Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com. De browserversie die u gebruikt, biedt beperkte CSS-ondersteuning. Voor de beste ervaring raden we u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen). Om de ondersteuning te blijven garanderen, zullen we de site in de tussentijd zonder stijlen en JavaScript weergeven.
Sporenanalyse van vloeibare monsters heeft een breed scala aan toepassingen in de biowetenschappen en milieumonitoring. In dit werk hebben we een compacte en goedkope fotometer ontwikkeld op basis van metalen golfgeleidercapillairen (MCC's) voor ultragevoelige bepaling van absorptie. Het optische pad kan aanzienlijk worden vergroot en veel langer worden dan de fysieke lengte van de MWC, omdat licht dat wordt verstrooid door de gegolfde, gladde metalen zijwanden binnen de capillair kan worden opgesloten, ongeacht de invalshoek. Concentraties zo laag als 5,12 nM kunnen worden bereikt met gangbare chromogene reagentia dankzij nieuwe niet-lineaire optische versterking en snelle monsterwisseling en glucosedetectie.
Fotometrie wordt veel gebruikt voor sporenanalyse van vloeibare monsters vanwege de overvloed aan beschikbare chromogene reagentia en halfgeleider-opto-elektronische apparaten1,2,3,4,5. In vergelijking met traditionele absorptiebepalingen op basis van cuvetten, reflecteren vloeistofgolfgeleidercapillairen (LWC-capillairen) (TIR) ​​door het probeerlicht in het capillair te houden1,2,3,4,5. Zonder verdere verbetering is het optische pad echter slechts bijna gelijk aan de fysieke lengte van de LWC3,6, en het vergroten van de LWC-lengte tot meer dan 1,0 m leidt tot sterke lichtverzwakking en een hoog risico op bellen, enz.3, 7. Met betrekking tot de voorgestelde meervoudige reflectiecel voor verbetering van het optische pad, wordt de detectielimiet slechts met een factor 2,5-8,9 verbeterd.
Er bestaan ​​momenteel twee hoofdtypen LWC (Liquid Water Capillary), namelijk Teflon AF-capillairen (met een brekingsindex van slechts ~1,3, lager dan die van water) en silicacapillairen gecoat met Teflon AF of metaalfilms1,3,4. Om TIR (Total Internal Rejection) te bereiken op het grensvlak tussen diëlektrische materialen, zijn materialen met een lage brekingsindex en hoge lichtinvalshoeken vereist3,6,10. Wat betreft Teflon AF-capillairen: Teflon AF is ademend vanwege de poreuze structuur3,11 en kan kleine hoeveelheden stoffen in watermonsters absorberen. Voor kwartscapillairen die aan de buitenkant gecoat zijn met Teflon AF of metaal, is de brekingsindex van kwarts (1,45) hoger dan die van de meeste vloeibare monsters (bijvoorbeeld 1,33 voor water)3,6,12,13. Voor capillairen die aan de binnenkant gecoat zijn met een metaalfilm, zijn de transporteigenschappen bestudeerd14,15,16,17,18, maar het coatingproces is gecompliceerd en het oppervlak van de metaalfilm heeft een ruwe en poreuze structuur4,19.
Bovendien hebben commerciële LWC's (AF Teflon Coated Capillaries en AF Teflon Coated Silica Capillaries, World Precision Instruments, Inc.) nog een aantal andere nadelen, zoals: voor defecten. Het grote dode volume van de TIR3,10, (2) T-connector (om capillairen, vezels en inlaat-/uitlaatbuizen te verbinden) kan luchtbellen insluiten10.
Tegelijkertijd is de bepaling van glucosewaarden van groot belang voor de diagnose van diabetes, levercirrose en psychische aandoeningen20. Er bestaan ​​veel detectiemethoden, zoals fotometrie (waaronder spectrofotometrie 21, 22, 23, 24, 25 en colorimetrie op papier 26, 27, 28), galvanometrie 29, 30, 31, fluorometrie 32, 33, 34, 35, optische polarimetrie 36, oppervlakteplasmonresonantie 37, Fabry-Perot-holte 38, elektrochemie 39 en capillaire elektroforese 40,41, enzovoort. De meeste van deze methoden vereisen echter dure apparatuur en de detectie van glucose bij concentraties van enkele nanomol blijft een uitdaging (bijvoorbeeld voor fotometrische metingen21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, de laagste glucoseconcentratie). De limiet was slechts 30 nM toen Pruisisch blauwe nanodeeltjes als peroxidase-nabootsers werden gebruikt. Nanomolaire glucoseanalyses zijn vaak nodig voor celonderzoek op moleculair niveau, zoals de remming van de groei van menselijke prostaatkanker42 en het CO2-fixatiegedrag van Prochlorococcus in de oceaan.
In dit artikel wordt een compacte, goedkope fotometer beschreven, gebaseerd op een metalen golfgeleidercapillair (MWC), een capillair van SUS316L roestvrij staal met een elektrolytisch gepolijst binnenoppervlak, voor ultragevoelige absorptiebepaling. Omdat licht in metalen capillairen kan worden opgesloten, ongeacht de invalshoek, kan het optische pad aanzienlijk worden vergroot door lichtverstrooiing op gegolfde en gladde metalen oppervlakken, waardoor het veel langer is dan de fysieke lengte van de MWC. Bovendien is een eenvoudige T-connector ontworpen voor de optische verbinding en de vloeistofinlaat/uitlaat om het dode volume te minimaliseren en het insluiten van luchtbellen te voorkomen. Voor de 7 cm MWC-fotometer is de detectielimiet ongeveer 3000 keer verbeterd ten opzichte van een commerciële spectrofotometer met een cuvet van 1 cm, dankzij de nieuwe verbetering van het niet-lineaire optische pad en de snelle monsterwisseling. Bovendien kan een glucoseconcentratie van slechts 5,12 nM worden gedetecteerd met behulp van gangbare chromogene reagentia.
