Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com. Używana przez Ciebie wersja przeglądarki ma ograniczoną obsługę CSS. Aby zapewnić Ci najlepsze wrażenia, zalecamy korzystanie z nowszej wersji przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w Internet Explorerze). W międzyczasie, aby zapewnić ciągłą obsługę, będziemy renderować witrynę bez stylów i JavaScriptu.
Analiza śladowa próbek ciekłych ma szerokie zastosowanie w naukach przyrodniczych i monitoringu środowiska. W niniejszej pracy opracowaliśmy kompaktowy i niedrogi fotometr oparty na kapilarach światłowodowych (MCC) do ultraczułego oznaczania absorpcji. Droga optyczna może być znacznie wydłużona i znacznie dłuższa niż fizyczna długość kapilary MWC, ponieważ światło rozproszone przez pofałdowane, gładkie metalowe ścianki boczne może zostać zatrzymane w kapilarze niezależnie od kąta padania. Stężenia nawet do 5,12 nM można osiągnąć przy użyciu popularnych odczynników chromogenicznych dzięki nowej, nieliniowej amplifikacji optycznej oraz szybkiemu przełączaniu próbek i wykrywaniu glukozy.
Fotometria jest szeroko stosowana do analizy śladowej próbek cieczy ze względu na dużą dostępność odczynników chromogenicznych i półprzewodnikowych urządzeń optoelektronicznych1,2,3,4,5. W porównaniu z tradycyjnym pomiarem absorbancji opartym na kuwecie, kapilary z falowodem cieczowym (LWC) odbijają światło (TIR) ​​poprzez utrzymywanie światła sondy wewnątrz kapilary1,2,3,4,5. Jednak bez dalszych ulepszeń droga optyczna jest zbliżona jedynie do fizycznej długości LWC3,6, a zwiększenie długości LWC powyżej 1,0 m będzie skutkowało silnym tłumieniem światła i wysokim ryzykiem powstawania pęcherzyków itp.3,7. W odniesieniu do proponowanej wieloodbiciowej komory do poprawy drogi optycznej, granica wykrywalności jest poprawiona jedynie o współczynnik 2,5–8,9.
Obecnie istnieją dwa główne rodzaje kapilar LWC, a mianowicie kapilary teflonowe AF (o współczynniku załamania światła wynoszącym zaledwie ~1,3, który jest niższy niż w przypadku wody) oraz kapilary krzemionkowe pokryte teflonem AF lub powłokami metalowymi1,3,4. Aby uzyskać TIR na granicy faz między materiałami dielektrycznymi, wymagane są materiały o niskim współczynniku załamania światła i wysokich kątach padania światła3,6,10. W porównaniu z kapilarami teflonowymi AF, teflon AF jest oddychający ze względu na swoją porowatą strukturę3,11 i może absorbować niewielkie ilości substancji w próbkach wody. W przypadku kapilar kwarcowych pokrytych od zewnątrz teflonem AF lub metalem, współczynnik załamania światła kwarcu (1,45) jest wyższy niż w przypadku większości próbek ciekłych (np. 1,33 dla wody)3,6,12,13. W przypadku naczyń włosowatych pokrytych wewnątrz warstwą metalu badano właściwości transportowe14,15,16,17,18, jednak proces powlekania jest skomplikowany, powierzchnia warstwy metalu ma chropowatą i porowatą strukturę4,19.
Ponadto komercyjne kapilary LWC (AF Teflon Coated Capillaries i AF Teflon Coated Silica Capillaries, World Precision Instruments, Inc.) mają pewne wady, takie jak: podatność na usterki. Duża martwa objętość łącznika TIR3,10, (2) T (do łączenia kapilar, włókien i rur wlotowych/wylotowych) może powodować zatrzymywanie pęcherzyków powietrza10.
Jednocześnie oznaczanie poziomu glukozy ma ogromne znaczenie w diagnostyce cukrzycy, marskości wątroby i chorób psychicznych20. oraz wielu metod wykrywania, takich jak fotometria (w tym spektrofotometria 21, 22, 23, 24, 25 i kolorymetria na papierze 26, 27, 28), galwanometria 29, 30, 31, fluorometria 32, 33, 34, 35, polarymetria optyczna 36, ​​powierzchniowy rezonans plazmonowy 37, jama Fabry'ego-Perota 38, elektrochemia 39 i elektroforeza kapilarna 40,41 i tak dalej. Jednak większość tych metod wymaga drogiego sprzętu, a wykrywanie glukozy przy stężeniach kilku nanomolowych pozostaje wyzwaniem (na przykład w przypadku pomiarów fotometrycznych21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 najniższe stężenie glukozy). ograniczenie wynosiło zaledwie 30 nM, gdy nanocząsteczki błękitu pruskiego były używane jako imitatory peroksydazy). Nanomolowe analizy glukozy są często wymagane do badań komórkowych na poziomie molekularnym, takich jak hamowanie wzrostu ludzkiego raka prostaty42 i wiązanie CO2 przez Prochlorococcus w oceanie.
