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액체 시료의 미량 분석은 생명 과학 및 환경 모니터링 분야에서 광범위하게 응용됩니다. 본 연구에서는 흡광도의 초고감도 측정을 위해 금속 도파관 모세관(MCC) 기반의 소형 저비용 광도계를 개발했습니다. 주름진 매끄러운 금속 측벽에 의해 산란된 빛은 입사각에 관계없이 모세관 내부에 갇힐 수 있으므로 광경로를 크게 늘릴 수 있으며, 물리적 길이보다 훨씬 길게 만들 수 있습니다. 새로운 비선형 광 증폭과 빠른 시료 전환 및 포도당 검출 덕분에 일반적인 발색 시약을 사용하여 5.12 nM만큼 낮은 농도까지 분석할 수 있습니다.
광도 측정법은 다양한 발색 시약과 반도체 광전자 소자를 사용할 수 있기 때문에 액체 시료의 미량 분석에 널리 사용됩니다.1,2,3,4,5 기존의 큐벳 기반 흡광도 측정법과 비교하여 액체 도파관(LWC) 모세관은 프로브 광을 모세관 내부에 유지함으로써 전반사(TIR) ​​반사를 유도합니다.1,2,3,4,5 그러나 추가적인 개선 없이는 광경로가 LWC의 물리적 길이에 근접할 뿐이며,3,6 LWC 길이를 1.0m 이상으로 늘리면 강한 광 감쇠와 기포 발생 위험 등의 문제가 발생합니다.3, 7 광경로 개선을 위해 제안된 다중 반사 셀을 사용하더라도 검출 한계는 2.5~8.9배 정도만 향상됩니다.
현재 액체 모세관(LWC)에는 크게 두 가지 유형이 있습니다. 하나는 굴절률이 약 1.3으로 물보다 낮은 테플론 AF 모세관이고, 다른 하나는 테플론 AF 또는 금속 필름으로 코팅된 실리카 모세관입니다.1,3,4 유전체 물질 계면에서 전반사(TIR)를 얻으려면 굴절률이 낮고 광 입사각이 큰 물질이 필요합니다.3,6,10 테플론 AF 모세관의 경우, 다공성 구조로 인해 통기성이 있으며3,11 물 시료에 포함된 소량의 물질을 흡수할 수 있습니다. 외부에 테플론 AF 또는 금속으로 코팅된 석영 모세관의 경우, 석영의 굴절률(1.45)은 대부분의 액체 시료(예: 물의 굴절률 1.33)보다 높습니다.3,6,12,13 내부에 금속막이 코팅된 모세관의 경우 수송 특성이 연구되었지만14,15,16,17,18 코팅 공정이 복잡하고 금속막 표면이 거칠고 다공성 구조를 가지고 있습니다4,19.
또한 상업용 LWC(AF 테플론 코팅 모세관 및 AF 테플론 코팅 실리카 모세관, World Precision Instruments, Inc.)에는 다음과 같은 몇 가지 단점이 있습니다. 결함의 경우. TIR3,10, (2) T-커넥터(모세관, 섬유 및 입/출구 튜브를 연결하기 위한 것)의 큰 데드 볼륨은 기포를 가둘 수 있습니다.10
동시에, 혈당 수치 측정은 당뇨병, 간경변 및 정신 질환 진단에 매우 중요하며20, 광도 측정법(분광광도법21, 22, 23, 24, 25 및 종이 색도 측정법26, 27, 28 포함), 검류계29, 30, 31, 형광 측정법32, 33, 34, 35, 광학 편광 측정법36, 표면 플라즈몬 공명37, 패브리-페로 공진기38, 전기화학39 및 모세관 전기영동40,41 등 다양한 검출 방법이 사용됩니다. 그러나 이러한 방법들은 대부분 고가의 장비를 필요로 하며, 수 나노몰 농도의 포도당 검출은 여전히 ​​어려운 과제입니다(예를 들어, 광도 측정법21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28의 경우 가장 낮은 포도당 농도). 프러시안 블루 나노입자를 과산화효소 모방체로 사용했을 때 제한은 30 nM에 불과했습니다. 나노몰 농도의 포도당 분석은 인간 전립선암 성장 억제42 및 해양에서 프로클로로코쿠스의 CO2 고정 행동과 같은 분자 수준의 세포 연구에 종종 필요합니다.