Zoals weergegeven in Figuur 1, bestaat de op MWC gebaseerde fotometer uit een 7 cm lange MWC met een elektrolytisch gepolijst binnenoppervlak van EP-kwaliteit, een 505 nm LED met een lens, een fotodetector met instelbare versterking en twee aansluitingen voor optische koppeling en vloeistofinvoer en -uitvoer. Een driewegklep, verbonden met de inlaatbuis van de Peek, wordt gebruikt om het binnenkomende monster te schakelen. De Peek-buis sluit nauw aan op de kwartsplaat en de MWC, waardoor het dode volume in de T-connector tot een minimum wordt beperkt en luchtbellen effectief worden voorkomen. Bovendien kan de gecollimeerde bundel gemakkelijk en efficiënt in de MWC worden gebracht via de kwartsplaat van het T-stuk.
De lichtbundel en het vloeibare monster worden via een T-stuk in de MCC gebracht, en de lichtbundel die door de MCC gaat, wordt opgevangen door een fotodetector. Inkomende oplossingen van gekleurde of blanco monsters werden afwisselend via een driewegklep in de ICC gebracht. Volgens de wet van Beer kan de optische dichtheid van een gekleurd monster worden berekend met behulp van de vergelijking 1.10.
waarbij Vcolor en Vblank de uitgangssignalen van de fotodetector zijn wanneer respectievelijk gekleurde en blanco monsters in de MCC worden gebracht, en Vdark het achtergrondsignaal van de fotodetector is wanneer de LED is uitgeschakeld. De verandering in het uitgangssignaal ΔV = Vcolor – Vblank kan worden gemeten door monsters te wisselen. Volgens de vergelijking. Zoals weergegeven in Figuur 1, als ΔV veel kleiner is dan Vblank – Vdark, kunnen kleine veranderingen in Vblank (bijv. drift) bij gebruik van een bemonsteringswisselschema weinig effect hebben op de AMWC-waarde.
Om de prestaties van de MWC-gebaseerde fotometer te vergelijken met die van de cuvette-gebaseerde spectrofotometer, werd een rode inktoplossing gebruikt als kleurmonster vanwege de uitstekende kleurstabiliteit en goede lineariteit tussen concentratie en absorptie. Gedemineraliseerd water (DI H2O) werd gebruikt als blanco monster. Zoals weergegeven in Tabel 1, werd een reeks rode inktoplossingen bereid met behulp van de seriële verdunningsmethode met gedemineraliseerd water als oplosmiddel. De relatieve concentratie van monster 1 (S1), onverdunde originele rode verf, werd bepaald op 1,0. Figuur 2 toont optische foto's van 11 rode inktmonsters (S4 tot en met S14) met relatieve concentraties (vermeld in Tabel 1) variërend van 8,0 × 10⁻³ (links) tot 8,2 × 10⁻¹⁰ (rechts).
De meetresultaten voor monster 6 worden weergegeven in figuur 3(a). De schakelpunten tussen gekleurde en blanco monsters zijn in de figuur gemarkeerd met dubbele pijlen “↔”. Het is te zien dat de uitgangsspanning snel toeneemt bij het schakelen van gekleurde monsters naar blanco monsters en omgekeerd. Vcolor, Vblank en de bijbehorende ΔV kunnen worden verkregen zoals weergegeven in de figuur.
(a) Meetresultaten voor monster 6, (b) monster 9, (c) monster 13 en (d) monster 14 met behulp van een MWC-gebaseerde fotometer.
De meetresultaten voor monsters 9, 13 en 14 worden respectievelijk weergegeven in figuren 3(b)-(d). Zoals weergegeven in figuur 3(d), is de gemeten ΔV slechts 5 nV, wat bijna 3 keer de ruiswaarde (2 nV) is. Een kleine ΔV is moeilijk te onderscheiden van ruis. De detectielimiet bereikte dus een relatieve concentratie van 8,2 × 10⁻¹⁰ (monster 14). Met behulp van vergelijking 1 kan de AMWC-absorptie worden berekend uit de gemeten Vcolor-, Vblank- en Vdark-waarden. Voor een fotodetector met een versterking van 104 is Vdark -0,68 μV. De meetresultaten voor alle monsters zijn samengevat in tabel 1 en zijn te vinden in het aanvullend materiaal. Zoals weergegeven in tabel 1, treedt er bij hoge concentraties verzadiging op in de absorptie, waardoor absorptie boven 3,7 niet kan worden gemeten met MWC-gebaseerde spectrometers.