W niniejszym artykule opracowano kompaktowy, niedrogi fotometr oparty na kapilarze falowodowej (MWC) ze stali nierdzewnej SUS316L z elektropolerowaną powierzchnią wewnętrzną, przeznaczony do ultraczułego oznaczania absorpcji. Ponieważ światło może być uwięzione wewnątrz kapilar metalowych niezależnie od kąta padania, droga optyczna może zostać znacznie wydłużona poprzez rozpraszanie światła na falistych i gładkich powierzchniach metalowych i jest znacznie dłuższa niż fizyczna długość MWC. Dodatkowo, zaprojektowano prosty łącznik typu T do połączenia optycznego oraz wlotu/wylotu płynu, aby zminimalizować martwą objętość i zapobiec uwięzieniu pęcherzyków. W przypadku fotometru MWC o średnicy 7 cm, granica detekcji została poprawiona około 3000-krotnie w porównaniu z komercyjnym spektrofotometrem z kuwetą 1 cm, dzięki nowemu ulepszeniu nieliniowej drogi optycznej i szybkiemu przełączaniu próbek. Możliwe jest również osiągnięcie stężenia detekcji glukozy wynoszącego zaledwie 5,12 nM przy użyciu popularnych odczynników chromogenicznych.
Jak pokazano na rysunku 1, fotometr oparty na technologii MWC składa się z 7-centymetrowego modułu MWC z elektropolerowaną powierzchnią wewnętrzną klasy EP, diody LED 505 nm z soczewką, fotodetektora o regulowanym wzmocnieniu oraz dwóch modułów do sprzężenia optycznego i wejścia cieczy. Wyjście. Zawór trójdrożny podłączony do rurki wlotowej Pike'a służy do przełączania napływającej próbki. Rurka Peek ściśle przylega do płytki kwarcowej i modułu MWC, dzięki czemu martwa objętość w złączu typu T jest ograniczona do minimum, skutecznie zapobiegając uwięzieniu pęcherzyków powietrza. Ponadto, skolimowana wiązka może być łatwo i sprawnie wprowadzona do modułu MWC przez płytkę kwarcową typu T.
Wiązka i próbka cieczy są wprowadzane do komory MCC przez trójnik, a wiązka przechodząca przez komorę MCC jest odbierana przez fotodetektor. Napływające roztwory próbek barwionych lub ślepych były naprzemiennie wprowadzane do komory ICC przez zawór trójdrożny. Zgodnie z prawem Beera, gęstość optyczną próbki barwnej można obliczyć z równania. 1.10
gdzie Vcolor i Vblank to sygnały wyjściowe fotodetektora, gdy do MCC wprowadzane są odpowiednio próbki koloru i próbki puste, a Vdark to sygnał tła fotodetektora po wyłączeniu diody LED. Zmianę sygnału wyjściowego ΔV = Vcolor–Vblank można zmierzyć, przełączając próbki. Zgodnie z równaniem. Jak pokazano na rysunku 1, jeśli ΔV jest znacznie mniejsze niż Vblank–Vdark, przy zastosowaniu schematu przełączania próbkowania, niewielkie zmiany Vblank (np. dryft) mogą mieć niewielki wpływ na wartość AMWC.
Aby porównać wydajność fotometru opartego na MWC ze spektrofotometrem opartym na kuwecie, jako próbkę koloru użyto roztworu czerwonego tuszu ze względu na jego doskonałą stabilność koloru i dobrą liniowość stężenie-absorbancja, a DI H2O jako próbkę ślepą. Jak pokazano w Tabeli 1, przygotowano serię roztworów czerwonego tuszu metodą seryjnych rozcieńczeń, stosując DI H2O jako rozpuszczalnik. Względne stężenie próbki 1 (S1), nierozcieńczonej oryginalnej czerwonej farby, określono na 1,0. Na rys. Rysunek 2 przedstawia fotografie optyczne 11 próbek czerwonego tuszu (S4 do S14) o względnych stężeniach (wymienionych w Tabeli 1) w zakresie od 8,0 × 10–3 (po lewej) do 8,2 × 10–10 (po prawej).
Wyniki pomiarów dla próbki 6 przedstawiono na rys. 3(a). Punkty przełączania między próbkami barwionymi a próbkami ślepymi oznaczono na rysunku podwójnymi strzałkami „↔”. Widać, że napięcie wyjściowe gwałtownie rośnie podczas przełączania z próbek kolorowych na próbki ślepe i odwrotnie. Vkolor, Vpuste i odpowiadające im ΔV można uzyskać, jak pokazano na rysunku.
(a) Wyniki pomiarów dla próbki 6, (b) próbki 9, (c) próbki 13 i (d) próbki 14 przy użyciu fotometru opartego na MWC.
Wyniki pomiarów dla próbek 9, 13 i 14 przedstawiono odpowiednio na rysunkach 3(b)-(d). Jak pokazano na rysunku 3(d), zmierzone ΔV wynosi zaledwie 5 nV, co stanowi prawie 3-krotność wartości szumu (2 nV). Małe ΔV jest trudne do odróżnienia od szumu. Zatem granica wykrywalności osiągnęła względne stężenie 8,2×10-10 (próbka 14). Za pomocą równań. 1. Absorbancję AMWC można obliczyć ze zmierzonych wartości Vcolor, Vblank i Vdark. Dla fotodetektora o wzmocnieniu 104 Vdark wynosi -0,68 μV. Wyniki pomiarów dla wszystkich próbek podsumowano w tabeli 1 i można je znaleźć w materiale uzupełniającym. Jak pokazano w tabeli 1, absorbancja znaleziona przy wysokich stężeniach nasyca się, więc absorbancji powyżej 3,7 nie można zmierzyć za pomocą spektrometrów opartych na MWC.