본 논문에서는 초고감도 흡광도 측정을 위해 전해연마 처리된 내부 표면을 가진 SUS316L 스테인리스강 모세관인 금속 도파관 모세관(MWC)을 기반으로 하는 소형의 저렴한 광도계를 개발했습니다. 금속 모세관 내부에서는 입사각에 관계없이 빛이 갇힐 수 있으므로, 주름진 표면과 매끄러운 표면에서의 빛 산란을 통해 광경로를 크게 늘릴 수 있으며, 이는 MWC의 물리적 길이보다 훨씬 깁니다. 또한, 데드 볼륨을 최소화하고 기포 발생을 방지하기 위해 광학 연결 및 유체 유입/유출구에 간단한 T자형 커넥터를 설계했습니다. 7cm MWC 광도계의 경우, 비선형 광경로의 향상과 빠른 시료 전환 덕분에 1cm 큐벳을 사용하는 상용 분광광도계에 비해 검출 한계가 약 3000배 향상되었으며, 일반적인 발색 시약을 사용하여 5.12nM의 포도당 농도까지 검출할 수 있습니다.
그림 1에서 보는 바와 같이, MWC 기반 광도계는 EP 등급으로 전해 연마된 내부 표면을 가진 길이 7cm의 MWC, 렌즈가 장착된 505nm LED, 가변 이득 광검출기, 그리고 광학 결합 및 액체 주입구 두 개로 구성됩니다. 파이크 유입관에 연결된 3방향 밸브를 사용하여 유입되는 시료의 방향을 전환합니다. 파이크 튜브는 석영판과 MWC에 밀착되어 T자형 연결부의 데드 볼륨을 최소화함으로써 기포가 갇히는 것을 효과적으로 방지합니다. 또한, 평행광 빔은 T자형 연결부를 통해 석영판과 함께 MWC 내부로 쉽고 효율적으로 도입될 수 있습니다.
빔과 액체 시료는 T자형 연결관을 통해 MCC로 유입되고, MCC를 통과한 빔은 광검출기로 수신됩니다. 염색된 시료 또는 대조군 시료 용액은 3방향 밸브를 통해 ICC로 번갈아 유입되었습니다. 비어의 법칙에 따라, 착색된 시료의 광학 밀도는 다음 방정식으로 계산할 수 있습니다. 1.10
여기서 Vcolor와 Vblank는 각각 컬러 샘플과 블랭크 샘플이 MCC에 도입되었을 때 광검출기의 출력 신호이고, Vdark는 LED가 꺼졌을 때 광검출기의 배경 신호입니다. 출력 신호의 변화 ΔV = Vcolor–Vblank는 샘플을 전환함으로써 측정할 수 있습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, ΔV가 Vblank–Vdark보다 훨씬 작으면 샘플링 전환 방식을 사용할 때 Vblank의 작은 변화(예: 드리프트)는 AMWC 값에 거의 영향을 미치지 않습니다.
MWC 기반 광도계와 큐벳 기반 분광광도계의 성능을 비교하기 위해 색 안정성이 우수하고 농도-흡광도 선형성이 좋은 적색 잉크 용액을 색상 시료로 사용하고, 증류수를 대조군으로 사용했습니다. 표 1에서 보는 바와 같이, 증류수를 용매로 사용하여 연속 희석법으로 일련의 적색 잉크 용액을 제조했습니다. 희석하지 않은 원액 적색 페인트인 시료 1(S1)의 상대 농도를 1.0으로 설정했습니다. 그림 2는 상대 농도가 8.0 × 10⁻³(왼쪽)에서 8.2 × 10⁻¹⁰(오른쪽)까지인 11개의 적색 잉크 시료(S4~S14)의 광학 사진을 보여줍니다(표 1 참조).
샘플 6에 대한 측정 결과는 그림 3(a)에 나타나 있다. 염색된 샘플과 염색되지 않은 샘플 사이의 전환점은 그림에서 이중 화살표 "↔"로 표시되어 있다. 염색된 샘플에서 염색되지 않은 샘플로, 또는 그 반대로 전환할 때 출력 전압이 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그림에서 볼 수 있듯이 Vcolor, Vblank 및 해당 ΔV 값을 구할 수 있다.