Ter vergelijking werd ook een monster rode inkt gemeten met een spectrofotometer en de gemeten Acuvette-absorptie is weergegeven in Figuur 4. De Acuvette-waarden bij 505 nm (zoals weergegeven in Tabel 1) werden verkregen door de curven van monsters 10, 11 of 12 (zoals weergegeven in de inzet van Fig. 4) als basislijn te gebruiken. Zoals blijkt, bereikte de detectielimiet een relatieve concentratie van 2,56 x 10⁻⁶ (monster 9) omdat de absorptiecurven van monsters 10, 11 en 12 niet van elkaar te onderscheiden waren. Bij gebruik van de MWC-gebaseerde fotometer werd de detectielimiet dus met een factor 3125 verbeterd ten opzichte van de cuvette-gebaseerde spectrofotometer.
De afhankelijkheid van absorptie van de concentratie wordt weergegeven in figuur 5. Bij metingen met een cuvet is de absorptie evenredig met de inktconcentratie bij een padlengte van 1 cm. Bij metingen met een MWC werd echter een niet-lineaire toename van de absorptie waargenomen bij lage concentraties. Volgens de wet van Beer is de absorptie evenredig met de optische padlengte, dus de absorptiewinst AEF (gedefinieerd als AEF = AMWC/Acuvette bij dezelfde inktconcentratie) is de verhouding van de MWC tot de optische padlengte van de cuvet. Zoals weergegeven in figuur 5, is de constante AEF bij hoge concentraties ongeveer 7,0, wat redelijk is aangezien de lengte van de MWC precies 7 keer de lengte van een cuvet van 1 cm is. Bij lage concentraties (gerelateerde concentratie <1,28 × 10⁻⁵) neemt de AEF echter toe naarmate de concentratie afneemt en zou een waarde van 803 bereiken bij een gerelateerde concentratie van 8,2 × 10⁻¹⁰ door extrapolatie van de curve van de cuvette-gebaseerde meting. Bij lage concentraties (gerelateerde concentratie <1,28 × 10⁻⁵) neemt de AEF echter toe naarmate de concentratie afneemt en zou een waarde van 803 bereiken bij een gerelateerde concentratie van 8,2 × 10⁻¹⁰ door extrapolatie van de curve van de cuvette-gebaseerde meting. Однако при низких концентрациях (относительная концентрация <1,28 × 10–5) AEF-weergave с меньшением концентрациии может достигать значения 803 при относительной концентрацииииииииии 8,2 × 10–10 при экстраполяции кривой измерения на основе кюветы. Bij lage concentraties (relatieve concentratie <1,28 × 10–5) neemt de AEF echter toe naarmate de concentratie afneemt en kan een waarde van 803 bereiken bij een relatieve concentratie van 8,2 × 10–10 wanneer deze wordt geëxtrapoleerd uit een op cuvetten gebaseerde meetcurve.然而，在低浓度（相关浓度<1,28 × 10-5 ）下，AEF随着浓度的降低而增加,并且通过外推基于比色皿的测量曲线,在相关浓度为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803 值。 Однако при низких концентрациях (АЭП увеличивается с уменьшением концентрации, en экстраполяции 8,2 × 10–10 803 . Bij lage concentraties (relevante concentraties < 1,28 × 10⁻⁵) neemt de AED echter toe naarmate de concentratie afneemt, en wanneer deze wordt geëxtrapoleerd uit een op cuvetten gebaseerde meetcurve, bereikt deze een relatieve concentratiewaarde van 8,2 × 10⁻¹⁰ 80³.Dit resulteert in een overeenkomstige optische padlengte van 803 cm (AEF × 1 cm), wat veel langer is dan de fysieke lengte van de MWC, en zelfs langer dan de langste commercieel verkrijgbare LWC (500 cm van World Precision Instruments, Inc.). Doko Engineering LLC heeft een lengte van 200 cm. Deze niet-lineaire toename in absorptie in de LWC is niet eerder gerapporteerd.
Figuur 6(a)-(c) tonen respectievelijk een optische afbeelding, een microscoopafbeelding en een afbeelding van een optisch profiel van het binnenoppervlak van het MWC-gedeelte. Zoals weergegeven in figuur 6(a), is het binnenoppervlak glad en glanzend, reflecteert het zichtbaar licht en is het sterk reflecterend. Zoals weergegeven in figuur 6(b), verschijnen er door de vervormbaarheid en de kristallijne aard van het metaal kleine mesa's en onregelmatigheden op het gladde oppervlak. Gezien het kleine oppervlak (<5 μm×5 μm) is de ruwheid van het grootste deel van het oppervlak minder dan 1,2 nm (Fig. 6(c)). Gezien het kleine oppervlak (<5 μm×5 μm) is de ruwheid van het grootste deel van het oppervlak minder dan 1,2 nm (Fig. 6(c)). Ввиду малой площади (<5 мкм×5 мкм) менее 1,2 нм (рис. 6(в)). Vanwege het kleine oppervlak (<5 µm × 5 µm) is de ruwheid van het grootste deel van het oppervlak minder dan 1,2 nm (Fig. 6(c)).考虑到小面积（<5 μm×5 μm），大多数表面的粗糙度小于1,2 nm（图6（c））。考虑到小面积（<5 μm×5 μm），大多数表面的粗糙度小于1,2 nm（图6（c））。 Учитывая небольшую площадь (<5 мкм × 5 мкм), шероховатость большинства поверхностей составляет менее 1,2 нм (рис. 6(в)). Gezien het kleine oppervlak (<5 µm × 5 µm) is de ruwheid van de meeste oppervlakken minder dan 1,2 nm (Fig. 6(c)).