Dla porównania, próbkę czerwonego atramentu zmierzono również spektrofotometrem, a zmierzoną absorbancję Akuwety przedstawiono na rysunku 4. Wartości Akuwety przy 505 nm (jak pokazano w tabeli 1) uzyskano, odnosząc się do krzywych próbek 10, 11 lub 12 (jak pokazano we wstawce) na rys. 4) jako linii bazowej. Jak pokazano, granica wykrywalności osiągnęła względne stężenie 2,56 x 10-6 (próbka 9), ponieważ krzywe absorpcji próbek 10, 11 i 12 były nieodróżnialne od siebie. Zatem przy użyciu fotometru opartego na MWC granica wykrywalności została poprawiona o współczynnik 3125 w porównaniu ze spektrofotometrem opartym na kuwecie.
Zależność absorpcji od stężenia przedstawiono na rys. 5. W przypadku pomiarów kuwetowych absorbancja jest proporcjonalna do stężenia tuszu przy długości drogi optycznej 1 cm. Natomiast w przypadku pomiarów opartych na MWC obserwowano nieliniowy wzrost absorbancji przy niskich stężeniach. Zgodnie z prawem Beera, absorbancja jest proporcjonalna do długości drogi optycznej, więc zysk absorpcji AEF (zdefiniowany jako AEF = AMWC/Akuweta przy tym samym stężeniu tuszu) jest stosunkiem MWC do długości drogi optycznej kuwety. Jak pokazano na rys. 5, przy wysokich stężeniach stała AEF wynosi około 7,0, co jest rozsądne, ponieważ długość MWC jest dokładnie 7 razy większa od długości kuwety o średnicy 1 cm. Jednak przy niskich stężeniach (stężenie względne <1,28 × 10-5) AEF wzrasta wraz ze zmniejszaniem się stężenia i osiągnąłby wartość 803 przy stężeniu względnym 8,2 × 10-10, ekstrapolując krzywą pomiaru opartego na kuwecie. Jednak przy niskich stężeniach (stężenie względne <1,28 × 10-5) AEF wzrasta wraz ze zmniejszaniem się stężenia i osiągnąłby wartość 803 przy stężeniu względnym 8,2 × 10-10, ekstrapolując krzywą pomiaru opartego na kuwecie. Однако при низких концентрациях (относительная концентрация <1,28 × 10–5) AEF увеличивается с уменьшением концентрации i может достигать значения 803 pri относительной концентрации 8,2 × 10–10 pri экстраполяции кривой измерения на основе кюветы. Jednak przy niskich stężeniach (stężenie względne <1,28 × 10–5) AEF wzrasta wraz ze zmniejszaniem się stężenia i może osiągnąć wartość 803 przy stężeniu względnym 8,2 × 10–10 po ekstrapolacji z krzywej pomiarowej opartej na kuwecie.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 达到803 值。 Однако при низких концентрациях (релевантные концентрации < 1,28 × 10-5) АЭП увеличивается с уменьшением концентрации, и pri экстраполяции кривой измерения на основе кюветы она достигает значения относительной концентрации 8,2 × 10–10 803 . Jednak przy niskich stężeniach (istotne stężenia < 1,28 × 10-5) stężenie AED wzrasta wraz ze zmniejszaniem się stężenia, a po ekstrapolacji z krzywej pomiarowej opartej na kuwecie osiąga wartość stężenia względnego wynoszącą 8,2 × 10–10 803 .Daje to odpowiadającą ścieżkę optyczną o długości 803 cm (AEF × 1 cm), która jest znacznie dłuższa niż fizyczna długość MWC, a nawet dłuższa niż najdłuższy dostępny komercyjnie LWC (500 cm firmy World Precision Instruments, Inc.). Doko Engineering LLC ma długość 200 cm. Ten nieliniowy wzrost absorpcji w LWC nie był wcześniej zgłaszany.
Na rys. 6(a)-(c) przedstawiono odpowiednio obraz optyczny, obraz mikroskopowy i obraz z profilu optycznego wewnętrznej powierzchni przekroju MWC. Jak pokazano na rys. 6(a), powierzchnia wewnętrzna jest gładka i błyszcząca, odbija światło widzialne i charakteryzuje się wysokim współczynnikiem odbicia. Jak pokazano na rys. 6(b), ze względu na odkształcalność i krystaliczną naturę metalu, na gładkiej powierzchni pojawiają się drobne wypustki i nierówności. Biorąc pod uwagę niewielki obszar (<5 μm×5 μm), chropowatość większości powierzchni wynosi mniej niż 1,2 nm (rys. 6(c)). Biorąc pod uwagę niewielki obszar (<5 μm×5 μm), chropowatość większości powierzchni wynosi mniej niż 1,2 nm (rys. 6(c)). Ввиду малой площади (<5 мкм×5 мкм) шероховатость большей части поверхности составляет менее 1,2 нм (рис. 6(w)). Ze względu na małą powierzchnię (<5 µm×5 µm) chropowatość większości powierzchni wynosi mniej niż 1,2 nm (rys. 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)). Biorąc pod uwagę niewielką powierzchnię (<5 µm × 5 µm), chropowatość większości powierzchni wynosi mniej niż 1,2 nm (rys. 6(c)).
(a) Obraz optyczny, (b) obraz mikroskopowy i (c) obraz optyczny wewnętrznej powierzchni przekroju MWC.