(a) 시료 6, (b) 시료 9, (c) 시료 13, (d) 시료 14에 대해 MWC 기반 광도계를 사용하여 측정한 결과.
시료 9, 13, 14에 대한 측정 결과는 각각 그림 3(b)-(d)에 나타내었다. 그림 3(d)에서 볼 수 있듯이, 측정된 ΔV는 5 nV에 불과하며, 이는 노이즈 값(2 nV)의 거의 3배에 해당한다. ΔV 값이 작으면 노이즈와 구별하기 어렵다. 따라서 검출 한계는 상대 농도 8.2×10⁻¹⁰(시료 14)에 도달했다. 식 1을 이용하여 측정된 Vcolor, Vblank, Vdark 값으로부터 AMWC 흡광도를 계산할 수 있다. 이득이 10⁴인 광검출기의 경우 Vdark는 -0.68 μV이다. 모든 시료에 대한 측정 결과는 표 1에 요약되어 있으며, 부록에서 확인할 수 있다. 표 1에서 볼 수 있듯이, 고농도에서 흡광도가 포화되므로 MWC 기반 분광기로는 3.7 이상의 흡광도를 측정할 수 없다.
비교를 위해 적색 잉크 샘플도 분광광도계로 측정하였으며, 측정된 아큐벳 흡광도는 그림 4에 나타냈다. 505 nm에서의 아큐벳 값(표 1 참조)은 샘플 10, 11, 12의 곡선(그림 4의 삽입 그림 참조)을 기준으로 삼아 얻었다. 그림에서 볼 수 있듯이, 샘플 10, 11, 12의 흡수 곡선이 서로 구별되지 않아 검출 한계는 상대 농도 2.56 x 10⁻⁶(샘플 9)에 도달했다. 따라서 MWC 기반 광도계를 사용했을 때 검출 한계는 큐벳 기반 분광광도계에 비해 3125배 향상되었다.
흡광도와 농도 간의 관계는 그림 5에 나타나 있습니다. 큐벳 측정의 경우, 흡광도는 광경로 길이 1cm에서 잉크 농도에 비례합니다. 반면, MWC 기반 측정에서는 낮은 농도에서 흡광도가 비선형적으로 증가하는 것이 관찰되었습니다. 비어의 법칙에 따르면 흡광도는 광경로 길이에 비례하므로, 흡광도 증가율(AEF, 동일한 잉크 농도에서 AEF = AMWC/Acuvette로 정의됨)은 MWC와 큐벳의 광경로 길이의 비율입니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이, 높은 농도에서 AEF는 약 7.0으로 일정하며, 이는 MWC의 길이가 1cm 큐벳 길이의 정확히 7배라는 점을 고려할 때 타당합니다. 그러나 낮은 농도(관련 농도 <1.28 × 10⁻⁵)에서는 AEF가 농도가 감소함에 따라 증가하며, 큐벳 기반 측정 곡선을 외삽하면 관련 농도가 8.2 × 10⁻¹⁰일 때 803의 값에 도달합니다. 그러나 낮은 농도(관련 농도 <1.28 × 10⁻⁵)에서는 AEF가 농도가 감소함에 따라 증가하며, 큐벳 기반 측정 곡선을 외삽하면 관련 농도가 8.2 × 10⁻¹⁰일 때 803의 값에 도달합니다. Однако при низких концентрациях (относительная концентрация <1,28 × 10–5) AEF увеличивается с уменьшением концентрации и может достигать значения 803 при относительной концентрации 8,2 × 10–10 при экстраполяции кривой измерения на основе 큐베티. 그러나 낮은 농도(상대 농도 <1.28 × 10–5)에서는 AEF가 농도가 감소함에 따라 증가하며, 큐벳 기반 측정 곡선에서 외삽할 경우 상대 농도 8.2 × 10–10에서 803의 값에 도달할 수 있습니다.然而, 에서 低浓titude(相关浓titude<1.28 × 10-5 )下, AEF随着浓titude 는 8.2 × 10-10 时将达到803 의 值.然而 , 低 浓도 （상대 浓도 <1.28 × 10-5） , , AEF 随着 적 降低 而 , 并且 通过 外推 基于 比color皿 测 weight , 에서 浓도 为 8.2 × 10-10 时 达到 达到 达到 达到 达到803 值。 Однако при низких концентрациях (релевантные концентрации < 1,28 × 10-5) АЭП увеличивается с уменьшением концентрации, 그리고 при экстраполяции Кривой измерения на основе куветы она достигает значения относительной концентрации 8,2 × 10–10 803. 그러나 낮은 농도(관련 농도 < 1.28 × 10-5)에서는 AED가 농도가 감소함에 따라 증가하며, 큐벳 기반 측정 곡선에서 외삽하면 상대 농도 값 8.2 × 10–10 803에 도달합니다.이로 인해 상응하는 광경로는 803cm(AEF × 1cm)가 되는데, 이는 MWC의 물리적 길이보다 훨씬 길고, 시판되는 가장 긴 LWC(World Precision Instruments, Inc.의 500cm, Doko Engineering LLC의 길이는 200cm)보다도 깁니다. LWC에서 나타나는 이러한 비선형적인 흡수 증가는 이전에는 보고된 바 없습니다.