(a) Optische afbeelding, (b) microscoopafbeelding en (c) optische afbeelding van het binnenoppervlak van de MWC-doorsnede.
Zoals weergegeven in figuur 7(a), wordt de optische padlengte LOP in de capillair bepaald door de invalshoek θ (LOP = LC/sinθ, waarbij LC de fysieke lengte van de capillair is). Voor Teflon AF-capillairen gevuld met gedemineraliseerd water moet de invalshoek groter zijn dan de kritische hoek van 77,8°, waardoor de LOP kleiner is dan 1,02 × LC zonder verdere verbetering3.6. Bij MWC is de opsluiting van licht in de capillair echter onafhankelijk van de brekingsindex of de invalshoek, waardoor de lichtweg veel langer kan worden dan de lengte van de capillair naarmate de invalshoek kleiner wordt (LOP » LC). Zoals weergegeven in figuur 7(b), kan het gegolfde metalen oppervlak lichtverstrooiing veroorzaken, wat de optische padlengte aanzienlijk kan vergroten.
Daarom zijn er twee lichtpaden voor MWC: direct licht zonder reflectie (LOP = LC) en zaagtandlicht met meerdere reflecties tussen de zijwanden (LOP » LC). Volgens de wet van Beer kan de intensiteit van het doorgelaten directe en zigzaglicht respectievelijk worden uitgedrukt als PS × exp(-α × LC) en PZ × exp(-α × LOP), waarbij de constante α de absorptiecoëfficiënt is, die volledig afhangt van de inktconcentratie.
Bij inkt met een hoge concentratie (bijv. een relatieve concentratie >1,28 × 10⁻⁵) wordt het zigzaglicht sterk verzwakt en is de intensiteit ervan veel lager dan die van rechtlijnig licht, vanwege de grote absorptiecoëfficiënt en de veel langere optische weglengte. Bij inkt met een hoge concentratie (bijv. een relatieve concentratie >1,28 × 10⁻⁵) wordt het zigzaglicht sterk verzwakt en is de intensiteit ervan veel lager dan die van rechtlijnig licht, vanwege de grote absorptiecoëfficiënt en de veel langere optische weglengte. Для чернил с высокой концентрацией (например, относительная концентрация >1,28 × 10-5) het is een goed idee om dit te doen, en dat is het ook Als u dit wilt weten, kunt u het beste weten wat u nodig hebt en meer informatie излучения. Bij inkt met een hoge concentratie (bijv. relatieve concentratie >1,28×10⁻⁵) wordt het zigzaglicht sterk verzwakt en is de intensiteit ervan veel lager dan die van direct licht, vanwege de grote absorptiecoëfficiënt en de veel langere optische emissie.spoor.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。对于 高浓度 墨水 （例如 ， 浓度 浓度> 1,28 × 10-5） ， z 字形 衰减 很 大 ， 强度 远 低于直光, 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Для чернил с высокой концентрацией (например, релевантные концентрации >1,28×10-5) зигзагообразный свет значительно ослабляется, en его Als u dit wilt weten, kunt u uw geld verdienen met uw geld en Zorg dat het apparaat goed werkt. Bij inkten met een hoge concentratie (bijv. relevante concentraties >1,28×10⁻⁵) wordt het zigzaglicht aanzienlijk verzwakt en is de intensiteit ervan veel lager dan die van direct licht, vanwege de grote absorptiecoëfficiënt en de langere optische tijd.klein weggetje.Daardoor domineerde direct licht de absorptiebepaling (LOP=LC) en werd de AEF constant gehouden op ~7,0. Daarentegen, wanneer de absorptiecoëfficiënt afneemt bij een lagere inktconcentratie (bijvoorbeeld een concentratie <1,28 × 10⁻⁵), neemt de intensiteit van het zigzaglicht sneller toe dan die van het rechte licht, waardoor het zigzaglicht een belangrijkere rol gaat spelen. Daarentegen, wanneer de absorptiecoëfficiënt afneemt bij een lagere inktconcentratie (bijvoorbeeld een concentratie <1,28 × 10⁻⁵), neemt de intensiteit van het zigzaglicht sneller toe dan die van het rechte licht, waardoor het zigzaglicht een belangrijkere rol gaat spelen. Als u een kredietverzekering wilt afsluiten (например, относительная концентрация <1,28 × 10-5), Als u wilt weten wat u wilt, kunt u het beste weten wat u wilt doen, en hoe u dat kunt doen Het apparaat kan niet worden gebruikt. Integendeel, wanneer de absorptiecoëfficiënt afneemt met een afnemende inktconcentratie (bijvoorbeeld een relatieve concentratie <1,28×10⁻⁵), neemt de intensiteit van het zigzaglicht sneller toe dan die van het directe licht, waarna het zigzaglicht begint te werken.een belangrijkere rol.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 )<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。 Als u een kredietaanvraag wilt indienen, kunt u dit doen met uw kredietaanvraag (например, соответствующая концентрация < 1,28×10-5), en meer informatie over het gebruik ervan, en meer зигзагообразный свет начинает играть более важную роль. Omgekeerd, wanneer de absorptiecoëfficiënt afneemt met een afnemende inktconcentratie (bijvoorbeeld de overeenkomstige concentratie < 1,28 × 10⁻⁵), neemt de intensiteit van het zigzaglicht sneller toe dan die van het directe licht, en begint het zigzaglicht een belangrijkere rol te spelen.rolpersonage.Door het zaagtandvormige optische pad (LOP » LC) kan de AEF dus aanzienlijk hoger worden dan 7,0. Nauwkeurige lichttransmissiekarakteristieken van MWC kunnen worden verkregen met behulp van de golfgeleidermodustheorie.