Jak pokazano na rys. 7(a), droga optyczna LOP w kapilarze jest określona przez kąt padania θ (LOP = LC/sinθ, gdzie LC jest fizyczną długością kapilary). W przypadku kapilar teflonowych AF wypełnionych DI H2O kąt padania musi być większy od kąta krytycznego 77,8°, więc LOP jest mniejszy niż 1,02 × LC bez dalszej poprawy3.6. Natomiast w przypadku MWC ograniczenie światła wewnątrz kapilary jest niezależne od współczynnika załamania światła ani kąta padania, więc wraz ze zmniejszaniem się kąta padania droga światła może być znacznie dłuższa niż długość kapilary (LOP » LC). Jak pokazano na rys. 7(b), falista powierzchnia metalu może powodować rozpraszanie światła, co może znacznie wydłużyć drogę optyczną.
Zatem dla MWC istnieją dwie ścieżki światła: światło bezpośrednie bez odbicia (LOP = LC) oraz światło piłokształtne z wielokrotnymi odbiciami między ściankami bocznymi (LOP » LC). Zgodnie z prawem Beera, natężenie światła transmitowanego bezpośrednio i zygzakowato można wyrazić odpowiednio jako PS × exp (-α × LC) i PZ × exp (-α × LOP), gdzie stała α jest współczynnikiem absorpcji, który zależy wyłącznie od stężenia tuszu.
W przypadku atramentu o dużym stężeniu (np. o stężeniu >1,28 × 10-5) światło zygzakowate jest silnie osłabione, a jego natężenie jest znacznie niższe od natężenia światła prostego, ze względu na duży współczynnik absorpcji i znacznie dłuższą drogę optyczną. W przypadku atramentu o dużym stężeniu (np. o stężeniu >1,28 × 10-5) światło zygzakowate jest silnie osłabione, a jego natężenie jest znacznie niższe od natężenia światła prostego, ze względu na duży współczynnik absorpcji i znacznie dłuższą drogę optyczną. Для чернил с высокой концентрацией (например, относительная концентрация >1,28 × 10-5) зигзагообразный свет сильно затухает, а его inтенсивность намного ниже, чем у прямого света, из-за большого коэффициента поглощения и гораздо более длинного оптического излучения. W przypadku tuszu o dużym stężeniu (np. o stężeniu względnym >1,28×10-5) światło zygzakowate jest silnie tłumione, a jego natężenie jest znacznie niższe od natężenia światła bezpośredniego ze względu na duży współczynnik absorpcji i znacznie dłuższą emisję optyczną.ścieżka.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, и его inтенсивность намного ниже, чем у прямого света из-за большого коэффициента поглощения и более длительного оптического времени. W przypadku tuszy o wysokim stężeniu (np. odpowiednich stężeń >1,28×10-5) światło zygzakowate jest znacząco osłabione, a jego intensywność jest znacznie niższa od intensywności światła bezpośredniego ze względu na duży współczynnik absorpcji i dłuższy czas optyczny.mała droga.Zatem w określaniu absorbancji (LOP=LC) dominowało światło bezpośrednie, a AEF utrzymywano na stałym poziomie ~7,0. Natomiast gdy współczynnik absorpcji maleje wraz ze zmniejszaniem się stężenia tuszu (np. przy stężeniu <1,28 × 10-5), intensywność światła zygzakowatego wzrasta szybciej niż intensywność światła prostego, a następnie światło zygzakowate zaczyna odgrywać ważniejszą rolę. Natomiast gdy współczynnik absorpcji maleje wraz ze zmniejszaniem się stężenia tuszu (np. przy stężeniu <1,28 × 10-5), intensywność światła zygzakowatego wzrasta szybciej niż intensywność światła prostego, a następnie światło zygzakowate zaczyna odgrywać ważniejszą rolę. Напротив, когда коэффициент поглощения уменьшается с уменьшением концентрации чернил (например, относительная концентрация <1,28 × 10-5), интенсивность зигзагообразного света увеличивается быстрее, чем у прямого света, и затем начинает играть зигзагообразный свет. Wręcz przeciwnie, gdy współczynnik absorpcji maleje wraz ze zmniejszaniem się stężenia tuszu (na przykład, gdy stężenie względne wynosi <1,28×10-5), intensywność światła zygzakowatego wzrasta szybciej niż intensywność światła bezpośredniego, po czym zaczyna występować światło zygzakowate.ważniejszą rolę.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。 И наоборот, когда коэффициент поглощения уменьшается с уменьшением концентрации чернил (например, соответствующая концентрация < 1,28×10-5), интенсивность зигзагообразного света увеличивается быстрее, чем прямого, и тогда зигзагообразный свет начинает играть более важную роль. Odwrotnie, gdy współczynnik absorpcji maleje wraz ze zmniejszaniem się stężenia tuszu (na przykład, gdy odpowiadające stężenie jest mniejsze niż 1,28×10-5), natężenie światła zygzakowatego wzrasta szybciej niż natężenie światła bezpośredniego, a wtedy światło zygzakowate zaczyna odgrywać ważniejszą rolę.postać odgrywająca rolę.Dzięki piłokształtnej ścieżce optycznej (LOP » LC) współczynnik AEF można zwiększyć znacznie powyżej 7,0. Dokładne charakterystyki transmisji światła MWC można uzyskać, wykorzystując teorię modów falowodowych.