그림 6(a)~(c)는 각각 MWC 단면의 내면을 광학 현미경 이미지, 현미경 이미지, 광학 프로파일러 이미지로 나타낸 것이다. 그림 6(a)에서 볼 수 있듯이, 내면은 매끄럽고 광택이 있으며, 가시광선을 반사하여 높은 반사율을 보인다. 그림 6(b)에서처럼, 금속의 변형성과 결정 구조로 인해 매끄러운 표면에 작은 요철과 불규칙한 표면이 나타난다. 면적이 작다는 점을 고려하면(<5 μm×5 μm), 대부분의 표면 거칠기는 1.2 nm 미만이다(그림 6(c)). 작은 영역(<5 μm×5 μm)을 고려할 때, 대부분의 표면 거칠기는 1.2 nm 미만입니다(그림 6(c)). Ввиду малой пловляет менее 1,2 нм (рис. 6(в)). 면적이 작기 때문에(<5 µm×5 µm), 표면 대부분의 거칠기는 1.2 nm 미만입니다(그림 6(c)).考虑到 작은 면(<5 μm×5 μm), 大多数表면적 粗糙島 小于1.2 nm(图6(c)).考虑到 작은 면(<5 μm×5 μm), 大多数表면적 粗糙島 小于1.2 nm(图6(c)). Учитывая небольшуу плочадь (<5 мкм × 5 мкм), шероховатость большинства поверхностей составляет менее 1,2 нм (рис. 6(в)). 면적이 작다는 점(<5 µm × 5 µm)을 고려하면 대부분의 표면의 거칠기는 1.2 nm 미만입니다(그림 6(c)).
(a) 광학 이미지, (b) 현미경 이미지, (c) MWC 절단면 내부 표면의 광학 이미지.
그림 7(a)에서 볼 수 있듯이, 모세관 내 광경로 길이(LOP)는 입사각 θ에 의해 결정됩니다(LOP = LC/sinθ, 여기서 LC는 모세관의 물리적 길이). 증류수로 채워진 테플론 AF 모세관의 경우, 입사각은 임계각인 77.8°보다 커야 하므로, 추가적인 개선 없이는 LOP가 1.02 × LC보다 작습니다.36 반면, 다중벽 모세관(MWC)의 경우, 모세관 내부의 빛 가둠은 굴절률이나 입사각에 독립적이므로, 입사각이 감소함에 따라 광경로가 모세관 길이보다 훨씬 길어질 수 있습니다(LOP » LC). 그림 7(b)에서 볼 수 있듯이, 주름진 금속 표면은 빛 산란을 유도하여 광경로를 크게 증가시킬 수 있습니다.
따라서 MWC에는 두 가지 광 경로가 있습니다. 반사가 없는 직접광(LOP = LC)과 측벽 사이에서 여러 번 반사되는 지그재그광(LOP » LC)입니다. 비어의 법칙에 따르면 투과된 직접광과 지그재그광의 강도는 각각 PS×exp(-α×LC)와 PZ×exp(-α×LOP)로 표현될 수 있으며, 상수 α는 흡수 계수로 잉크 농도에만 의존합니다.