Naast het verbeteren van het optische pad draagt ​​snelle monsterwisseling ook bij aan ultralage detectielimieten. Door het kleine volume van de MCC (0,16 ml) kan de tijd die nodig is om van oplossing te wisselen in de MCC minder dan 20 seconden bedragen. Zoals weergegeven in figuur 5, is de minimaal detecteerbare waarde van AMWC (2,5 × 10⁻⁴) vier keer lager dan die van Acuvette (1,0 × 10⁻³). De snelle wisseling van de vloeistofstroom in de capillair vermindert het effect van systeemruis (bijv. drift) op de nauwkeurigheid van het absorptieverschil ten opzichte van de retentieoplossing in de cuvette. Zoals bijvoorbeeld weergegeven in fig. 3(b)-(d), kan ΔV gemakkelijk worden onderscheiden van een driftsignaal dankzij de snelle monsterwisseling in de capillair met klein volume.
Zoals weergegeven in Tabel 2, werd een reeks glucoseoplossingen met verschillende concentraties bereid met gedemineraliseerd water als oplosmiddel. Gekleurde of blanco monsters werden bereid door een glucoseoplossing of gedemineraliseerd water te mengen met chromogene oplossingen van glucoseoxidase (GOD) en peroxidase (POD) 37 in een vaste volumeverhouding van respectievelijk 3:1. Figuur 8 toont optische foto's van negen gekleurde monsters (S2-S10) met glucoseconcentraties variërend van 2,0 mM (links) tot 5,12 nM (rechts). De roodheid neemt af naarmate de glucoseconcentratie daalt.
De resultaten van metingen aan monsters 4, 9 en 10 met een MWC-fotometer worden respectievelijk weergegeven in figuren 9(a)-(c). Zoals weergegeven in figuur 9(c), wordt de gemeten ΔV minder stabiel en neemt deze langzaam toe tijdens de meting, omdat de kleur van het GOD-POD-reagens zelf (zelfs zonder toevoeging van glucose) langzaam verandert onder invloed van licht. Daarom kunnen opeenvolgende ΔV-metingen niet worden herhaald voor monsters met een glucoseconcentratie lager dan 5,12 nM (monster 10), omdat bij een voldoende kleine ΔV de instabiliteit van het GOD-POD-reagens niet langer kan worden verwaarloosd. De detectielimiet voor glucoseoplossing is daarom 5,12 nM, hoewel de corresponderende ΔV-waarde (0,52 µV) veel groter is dan de ruiswaarde (0,03 µV), wat aangeeft dat een kleine ΔV nog steeds kan worden gedetecteerd. Deze detectielimiet kan verder worden verbeterd door gebruik te maken van stabielere chromogene reagentia.
(a) Meetresultaten voor monster 4, (b) monster 9 en (c) monster 10 met behulp van een MWC-gebaseerde fotometer.
De AMWC-absorptie kan worden berekend met behulp van de gemeten Vcolor-, Vblank- en Vdark-waarden. Voor een fotodetector met een versterking van 105 is Vdark -0,068 μV. De meetwaarden voor alle monsters zijn te vinden in het aanvullend materiaal. Ter vergelijking werden ook glucosemonsters gemeten met een spectrofotometer en de gemeten absorptie van Acuvette bereikte een detectielimiet van 0,64 µM (monster 7), zoals weergegeven in figuur 10.
De relatie tussen absorptie en concentratie wordt weergegeven in figuur 11. Met de MWC-gebaseerde fotometer werd een 125-voudige verbetering van de detectielimiet bereikt in vergelijking met de cuvette-gebaseerde spectrofotometer. Deze verbetering is lager dan bij de rode inkttest vanwege de geringe stabiliteit van het GOD-POD-reagens. Er werd ook een niet-lineaire toename van de absorptie bij lage concentraties waargenomen.
De op MWC gebaseerde fotometer is ontwikkeld voor de ultragevoelige detectie van vloeibare monsters. Het optische pad kan aanzienlijk worden vergroot en is veel langer dan de fysieke lengte van de MWC, omdat licht dat wordt verstrooid door de gegolfde, gladde metalen zijwanden binnen de capillaire buis blijft, ongeacht de invalshoek. Dankzij nieuwe niet-lineaire optische versterking, snelle monsterwisseling en glucosedetectie kunnen concentraties zo laag als 5,12 nM worden bereikt met conventionele GOD-POD-reagentia. Deze compacte en voordelige fotometer zal op grote schaal worden gebruikt in de biowetenschappen en milieumonitoring voor sporenanalyse.