Oprócz poprawy ścieżki optycznej, szybkie przełączanie próbek przyczynia się również do bardzo niskich granic wykrywalności. Ze względu na małą objętość MCC (0,16 ml), czas potrzebny na przełączanie i zmianę roztworów w MCC może wynosić mniej niż 20 sekund. Jak pokazano na rysunku 5, minimalna wykrywalna wartość AMWC (2,5 × 10–4) jest 4 razy niższa niż w przypadku Acuvette (1,0 × 10–3). Szybkie przełączanie przepływającego roztworu w kapilarze zmniejsza wpływ szumu systemowego (np. dryftu) na dokładność różnicy absorbancji w porównaniu z roztworem retencyjnym w kuwecie. Na przykład, jak pokazano na rys. 3(b)-(d), ΔV można łatwo odróżnić od sygnału dryftu ze względu na szybkie przełączanie próbek w kapilarze o małej objętości.
Jak pokazano w tabeli 2, przygotowano szereg roztworów glukozy o różnych stężeniach, używając DI H2O jako rozpuszczalnika. Próbki barwione lub próby ślepe przygotowano poprzez zmieszanie roztworu glukozy lub wody dejonizowanej z chromogenicznymi roztworami oksydazy glukozowej (GOD) i peroksydazy (POD) 37 w stałym stosunku objętościowym 3:1. Na rys. 8 przedstawiono fotografie optyczne dziewięciu barwionych próbek (S2-S10) o stężeniach glukozy w zakresie od 2,0 mM (po lewej) do 5,12 nM (po prawej). Zaczerwienienie maleje wraz ze spadkiem stężenia glukozy.
Wyniki pomiarów próbek 4, 9 i 10 za pomocą fotometru opartego na MWC przedstawiono odpowiednio na rys. 9(a)-(c). Jak pokazano na rys. 9(c), zmierzone ΔV staje się mniej stabilne i powoli wzrasta w trakcie pomiaru, ponieważ kolor samego odczynnika GOD-POD (nawet bez dodatku glukozy) powoli zmienia się pod wpływem światła. Zatem kolejnych pomiarów ΔV nie można powtarzać dla próbek o stężeniu glukozy mniejszym niż 5,12 nM (próbka 10), ponieważ gdy ΔV jest wystarczająco małe, niestabilność odczynnika GOD-POD nie może być dłużej pomijana. Zatem granica wykrywalności dla roztworu glukozy wynosi 5,12 nM, chociaż odpowiadająca temu wartość ΔV (0,52 µV) jest znacznie większa niż wartość szumu (0,03 µV), co wskazuje, że nadal można wykryć niewielką wartość ΔV. Granicę wykrywalności można jeszcze bardziej poprawić, stosując bardziej stabilne odczynniki chromogeniczne.
(a) Wyniki pomiarów dla próbki 4, (b) próbki 9 i (c) próbki 10 przy użyciu fotometru opartego na MWC.
Absorbancję AMWC można obliczyć na podstawie zmierzonych wartości Vcolor, Vblank i Vdark. Dla fotodetektora o wzmocnieniu 105, Vdark wynosi -0,068 μV. Pomiary dla wszystkich próbek można ustawić w materiale uzupełniającym. Dla porównania, próbki glukozy zmierzono również za pomocą spektrofotometru, a zmierzona absorbancja Acuvette osiągnęła granicę wykrywalności 0,64 µM (próbka 7), jak pokazano na rysunku 10.
Zależność między absorbancją a stężeniem przedstawiono na rysunku 11. Fotometr oparty na MWC pozwolił na 125-krotną poprawę granicy wykrywalności w porównaniu ze spektrofotometrem kuwetowym. Poprawa ta jest niższa niż w przypadku testu z czerwonym atramentem ze względu na słabą stabilność odczynnika GOD-POD. Zaobserwowano również nieliniowy wzrost absorbancji przy niskich stężeniach.
Fotometr oparty na technologii MWC został opracowany do ultraczułej detekcji próbek cieczy. Ścieżka optyczna może być znacznie wydłużona i znacznie dłuższa niż fizyczna długość MWC, ponieważ światło rozproszone przez karbowane, gładkie, metalowe ścianki boczne może być zatrzymane w kapilarze, niezależnie od kąta padania. Dzięki nowej, nieliniowej amplifikacji optycznej, szybkiemu przełączaniu próbek i detekcji glukozy, możliwe jest osiągnięcie stężeń nawet do 5,12 nM przy użyciu konwencjonalnych odczynników GOD-POD. Ten kompaktowy i niedrogi fotometr będzie szeroko stosowany w naukach przyrodniczych i monitoringu środowiska do analizy śladowej.
Jak pokazano na rysunku 1, fotometr oparty na technologii MWC składa się z 7-centymetrowego modułu MWC (średnica wewnętrzna 1,7 mm, średnica zewnętrzna 3,18 mm, elektropolerowana powierzchnia wewnętrzna klasy EP, kapilara ze stali nierdzewnej SUS316L), diody LED o długości fali 505 nm (Thorlabs M505F1) i soczewek (rozproszenie wiązki około 6,6 stopnia), fotodetektora o zmiennym wzmocnieniu (Thorlabs PDB450C) oraz dwóch trójników do komunikacji optycznej i wejścia/wyjścia cieczy. Trójnik powstaje poprzez połączenie przezroczystej płytki kwarcowej z rurą PMMA, do której ściśle włożono i przyklejono rury MWC i Peek (średnica wewnętrzna 0,72 mm, średnica zewnętrzna 1,6 mm, Vici Valco Corp.). Zawór trójdrożny podłączony do rury wlotowej Pike służy do przełączania napływającej próbki. Fotodetektor może przekształcić otrzymaną moc optyczną P na wzmocniony sygnał napięciowy N×V (gdzie V/P = 1,0 V/W przy 1550 nm, wzmocnienie N można regulować ręcznie w zakresie 103–107). Dla uproszczenia, jako sygnał wyjściowy stosuje się V zamiast N×V.