고농도 잉크(예: 관련 농도 >1.28 × 10⁻⁵)의 경우, 지그재그 광선은 흡수 계수가 크고 광경로가 훨씬 길기 때문에 크게 감쇠되어 직선 광선보다 강도가 훨씬 낮습니다. 고농도 잉크(예: 관련 농도 >1.28 × 10⁻⁵)의 경우, 지그재그 광선은 흡수 계수가 크고 광경로가 훨씬 길기 때문에 크게 감쇠되어 강도가 직선 광선보다 훨씬 낮습니다. Для чернил с высокой conцентрацией (네이머, относительная концентрация >1,28 × 10-5) зигзагообразный свет сильно затухает, а его интенсивность намного ниже, чем у прямого света, из-за bolьшого коэффициента поглоЂения и гораздо более длинного птического излучения. 잉크 농도가 높은 경우(예: 상대 농도 >1.28×10⁻⁵), 지그재그 광선은 흡수 계수가 크고 광학적 방출 시간이 훨씬 길기 때문에 강하게 감쇠되어 직접광보다 강도가 훨씬 낮아집니다.길.对于고높이도수(例如, 엇각추도>1.28×10-5), Z자형광衰减很大，其强島远低于直光，这是由于吸收系数大，光school时间更长。对于 高浓島 墨水 （例如 , 浓도 浓도> 1.28 × 10-5) , z 字字 衰减 很 大 , 强titude 远 低于 直光 , 这 是 吸收 系数大 光학 时间 更。。 长 长 长 长 长 长 长 长 长 长 长 长Для чернил с высокой концентрацией (네이머, релеваntные онцеntрации >1,28×10-5) зигзагообразный свет значительно ослабляется, и его интенсивность намного ниже, чем у прямого света из-за bolьшого коэфициента поглочения и bolleee длительного оптического времени. 고농도 잉크(예: 관련 농도 >1.28×10⁻⁵)의 경우, 지그재그 광선은 흡수 계수가 크고 광학 지속 시간이 길기 때문에 크게 감쇠되어 직접 광선보다 강도가 훨씬 낮아집니다.작은 길.따라서 흡광도 측정에는 직접광이 지배적이었고(LOP=LC), AEF는 약 7.0으로 일정하게 유지되었다. 반면, 잉크 농도가 감소함에 따라 흡수 계수가 감소할 경우(예: 관련 농도 <1.28 × 10⁻⁵), 지그재그 광선의 강도가 직선 광선의 강도보다 더 빠르게 증가하며, 이때부터 지그재그 광선이 더 중요한 역할을 하게 된다. 반면, 잉크 농도가 감소함에 따라 흡수 계수가 감소할 경우(예: 관련 농도 <1.28 × 10⁻⁵), 지그재그 광선의 강도가 직선 광선의 강도보다 더 빠르게 증가하며, 이때부터 지그재그 광선이 더 중요한 역할을 하게 된다. Напротив, когда коэфициеnt поглочения уmenьшается с уmenьшением konцеntрации чернил (например, относительная концентрация <1,28 × 10-5), интенсивность зигзагообразного света увеличивается быстрее, чем у прямого света, и затем начинает играть зигзагообразный свет. 반대로, 잉크 농도가 감소함에 따라 흡수 계수가 감소할 경우(예: 상대 농도 <1.28×10⁻⁵), 지그재그 빛의 강도가 직사광선보다 더 빠르게 증가하여 지그재그 빛이 작동하기 시작합니다.더 중요한 역할.相反，当当吸收系数随着墨水浓島的降低而降低时（例如， ​​엇关浓도<1.28×10-5 ), Z자 모양의 빛을 사용하는 각도는 Z 모양의 빛을 사용하는 것입니다.상반 , 当 吸收 系数 随着 墨水 的 降低 而 降低 时 例如 例如 , 相关 浓浓 浓degree <1.28 × 10-5) , 字字光 的 强titude比 增加 得 更 , 然后 z 자형 광 发挥 作用 一 个 重要 重要 重要 更 更 更 更 更 更 更 HI的角color. И наоборот, когда коэфициент поглочения уmenьшается с уmenьшением konцеntрации чернил (например, соответствувушая концентрация < 1,28×10-5), интенсивность зигзагообразного света увеличивается быстрее, чем прямого, и тогда зигзагообразный свет начинает играть bolее важную роль. 반대로, 흡수 계수가 잉크 농도가 감소함에 따라 감소할 때(예: 해당 농도 < 1.28×10⁻⁵), 지그재그 광의 강도는 직사광보다 더 빠르게 증가하며, 이때부터 지그재그 광이 더 중요한 역할을 하게 된다.역할 캐릭터.따라서 톱니 모양의 광경로(LOP » LC)로 인해 AEF를 7.0보다 훨씬 더 높일 수 있습니다. 도파관 모드 이론을 사용하면 MWC의 정확한 광 투과 특성을 얻을 수 있습니다.
