sondengeometrie. Khijwania, SK & Gupta, BD Khijwania, SK & Gupta, BDHijvania, SK und Gupta, BD Glasfasersensoren mit evaneszenter Feldabsorption: Einfluss von Faserparametern und Sondengeometrie.Optik und Quantenelektronik 31, 625–636 (1999).
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