Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com. Wersja przeglądarki, której używasz, ma ograniczoną obsługę CSS. Aby uzyskać najlepsze wrażenia, zalecamy korzystanie ze zaktualizowanej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w programie Internet Explorer). W międzyczasie, aby zapewnić ciągłą obsługę, będziemy renderować witrynę bez stylów i JavaScript.
Analiza śladowa próbek cieczy ma szeroki zakres zastosowań w naukach przyrodniczych i monitorowaniu środowiska. W tej pracy opracowaliśmy kompaktowy i niedrogi fotometr oparty na kapilarach falowodowych (MCC) do ultraczułego określania absorpcji. Ścieżka optyczna może być znacznie zwiększona i znacznie dłuższa niż fizyczna długość MWC, ponieważ światło rozproszone przez faliste gładkie ścianki boczne metalu może być zawarte w kapilarze niezależnie od kąta padania. Stężenia tak niskie jak 5,12 nM można osiągnąć przy użyciu powszechnych odczynników chromogenicznych dzięki nowej nieliniowej amplifikacji optycznej i szybkiemu przełączaniu próbek oraz wykrywaniu glukozy.
Fotometria jest szeroko stosowana do analizy śladowych próbek cieczy ze względu na obfitość dostępnych odczynników chromogenicznych i półprzewodnikowych urządzeń optoelektronicznych1,2,3,4,5. W porównaniu do tradycyjnego oznaczania absorbancji opartego na kuwecie, kapilary z falowodem cieczowym (LWC) odbijają światło (TIR), utrzymując światło sondy wewnątrz kapilary1,2,3,4,5. Jednak bez dalszej poprawy ścieżka optyczna jest zbliżona tylko do fizycznej długości LWC3.6, a zwiększenie długości LWC powyżej 1,0 m będzie wiązało się z silnym tłumieniem światła i wysokim ryzykiem powstawania pęcherzyków itp.3, 7. W odniesieniu do proponowanej wieloodbiciowej celi do ulepszeń ścieżki optycznej granica wykrywalności jest poprawiona tylko o współczynnik 2,5-8,9.
Obecnie istnieją dwa główne typy LWC, a mianowicie kapilary teflonowe AF (mające współczynnik załamania światła wynoszący zaledwie ~1,3, który jest niższy niż w przypadku wody) oraz kapilary krzemionkowe pokryte teflonem AF lub warstwami metalowymi1,3,4. Aby uzyskać TIR na styku materiałów dielektrycznych, wymagane są materiały o niskim współczynniku załamania światła i wysokich kątach padania światła3,6,10. W odniesieniu do kapilar teflonowych 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 na zewnątrz teflonem AF lub metalem, współczynnik załamania światła kwarcu (1,45) jest wyższy niż w przypadku większości próbek cieczy (np. 1,33 dla wody)3,6,12,13. W przypadku naczyń włosowatych pokrytych wewnątrz warstwą metalu badano właściwości transportowe14,15,16,17,18, ale proces powlekania jest skomplikowany, powierzchnia warstwy metalu ma szorstką i porowatą strukturę4,19.
Ponadto komercyjne LWC (kapilary pokryte teflonem AF i kapilary pokryte krzemionką AF, World Precision Instruments, Inc.) mają pewne wady, takie jak: w przypadku usterek. . Duża martwa objętość złącza TIR3,10, (2) T-connector (do łączenia kapilar, włókien i rur wlotowych/wylotowych) może zatrzymywać pęcherzyki powietrza10.
Jednocześnie określenie poziomu glukozy ma ogromne znaczenie dla diagnostyki 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). ograniczeniem było tylko 30 nM, gdy nanocząsteczki błękitu pruskiego były używane jako imitacje peroksydazy). Analizy nanomolowe glukozy są często wymagane do badań komórkowych na poziomie molekularnym, takich jak hamowanie wzrostu ludzkiego raka prostaty42 i zachowanie wiązania CO2 przez Prochlorococcus w oceanie.
W tym artykule opracowano kompaktowy, niedrogi fotometr oparty na kapilarze falowodu metalowego (MWC), kapilarze ze stali nierdzewnej SUS316L z elektropolerowaną powierzchnią wewnętrzną, do ultraczułego określania absorpcji. Ponieważ światło może być uwięzione wewnątrz kapilar metalowych niezależnie od kąta padania, ścieżka optyczna może być znacznie zwiększona poprzez rozpraszanie światła na falistych i gładkich powierzchniach metalowych i jest znacznie dłuższa niż fizyczna długość MWC. Ponadto zaprojektowano prosty łącznik T do połączenia optycznego i wlotu/wylotu płynu, aby zminimalizować martwą objętość i uniknąć uwięzienia pęcherzyków. W przypadku fotometru MWC 7 cm granica wykrywania jest poprawiona około 3000 razy w porównaniu z komercyjnym spektrofotometrem z kuwetą 1 cm dzięki nowemu ulepszeniu nieliniowej ścieżki optycznej i szybkiemu przełączaniu próbek, a stężenie detekcji glukozy można również osiągnąć. tylko 5,12 nM przy użyciu powszechnych odczynników chromogenicznych.