Zoals weergegeven in Figuur 1, bestaat de op MWC gebaseerde fotometer uit een 7 cm lange MWC (binnendiameter 1,7 mm, buitendiameter 3,18 mm, elektrolytisch gepolijst binnenoppervlak van EP-klasse, capillair van SUS316L roestvrij staal), een LED met een golflengte van 505 nm (Thorlabs M505F1), lenzen (bundelspreiding circa 6,6 graden), een fotodetector met variabele versterking (Thorlabs PDB450C) en twee T-connectoren voor optische communicatie en vloeistofaanvoer/afvoer. De T-connector is gemaakt door een transparante kwartsplaat te lijmen aan een PMMA-buis waarin de MWC en Peek-buizen (0,72 mm binnendiameter, 1,6 mm buitendiameter, Vici Valco Corp.) stevig zijn ingebracht en vastgelijmd. Een driewegklep, aangesloten op de Peek-inlaatbuis, wordt gebruikt om het binnenkomende monster te schakelen. De fotodetector kan het ontvangen optische vermogen P omzetten in een versterkt spanningssignaal N×V (waarbij V/P = 1,0 V/W bij 1550 nm, de versterkingsfactor N handmatig kan worden aangepast in het bereik van 10³-10⁷). Voor de duidelijkheid wordt V in plaats van N×V als uitgangssignaal gebruikt.
Ter vergelijking werd ook een commerciële spectrofotometer (Agilent Technologies Cary 300-serie met R928 High Efficiency Photomultiplier) met een cuvetcel van 1,0 cm gebruikt om de absorptie van vloeibare monsters te meten.
Het binnenoppervlak van de MWC-snede werd onderzocht met behulp van een optische oppervlakteprofielmeter (ZYGO New View 5022) met een verticale en laterale resolutie van respectievelijk 0,1 nm en 0,11 µm.
Alle chemicaliën (analytische kwaliteit, geen verdere zuivering) werden gekocht bij Sichuan Chuangke Biotechnology Co., Ltd. Glucosetestkits bevatten glucoseoxidase (GOD), peroxidase (POD), 4-aminoantipyrine en fenol, enz. De chromogene oplossing werd bereid volgens de gebruikelijke GOD-POD 37-methode.
Zoals weergegeven in Tabel 2, werd een reeks glucoseoplossingen met verschillende concentraties bereid met gedemineraliseerd water als verdunningsmiddel door middel van seriële verdunning (zie Aanvullende materialen voor details). Gekleurde of blanco monsters werden bereid door respectievelijk glucoseoplossing of gedemineraliseerd water te mengen met een chromogene oplossing in een vaste volumeverhouding van 3:1. Alle monsters werden 10 minuten voor de meting bij 37 °C bewaard, beschermd tegen licht. Bij de GOD-POD-methode kleuren gekleurde monsters rood met een absorptiemaximum bij 505 nm, en de absorptie is vrijwel evenredig met de glucoseconcentratie.
Zoals weergegeven in tabel 1, werd een reeks rode inktoplossingen (Ostrich Ink Co., Ltd., Tianjin, China) bereid door middel van seriële verdunning met gedemineraliseerd water als oplosmiddel.
Hoe dit artikel te citeren: Bai, M. et al. Compacte fotometer gebaseerd op metalen golfgeleidercapillairen: voor de bepaling van nanomolaire concentraties glucose. The Science. 5, 10476. doi: 10.1038/srep10476 (2015).
Dress, P. & Franke, H. Het verhogen van de nauwkeurigheid van vloeistofanalyse en pH-waardecontrole met behulp van een vloeistofkern-golfgeleider. Dress, P. & Franke, H. Het verhogen van de nauwkeurigheid van vloeistofanalyse en pH-waardecontrole met behulp van een vloeistofkern-golfgeleider.Dress, P. en Franke, H. Verbetering van de nauwkeurigheid van vloeistofanalyse en pH-regeling met een vloeistofkern-golfgeleider. Dress, P. & Franke, H. Dress, P. & Franke, H. pHDress, P. en Franke, H. Verbetering van de nauwkeurigheid van vloeistofanalyse en pH-regeling met behulp van vloeistofkern-golfgeleiders.Schakel over naar wetenschap. meter. 68, 2167–2171 (1997).
Li, QP, Zhang, J. -Z., Millero, FJ & Hansell, DA Continue colorimetrische bepaling van sporen ammonium in zeewater met een capillaire cel met lange vloeistofgolfgeleider. Li, QP, Zhang, J.-Z., Millero, FJ & Hansell, DA Continue colorimetrische bepaling van sporen ammonium in zeewater met een capillaire cel met lange vloeistofgolfgeleider.Lee, KP, Zhang, J.-Z., Millero, FJ en Hansel, DA Continue colorimetrische bepaling van sporenhoeveelheden ammonium in zeewater met behulp van een capillaire cel met een vloeistofgolfgeleider. Li, QP, Zhang, J. -Z., Millero, FJ & Hansell, DA Li, QP, Zhang, J.-Z., Millero, FJ & Hansell, DA.Lee, KP, Zhang, J.-Z., Millero, FJ en Hansel, DA Continue colorimetrische bepaling van sporenhoeveelheden ammonium in zeewater met behulp van langeafstands vloeistofgolfgeleidercapillairen.Chemie in maart. 96, 73–85 (2005).