Dla porównania, do pomiaru absorbancji próbek cieczy wykorzystano również komercyjny spektrofotometr (seria Cary 300 firmy Agilent Technologies z fotopowielaczem o wysokiej wydajności R928) z kuwetą o średnicy 1,0 cm.
Wewnętrzną powierzchnię przekroju MWC zbadano przy użyciu optycznego profilometru powierzchni (ZYGO New View 5022) o rozdzielczości pionowej i bocznej wynoszącej odpowiednio 0,1 nm i 0,11 µm.
Wszystkie substancje chemiczne (czystości analitycznej, bez konieczności dalszego oczyszczania) zakupiono od Sichuan Chuangke Biotechnology Co., Ltd. Zestawy do badania glukozy zawierają oksydazę glukozy (GOD), peroksydazę (POD), 4-aminoantypirynę i fenol itp. Roztwór chromogenny przygotowano standardową metodą GOD-POD 37.
Jak pokazano w Tabeli 2, przygotowano szereg roztworów glukozy o różnych stężeniach, używając DI H2O jako rozcieńczalnika, stosując metodę rozcieńczeń seryjnych (szczegóły w Materiałach uzupełniających). Przygotować próbki barwione lub próby ślepe, mieszając roztwór glukozy lub wodę dejonizowaną z roztworem chromogenicznym w stałym stosunku objętościowym 3:1. Wszystkie próbki przechowywano w temperaturze 37°C, chroniąc je przed światłem, przez 10 minut przed pomiarem. W metodzie GOD-POD barwione próbki stają się czerwone z maksimum absorpcji przy 505 nm, a absorpcja jest niemal proporcjonalna do stężenia glukozy.
Jak pokazano w tabeli 1, przygotowano serię roztworów czerwonego tuszu (Ostrich Ink Co., Ltd., Tianjin, Chiny) metodą rozcieńczeń seryjnych, stosując jako rozpuszczalnik DI H2O.
Jak cytować ten artykuł: Bai, M. i in. Kompaktowy fotometr oparty na kapilarach metalowych: do oznaczania nanomolowych stężeń glukozy. the science. 5, 10476. doi: 10.1038/srep10476 (2015).
Dress, P. i Franke, H. Zwiększanie dokładności analizy cieczy i kontroli wartości pH przy użyciu falowodu z rdzeniem cieczowym. Dress, P. i Franke, H. Zwiększanie dokładności analizy cieczy i kontroli wartości pH przy użyciu falowodu z rdzeniem cieczowym.Dress, P. i Franke, H. Poprawa dokładności analizy cieczy i kontroli pH za pomocą falowodu z rdzeniem cieczowym. Dress, P. & Franke, H. 使用液芯波导提高液体分析和pH 值控制的准确性. Dress, P. & Franke, H. 使用液芯波导提高液体分析和pHDress, P. i Franke, H. Poprawa dokładności analizy cieczy i kontroli pH przy użyciu falowodów z rdzeniem cieczowym.Przejdź do nauki. metr. 68, 2167–2171 (1997).
Li, QP, Zhang, J. -Z., Millero, FJ i Hansell, DA Ciągłe kolorymetryczne oznaczanie śladowych ilości amonu w wodzie morskiej przy użyciu kapilary o długiej ścieżce z falowodem cieczowym. Li, QP, Zhang, J.-Z., Millero, FJ i Hansell, DA Ciągłe kolorymetryczne oznaczanie śladowych ilości amonu w wodzie morskiej przy użyciu kapilary o długiej ścieżce z falowodem cieczowym.Lee, KP, Zhang, J.-Z., Millero, FJ i Hansel, DA Ciągłe kolorymetryczne oznaczanie śladowych ilości amonu w wodzie morskiej przy użyciu kapilary z falowodem cieczowym. Li, QP, Zhang, J.-Z., Millero, FJ & Hansell, DA 用长程液体波导毛细管连续比色测定海水中的痕量铵. Li, QP, Zhang, J.-Z., Millero, FJ i Hansell, DA.Lee, KP, Zhang, J.-Z., Millero, FJ i Hansel, DA Ciągłe kolorymetryczne oznaczanie śladowych ilości amonu w wodzie morskiej z wykorzystaniem kapilar światłowodowych dalekiego zasięgu.Chemia w marcu. 96, 73–85 (2005).
Páscoa, RNMJ, Tóth, IV i Rangel, AOSS Przegląd najnowszych zastosowań kapilarnych ogniw światłowodowych w technikach analizy przepływowej w celu zwiększenia czułości metod detekcji spektroskopowej. Páscoa, RNMJ, Tóth, IV i Rangel, AOSS Przegląd najnowszych zastosowań kapilarnych ogniw światłowodowych w technikach analizy przepływowej w celu zwiększenia czułości metod detekcji spektroskopowej.Pascoa, RNMJ, Toth, IV i Rangel, AOSS Przegląd najnowszych zastosowań kapilarnej komórki światłowodowej w technikach analizy przepływu w celu zwiększenia czułości metod detekcji spektroskopowej. Páscoa, RNMJ, Tóth, IV i 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 i rangel, aoss 回顾 液体 毛细管 单元 在 基于 的 分析 技术 中 的 最新 , 以 提高检测 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 i Rangel, AOSS Przegląd najnowszych zastosowań kapilarnych komórek światłowodowych w metodach analizy przepływowej w celu zwiększenia czułości metod detekcji spektroskopowej.odbyt. Chim. Ustawa 739, 1-13 (2012).