빠른 시료 전환은 광경로 개선 외에도 초저 검출 한계 달성에 기여합니다. MCC의 작은 부피(0.16 ml) 덕분에 MCC 내 용액 전환 및 교체에 필요한 시간은 20초 미만입니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이, AMWC의 최소 검출값(2.5 × 10⁻⁴)은 Acuvette(1.0 × 10⁻³)보다 4배 낮습니다. 모세관 내 흐르는 용액의 빠른 전환은 큐벳 내 유지 용액과 비교했을 때 흡광도 차이의 정확도에 미치는 시스템 노이즈(예: 드리프트)의 영향을 줄여줍니다. 예를 들어, 그림 3(b)-(d)에서 볼 수 있듯이, 작은 부피의 모세관에서 빠른 시료 전환으로 인해 ΔV는 드리프트 신호와 쉽게 구별할 수 있습니다.
표 2에서 보는 바와 같이, 증류수를 용매로 사용하여 다양한 농도의 포도당 용액을 제조하였다. 염색 시료와 대조군 시료는 포도당 용액 또는 탈이온수를 포도당 산화효소(GOD) 및 과산화효소(POD) 37의 발색 용액과 각각 3:1의 고정된 부피비로 혼합하여 제조하였다. 그림 8은 포도당 농도가 2.0 mM(왼쪽)에서 5.12 nM(오른쪽)까지인 9개의 염색 시료(S2-S10)의 광학 현미경 사진을 보여준다. 포도당 농도가 낮아질수록 붉은색이 감소한다.
MWC 기반 광도계를 사용하여 시료 4, 9, 10을 측정한 결과는 그림 9(a)~(c)에 각각 나타내었다. 그림 9(c)에서 볼 수 있듯이, 측정된 ΔV 값은 GOD-POD 시약 자체(포도당을 첨가하지 않은 경우에도)의 색이 빛에 따라 서서히 변함에 따라 측정 과정에서 불안정해지고 서서히 증가한다. 따라서 포도당 농도가 5.12 nM 미만인 시료(시료 10)의 경우, ΔV 값이 충분히 작아지면 GOD-POD 시약의 불안정성을 더 이상 무시할 수 없기 때문에 연속적인 ΔV 측정이 불가능하다. 그러므로 포도당 용액의 검출 한계는 5.12 nM이다. 비록 해당 ΔV 값(0.52 µV)이 노이즈 값(0.03 µV)보다 훨씬 크지만, 이는 작은 ΔV 값도 검출 가능함을 나타낸다. 보다 안정적인 발색 시약을 사용하면 검출 한계를 더욱 향상시킬 수 있을 것이다.
(a) 시료 4, (b) 시료 9, (c) 시료 10에 대한 MWC 기반 광도계의 측정 결과.
AMWC 흡광도는 측정된 Vcolor, Vblank 및 Vdark 값을 사용하여 계산할 수 있습니다. 이득이 105인 광검출기의 경우 Vdark는 -0.068 μV입니다. 모든 샘플에 대한 측정값은 보충 자료에서 확인할 수 있습니다. 비교를 위해 포도당 샘플도 분광광도계를 사용하여 측정했으며, 그림 10에서 볼 수 있듯이 Acuvette의 측정 흡광도는 0.64 µM(샘플 7)의 검출 한계에 도달했습니다.
흡광도와 농도 간의 관계는 그림 11에 나타나 있다. MWC 기반 광도계를 사용했을 때, 큐벳 기반 분광광도계에 비해 검출 한계가 125배 향상되었다. 그러나 GOD-POD 시약의 불안정성 때문에 적색 잉크 분석법보다는 향상 정도가 낮다. 또한 낮은 농도 영역에서 흡광도가 비선형적으로 증가하는 현상이 관찰되었다.