Páscoa, RNMJ, Tóth, IV & Rangel, AOSS Overzicht van recente toepassingen van de vloeistofgolfgeleidercapillaire cel in op stroming gebaseerde analysetechnieken om de gevoeligheid van spectroscopische detectiemethoden te verbeteren. Páscoa, RNMJ, Tóth, IV & Rangel, AOSS Overzicht van recente toepassingen van de vloeistofgolfgeleidercapillaire cel in op stroming gebaseerde analysetechnieken om de gevoeligheid van spectroscopische detectiemethoden te verbeteren.Pascoa, RNMJ, Toth, IV en Rangel, AOSS. Een overzicht van recente toepassingen van de vloeistofgolfgeleidercapillaire cel in stroomanalysetechnieken om de gevoeligheid van spectroscopische detectiemethoden te verbeteren. 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 Foto's Foto'sPascoa, RNMJ, Toth, IV en Rangel, AOSS Een overzicht van recente toepassingen van vloeistofgolfgeleidercapillaire cellen in op stroming gebaseerde analytische methoden om de gevoeligheid van spectroscopische detectiemethoden te verbeteren.anus. Chim. Act 739, 1-13 (2012).
Wen, T., Gao, J., Zhang, J., Bian, B. & Shen, J. Onderzoek naar de dikte van Ag- en AgI-films in de capillairen voor holle golfgeleiders. Wen, T., Gao, J., Zhang, J., Bian, B. & Shen, J. Onderzoek naar de dikte van Ag- en AgI-films in de capillairen voor holle golfgeleiders.Wen T., Gao J., Zhang J., Bian B. en Shen J. Onderzoek naar de dikte van Ag- en AgI-films in capillairen voor holle golfgeleiders. Wen, T., Gao, J., Zhang, J., Bian, B. & Shen, J. Wen, T., Gao, J., Zhang, J., Bian, B. & Shen, J. Onderzoek naar de dikte van dunne films van Ag en AgI in luchtkanalen.Wen T., Gao J., Zhang J., Bian B. en Shen J. Onderzoek naar de dikte van dunne Ag- en AgI-films in holle golfgeleidercapillairen.Infraroodfysica. Technologie 42, 501–508 (2001).
Gimbert, LJ, Haygarth, PM & Worsfold, PJ Bepaling van nanomolaire concentraties fosfaat in natuurlijke wateren met behulp van flowinjectie met een capillaire cel met lange padlengte vloeistofgolfgeleider en vastestofspectrofotometrische detectie. Gimbert, LJ, Haygarth, PM & Worsfold, PJ Bepaling van nanomolaire concentraties fosfaat in natuurlijke wateren met behulp van flowinjectie met een capillaire cel met lange padlengte vloeistofgolfgeleider en vastestofspectrofotometrische detectie.Gimbert, LJ, Haygarth, PM en Worsfold, PJ. Bepaling van nanomolaire fosfaatconcentraties in natuurlijke wateren met behulp van flowinjectie met een vloeistofgolfgeleidercapillaire cel en vastestofspectrofotometrische detectie. 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 Bepaling van de fosfaatconcentratie in natuurlijk water met behulp van een vloeistofspuit en een capillaire buis met lange vloeistofgolfgeleider.Gimbert, LJ, Haygarth, PM en Worsfold, PJ Bepaling van nanomolaire fosfaat in natuurlijk water met behulp van injectiestroom en capillaire golfgeleider met lange optische weg en vastestof-spectrofotometrische detectie.Taranta 71, 1624-1628 (2007).
Belz, M., Dress, P., Sukhitskiy, A. & Liu, S. Lineariteit en effectieve optische padlengte van vloeistofgolfgeleidercapillaire cellen. Belz, M., Dress, P., Sukhitskiy, A. & Liu, S. Lineariteit en effectieve optische padlengte van vloeistofgolfgeleidercapillaire cellen.Belz M., Dress P., Suhitsky A. en Liu S. Lineariteit en effectieve optische padlengte in vloeibare golfgeleiders in capillaire cellen. Belz, M., Dress, P., Sukhitskiy, A. & Liu, S. Belz, M., Dress, P., Sukhitskiy, A. & Liu, S. De lineariteit en effectieve lengte van vloeibaar water.Belz M., Dress P., Suhitsky A. en Liu S. Lineaire en effectieve optische padlengte in een vloeistofgolf in een capillaire cel.SPIE 3856, 271–281 (1999).
Dallas, T. & Dasgupta, PK Licht aan het einde van de tunnel: recente analytische toepassingen van vloeistofkern-golfgeleiders. Dallas, T. & Dasgupta, PK Licht aan het einde van de tunnel: recente analytische toepassingen van vloeistofkern-golfgeleiders.Dallas, T. en Dasgupta, PK. Licht aan het einde van de tunnel: recente analytische toepassingen van vloeistofkern-golfgeleiders. Dallas, T. & Dasgupta, PK Licht aan het einde van de tunnel: Dallas, T. & Dasgupta, PK Licht aan het einde van de tunnel:Dallas, T. en Dasgupta, PK. Licht aan het einde van de tunnel: de nieuwste analytische toepassing van vloeistofkern-golfgeleiders.Trac, trendanalyse. Chemisch. 23, 385–392 (2004).
Ellis, PS, Gentle, BS, Grace, MR & McKelvie, ID Een veelzijdige fotometrische detectiecel met totale interne reflectie voor stroomanalyse. Ellis, PS, Gentle, BS, Grace, MR & McKelvie, ID Een veelzijdige fotometrische detectiecel met totale interne reflectie voor stroomanalyse.Ellis, PS, Gentle, BS, Grace, MR en McKelvey, ID Universele fotometrische totale interne reflectiecel voor stroomanalyse. Ellis, PS, Gentle, BS, Grace, MR & McKelvie, ID Ellis, PS, Gentle, BS, Grace, MR & McKelvie, IDEllis, PS, Gentle, BS, Grace, MR en McKelvey, ID Universele TIR-fotometrische cel voor stroomanalyse.Taranta 79, 830–835 (2009).