Wen, T., Gao, J., Zhang, J., Bian, B. i Shen, J. Badanie grubości warstw Ag, AgI w kapilarze dla falowodów pustych. Wen, T., Gao, J., Zhang, J., Bian, B. i Shen, J. Badanie grubości warstw Ag, AgI w kapilarze dla falowodów pustych.Wen T., Gao J., Zhang J., Bian B. i Shen J. Badanie grubości warstw Ag, AgI w kapilarze dla falowodów pustych. Wen, T., Gao, J., Zhang, J., Bian, B. i Shen, J. 中空波导毛细管中Ag、AgI 薄膜厚度的研究。 Wen, T., Gao, J., Zhang, J., Bian, B. i Shen, J. Badania grubości cienkich warstw Ag i AgI w kanale powietrznym.Wen T., Gao J., Zhang J., Bian B. i Shen J. Badanie grubości cienkich warstw Ag, AgI w kapilarach światłowodowych.Fizyka podczerwieni. Technologia 42, 501–508 (2001).
Gimbert, LJ, Haygarth, PM i Worsfold, PJ Oznaczanie nanomolowych stężeń fosforanów w wodach naturalnych przy użyciu wstrzykiwania przepływowego z użyciem kapilary o długiej drodze optycznej i detekcji spektrofotometrycznej w stanie stałym. Gimbert, LJ, Haygarth, PM i Worsfold, PJ Oznaczanie nanomolowych stężeń fosforanów w wodach naturalnych przy użyciu wstrzykiwania przepływowego z użyciem kapilary o długiej drodze optycznej i detekcji spektrofotometrycznej w stanie stałym.Gimbert, LJ, Haygarth, PM i Worsfold, PJ Oznaczanie nanomolowych stężeń fosforanów w wodach naturalnych przy użyciu wtrysku przepływowego z kapilarą światłowodową i detekcji spektrofotometrycznej w stanie stałym. Gimbert, LJ, Haygarth, PM i 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 i Worsfold, PJ Oznaczanie stężenia fosforanów w wodzie naturalnej przy użyciu strzykawki do cieczy i kapilary światłowodowej o dużym zasięgu.Gimbert, LJ, Haygarth, PM i Worsfold, PJ Oznaczanie nanomolowego stężenia fosforanów w wodzie naturalnej z wykorzystaniem przepływu wtryskowego i kapilarnego falowodu o długiej ścieżce optycznej oraz półprzewodnikowej detekcji spektrofotometrycznej.Taranta 71, 1624–1628 (2007).
Belz, M., Dress, P., Sukhitskiy, A. & Liu, S. Liniowość i efektywna długość drogi optycznej kapilarnych ogniw światłowodowych. Belz, M., Dress, P., Sukhitskiy, A. & Liu, S. Liniowość i efektywna długość drogi optycznej kapilarnych ogniw światłowodowych.Belz M., Dress P., Suhitsky A. i Liu S. Liniowość i efektywna długość drogi optycznej w światłowodach cieczowych w komórkach kapilarnych. Bełz, M., Dress, P., Sukhitskiy, A. i Liu, S. 液体波导毛细管细胞的线性和有效光程长度. Belz, M., Dress, P., Sukhitskiy, A. i Liu, S. Liniowość i efektywna długość ciekłej wody.Belz M., Dress P., Suhitsky A. i Liu S. Liniowa i efektywna długość drogi optycznej w fali cieczy w komórce kapilarnej.SPIE 3856, 271–281 (1999).
Dallas, T. i Dasgupta, PK Światło na końcu tunelu: najnowsze zastosowania analityczne falowodów z rdzeniem ciekłym. Dallas, T. i Dasgupta, PK Światło na końcu tunelu: najnowsze zastosowania analityczne falowodów z rdzeniem ciekłym.Dallas, T. i Dasgupta, PK Światło na końcu tunelu: najnowsze zastosowania analityczne falowodów z rdzeniem ciekłym. Dallas, T. & Dasgupta, PK Światło na końcu tunelu:液芯波导的最新分析应用. Dallas, T. & Dasgupta, PK Światło na końcu tunelu:液芯波导的最新分析应用.Dallas, T. i Dasgupta, PK Światło na końcu tunelu: najnowsze zastosowanie analityczne falowodów z rdzeniem ciekłym.TrAC, analiza trendów. Chemiczny. 23, 385–392 (2004).
Ellis, PS, Gentle, BS, Grace, MR i McKelvie, ID Uniwersalna fotometryczna komórka detekcyjna wykorzystująca całkowite wewnętrzne odbicie do analizy przepływu. Ellis, PS, Gentle, BS, Grace, MR i McKelvie, ID Uniwersalna fotometryczna komórka detekcyjna wykorzystująca całkowite wewnętrzne odbicie do analizy przepływu.Ellis, PS, Gentle, BS, Grace, MR i McKelvey, ID Uniwersalna fotometryczna komórka całkowitego wewnętrznego odbicia do analizy przepływu. Ellis, PS, Gentle, BS, Grace, MR & McKelvie, ID Opis produktu Ellis, PS, Gentle, BS, Grace, MR i McKelvie, IDEllis, PS, Gentle, BS, Grace, MR i McKelvey, ID Uniwersalna fotometryczna komórka TIR do analizy przepływu.Taranta 79, 830–835 (2009).