MWC 기반 광도계는 액체 시료의 초고감도 검출을 위해 개발되었습니다. 주름진 매끄러운 금속 측벽에 의해 산란된 빛이 입사각에 관계없이 모세관 내부에 갇힐 수 있기 때문에 광경로를 크게 늘릴 수 있으며, MWC의 물리적 길이보다 훨씬 길게 만들 수 있습니다. 새로운 비선형 광 증폭과 빠른 시료 전환 및 포도당 검출 덕분에 기존의 GOD-POD 시약을 사용하여 5.12 nM만큼 낮은 농도까지 검출할 수 있습니다. 이 소형의 저렴한 광도계는 미량 분석을 위해 생명 과학 및 환경 모니터링 분야에서 널리 사용될 것입니다.
그림 1에서 보는 바와 같이, MWC 기반 광도계는 길이 7cm의 MWC(내경 1.7mm, 외경 3.18mm, EP 등급 전해연마 처리된 내부 표면, SUS316L 스테인리스강 모세관), 505nm 파장의 LED(Thorlabs M505F1), 렌즈(빔 확산도 약 6.6도), 가변 이득 광검출기(Thorlabs PDB450C) 및 광 통신과 액체 유입/유출을 위한 두 개의 T자형 커넥터로 구성됩니다. T자형 커넥터는 투명 석영판을 PMMA 튜브에 접합하여 제작되었으며, 이 튜브 안에 MWC와 Peek 튜브(내경 0.72mm, 외경 1.6mm, Vici Valco Corp.)를 단단히 삽입하고 접착했습니다. Pike 유입 튜브에 연결된 3방향 밸브를 사용하여 유입되는 시료를 전환합니다. 광검출기는 수신된 광 전력 P를 증폭된 전압 신호 N×V로 변환할 수 있습니다(1550nm에서 V/P = 1.0V/W이고, 이득 N은 10³~10⁷ 범위에서 수동으로 조정 가능합니다). 간결성을 위해 출력 신호로 N×V 대신 V를 사용합니다.
이에 비해, 1.0cm 큐벳 셀이 장착된 상용 분광광도계(Agilent Technologies Cary 300 시리즈, R928 고효율 광증폭기 포함)를 사용하여 액체 시료의 흡광도를 측정했습니다.
MWC 절단면의 내부 표면은 수직 해상도 0.1 nm, 수평 해상도 0.11 µm인 광학 표면 프로파일러(ZYGO New View 5022)를 사용하여 검사하였다.
모든 시약(분석 등급, 추가 정제 없음)은 쓰촨촹커 바이오테크놀로지 유한회사에서 구입했습니다. 포도당 검사 키트에는 포도당 산화효소(GOD), 과산화효소(POD), 4-아미노안티피린, 페놀 등이 포함됩니다. 발색 용액은 일반적인 GOD-POD 37 방법을 사용하여 제조했습니다.
표 2에 나타낸 바와 같이, 증류수를 희석제로 사용하여 연속 희석법으로 다양한 농도의 포도당 용액을 제조하였다(자세한 내용은 보충 자료 참조). 포도당 용액 또는 탈이온수를 발색 용액과 3:1의 일정한 부피비로 혼합하여 염색 시료 또는 대조군 시료를 준비하였다. 모든 시료는 측정 전 10분 동안 빛을 차단한 상태로 37°C에 보관하였다. GOD-POD 방법에서 염색된 시료는 505nm에서 최대 흡수도를 나타내며 붉은색을 띠고, 이 흡수도는 포도당 농도에 거의 비례한다.
표 1에서 보는 바와 같이, 증류수를 용매로 사용하여 연속 희석법으로 일련의 붉은색 잉크 용액(Ostrich Ink Co., Ltd., Tianjin, China)을 제조하였다.
이 논문을 인용하는 방법: Bai, M. et al. 금속 도파관 모세관을 기반으로 하는 소형 광도계: 나노몰 농도의 포도당 측정을 위한. 과학. 5, 10476. doi: 10.1038/srep10476 (2015).
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