Ellis, PS, Lyddy-Meaney, AJ, Worsfold, PJ & McKelvie, ID. Fotometrische doorstroomcel met meervoudige reflectie voor gebruik bij doorstroominjectieanalyse van estuariene wateren. Ellis, PS, Lyddy-Meaney, AJ, Worsfold, PJ & McKelvie, ID. Fotometrische doorstroomcel met meervoudige reflectie voor gebruik bij doorstroominjectieanalyse van estuariene wateren.Ellis, PS, Liddy-Minnie, AJ, Worsfold, PJ en McKelvey, ID. Een multi-reflectie fotometrische doorstroomcel voor gebruik bij de analyse van de stroming in estuariene wateren. 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 en McKelvey, ID Een multi-reflectie fotometrische flowcel voor flowinjectieanalyse in estuariene wateren.anus Chim. Akte 499, 81-89 (2003).
Pan, J.-Z., Yao, B. & Fang, Q. Draagbare fotometer gebaseerd op absorptiedetectie met vloeistofkern-golfgeleider voor monsters op nanoliterschaal. Pan, J.-Z., Yao, B. & Fang, Q. Draagbare fotometer gebaseerd op absorptiedetectie met vloeistofkerngolfgeleider voor monsters op nanoliterschaal.Pan, J.-Z., Yao, B. en Fang, K. Een draagbare fotometer gebaseerd op golflengteabsorptiedetectie met vloeistofkern voor monsters op nanoliterschaal. Pan, J. -Z., Yao, B. & Fang, Q. Pan, J.-Z., Yao, B. & Fang, Q. Gebaseerd op 液芯波波水水水油法的纳法手手持光度计。Pan, J.-Z., Yao, B. en Fang, K. Een draagbare fotometer met een nanoschaalmonster gebaseerd op de detectie van absorptie in een vloeistofkerngolf.anus Chemical. 82, 3394–3398 (2010).
Zhang, J.-Z. Verhoog de gevoeligheid van injectiestroomanalyse door gebruik te maken van een capillaire stroomcel met een lange optische weg voor spectrofotometrische detectie. anus. de wetenschap. 22, 57–60 (2006).
D'Sa, EJ & Steward, RG Toepassing van vloeibare capillaire golfgeleiders in absorptiespectroscopie (Antwoord op de opmerking van Byrne en Kaltenbacher). D'Sa, EJ & Steward, RG Toepassing van vloeibare capillaire golfgeleiders in absorptiespectroscopie (Antwoord op de opmerking van Byrne en Kaltenbacher).D'Sa, EJ en Steward, RG Toepassingen van vloeibare capillaire golfgeleiders in absorptiespectroscopie (Antwoord op opmerkingen van Byrne en Kaltenbacher). D'Sa, EJ & Steward, RG (Byrne 和Kaltenbacher 的评论)。 D'Sa, EJ & Steward, RG Toepassing van vloeistof 毛绿波波对在absorptiespectrum (回复Byrne和Kaltenbacher的评论).D'Sa, EJ en Steward, RG Vloeibare capillaire golfgeleiders voor absorptiespectroscopie (in reactie op opmerkingen van Byrne en Kaltenbacher).limonol. Oceanographer. 46, 742–745 (2001).
Khijwania, SK & Gupta, BD Vezeloptische absorptiesensor voor evanescent veld: Effect van vezelparameters en geometrie van de sonde. Khijwania, SK & Gupta, BD Vezeloptische absorptiesensor voor evanescent veld: Effect van vezelparameters en geometrie van de sonde.Hijvania, SK en Gupta, BD Vezeloptische absorptiesensor voor evanescente velden: invloed van vezelparameters en sondegeometrie. Khijwania, SK & Gupta, BD Khijwania, SK & Gupta, BDHijvania, SK en Gupta, BD. Evanescent field absorption fiber optic sensoren: influence of fiber parameters and probe geometry.Optica en kwantumelektronica 31, 625–636 (1999).
Biedrzycki, S., Buric, MP, Falk, J. & Woodruff, SD Hoekuitvoer van holle, met metaal beklede, golfgeleider-Raman-sensoren. Biedrzycki, S., Buric, MP, Falk, J. & Woodruff, SD Hoekuitvoer van holle, met metaal beklede, golfgeleider-Raman-sensoren.Bedjitsky, S., Burich, MP, Falk, J. en Woodruff, SD. Hoekuitgang van holle golfgeleider Raman-sensoren met metalen bekleding. Biedrzycki, S., Buric, MP, Falk, J. & Woodruff, SD Biedrzycki, S., Buric, MP, Falk, J. & Woodruff, SD.Bedjitsky, S., Burich, MP, Falk, J. en Woodruff, SD. Hoekuitvoer van een Raman-sensor met een kale metalen golfgeleider.aanvraag om 51 te kiezen, 2023-2025 (2012).
Harrington, JA Een overzicht van holle golfgeleiders voor IR-transmissie. vezelintegratie. te kiezen. 19, 211–227 (2000).