Ellis, PS, Lyddy-Meaney, AJ, Worsfold, PJ i McKelvie, ID Wieloodbiciowa fotometryczna komora przepływowa do stosowania w analizie wtryskowej przepływowej wód estuariów. Ellis, PS, Lyddy-Meaney, AJ, Worsfold, PJ i McKelvie, ID Wieloodbiciowa fotometryczna komora przepływowa do stosowania w analizie wtryskowej przepływowej wód estuariów.Ellis, PS, Liddy-Minnie, AJ, Worsfold, PJ i McKelvey, ID Wieloodbiciowa fotometryczna komora przepływowa do stosowania w analizie przepływu wód estuariów. Ellis, PS, Lyddy-Meaney, AJ, Worsfold, PJ & McKelvie, ID Więcej informacji Ellis, PS, Lyddy-Meaney, AJ, Worsfold, PJ i McKelvie, ID.Ellis, PS, Liddy-Minnie, AJ, Worsfold, PJ i McKelvey, ID Wieloodbiciowa fotometryczna komora przepływowa do analizy wtrysku przepływowego w wodach estuariów.odbyt Chim. Acta 499, 81-89 (2003).
Pan, J. -Z., Yao, B. i Fang, Q. Ręczny fotometr oparty na detekcji absorpcyjnej falowodu z rdzeniem ciekłym dla próbek o wielkości nanolitrów. Pan, J.-Z., Yao, B. i Fang, Q. Ręczny fotometr oparty na detekcji absorpcji za pomocą falowodu z rdzeniem ciekłym dla próbek o wielkości nanolitrów.Pan, J.-Z., Yao, B. i Fang, K. Ręczny fotometr oparty na detekcji absorpcji długości fali w rdzeniu ciekłym dla próbek o wielkości nanolitrów. Pan, J.-Z., Yao, B. i Fang, Q.基于液芯波导吸收检测的纳升级样品手持光度计. Pan, J.-Z., Yao, B. i Fang, Q. Na podstawie 液芯波波水水水油法的纳法手手手持光度计.Pan, J.-Z., Yao, B. i Fang, K. Ręczny fotometr z próbką w skali nano oparty na wykrywaniu absorpcji w fali rdzenia cieczy.odbyt Chemiczny. 82, 3394–3398 (2010).
Zhang, J.-Z. Zwiększenie czułości analizy przepływu wtryskowego poprzez zastosowanie kapilarnej komory przepływowej z długą ścieżką optyczną do detekcji spektrofotometrycznej. anus. the science. 22, 57–60 (2006).
D'Sa, EJ i Steward, RG Zastosowanie kapilarnych falowodów ciekłych w spektroskopii absorbancyjnej (Odpowiedź na komentarz Byrne'a i Kaltenbachera). D'Sa, EJ i Steward, RG Zastosowanie kapilarnych falowodów ciekłych w spektroskopii absorbancyjnej (Odpowiedź na komentarz Byrne'a i Kaltenbachera).D'Sa, EJ i Steward, RG Zastosowania kapilarnych falowodów ciekłych w spektroskopii absorpcyjnej (odpowiedź na komentarze Byrne'a i Kaltenbachera). D'Sa, EJ & Steward, RG 液体毛细管波导在吸收光谱中的应用(回复Byrne 和Kaltenbacher 的评论)。 D'Sa, EJ & Steward, RG Zastosowanie widma absorpcji cieczy (Byrne i Kaltenbacher 的评论).D'Sa, EJ i Steward, RG Falowody kapilarne w stanie ciekłym do spektroskopii absorpcyjnej (w odpowiedzi na komentarze Byrne'a i Kaltenbachera).limonol. Oceanograf. 46, 742–745 (2001).
Khijwania, SK i Gupta, BD Czujnik absorpcji pola zanikającego światłowodowego: wpływ parametrów włókna i geometrii sondy. Khijwania, SK i Gupta, BD Czujnik absorpcji pola zanikającego światłowodowego: wpływ parametrów włókna i geometrii sondy.Hijvania, SK i Gupta, BD Czujnik absorpcji zanikającego pola światłowodowego: wpływ parametrów włókna i geometrii sondy. Khijwania, SK & Gupta, BD 光纤倏逝场吸收传感器:光纤参数和探头几何形状的影响. Khijwania, SK & Gupta, BDHijvania, SK i Gupta, BD Czujniki światłowodowe absorpcji pola zanikającego: wpływ parametrów włókna i geometrii sondy.Optyka i elektronika kwantowa 31, 625–636 (1999).
Biedrzycki, S., Buric, MP, Falk, J. & Woodruff, SD Wyjście kątowe pustych, wyłożonych metalem czujników Ramana z falowodem. Biedrzycki, S., Buric, MP, Falk, J. & Woodruff, SD Wyjście kątowe pustych, wyłożonych metalem czujników Ramana z falowodem.Bedjitsky, S., Burich, MP, Falk, J. i Woodruff, SD Wyjście kątowe czujników Ramana z falowodem pustym i okładziną metalową. Biedrzycki, S., Buric, MP, Falk, J. & Woodruff, SD 空心金属内衬波导拉曼传感器的角输出. Biedrzycki, S., Buric, MP, Falk, J. i Woodruff, SD.Bedjitsky, S., Burich, MP, Falk, J. i Woodruff, SD Wyjście kątowe czujnika Ramana z gołym metalowym falowodem.wniosek o wybór 51, 2023-2025 (2012).
Harrington, JA Przegląd pustych falowodów do transmisji IR. integracja światłowodów. do wyboru. 19, 211–227 (2000).