Jak pokazano na rysunku 1, fotometr oparty na MWC składa się z 7 cm długości MWC z wewnętrzną powierzchnią elektropolerowaną klasy EP, diody LED 505 nm z soczewką, fotodetektora o regulowanym wzmocnieniu i dwóch do sprzężenia optycznego i wejścia cieczy. Wyjście. Zawór trójdrożny podłączony do rurki wlotowej Pike'a służy do przełączania przychodzącej próbki. Rurka Peek ściśle przylega do płytki kwarcowej i MWC, dzięki czemu martwa objętość w złączu T jest utrzymywana na minimalnym poziomie, co skutecznie zapobiega uwięzieniu pęcherzyków powietrza. Ponadto skolimowaną wiązkę można łatwo i wydajnie wprowadzić do MWC przez płytkę kwarcową T-elementu.
Próbka wiązki i cieczy jest wprowadzana do MCC przez element T, a wiązka przechodząca przez MCC jest odbierana przez fotodetektor. Wchodzące roztwory próbek barwionych lub pustych były naprzemiennie wprowadzane do ICC przez zawór trójdrożny. Zgodnie z prawem Beera, gęstość optyczną próbki kolorowej można obliczyć z równania. 1.10
gdzie Vcolor i Vblank są sygnałami wyjściowymi fotodetektora, gdy do MCC wprowadzane są odpowiednio próbki koloru i puste, a Vdark jest sygnałem tła fotodetektora, gdy dioda LED jest wyłączona. 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, podczas korzystania ze schematu przełączania próbkowania, niewielkie zmiany w 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 czerwonego roztworu atramentu ze względu na jego doskonałą stabilność koloru i dobrą liniowość stężenie-absorbancja, DI H2O jako próbkę ślepą. Jak pokazano w Tabeli 1, przygotowano serię roztworów czerwonego atramentu 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 atramentu (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 i pustymi oznaczono na rysunku podwójnymi strzałkami „↔”. Można zauważyć, że napięcie wyjściowe gwałtownie wzrasta podczas przełączania z próbek kolorowych na próbki puste i odwrotnie. Vcolor, Vblank i odpowiadające 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 tylko 5 nV, co stanowi prawie 3-krotność wartości szumu (2 nV). Małe ΔV trudno odróżnić 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 ulega nasyceniu, więc absorbancji powyżej 3,7 nie można zmierzyć za pomocą spektrometrów opartych na MWC.
Dla porównania próbkę czerwonego tuszu zmierzono również spektrofotometrem, a zmierzona absorbancja Acuvette jest pokazana na rysunku 4. Wartości Acuvette przy 505 nm (jak pokazano w tabeli 1) uzyskano odnosząc się do krzywych próbek 10, 11 lub 12 (jak pokazano we wstawce) do 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. Tak więc przy użyciu fotometru opartego na MWC granica wykrywalności została poprawiona o współczynnik 3125 w porównaniu ze spektrofotometrem opartym na kuwecie.
Zależność absorpcji-stężenia przedstawiono na rys. 5. W przypadku pomiarów kuwetowych absorbancja jest proporcjonalna do stężenia tuszu przy długości ścieżki 1 cm. Natomiast w przypadku pomiarów opartych na MWC zaobserwowano nieliniowy wzrost absorbancji przy niskich stężeniach. Zgodnie z prawem Beera absorbancja jest proporcjonalna do długości ścieżki optycznej, więc zysk absorpcji AEF (zdefiniowany jako AEF = AMWC/Akuweta przy tym samym stężeniu tuszu) jest stosunkiem MWC do długości ścieżki 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 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 odpowiednią ścieżkę optyczną 803 cm (AEF × 1 cm), która jest znacznie dłuższa niż fizyczna długość MWC, a nawet dłuższa niż najdłuższy dostępny komercyjnie LWC (500 cm od 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 obraz optyczny, obraz mikroskopowy i obraz profilera optycznego wewnętrznej powierzchni przekroju MWC. Jak pokazano na rys. 6(a), wewnętrzna powierzchnia jest gładka i błyszcząca, może odbijać światło widzialne i jest wysoce odblaskowa. Jak pokazano na rys. 6(b), ze względu na odkształcalność i krystaliczną naturę metalu, na gładkiej powierzchni pojawiają się małe mesy i nieregularności. 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 niewielki obszar (<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), ścieżka 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 niż kąt krytyczny 77,8°, więc LOP jest mniejszy niż 1,02 × LC bez dalszej poprawy3.6. Podczas gdy w przypadku MWC ograniczenie światła wewnątrz kapilary jest niezależne od współczynnika załamania światła lub kąta padania, więc wraz ze zmniejszaniem się kąta padania ścieżka 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 ścieżkę optyczną.
Dlatego istnieją dwie ścieżki światła dla MWC: światło bezpośrednie bez odbicia (LOP = LC) i światło piły z wielokrotnymi odbiciami między ścianami bocznymi (LOP » LC). Zgodnie z prawem Beera, intensywność transmitowanego światła bezpośredniego i zygzakowatego można wyrazić odpowiednio jako PS×exp(-α×LC) i PZ×exp(-α×LOP), gdzie stała α jest współczynnikiem absorpcji, który zależy całkowicie od stężenia tuszu.
W przypadku tuszu o dużym stężeniu (np. stężeniu >1,28 × 10-5) światło zygzakowate jest silnie osłabione, a jego intensywność jest znacznie niższa niż w przypadku światła prostego, ze względu na duży współczynnik absorpcji i znacznie dłuższą drogę optyczną. W przypadku tuszu o dużym stężeniu (np. stężeniu >1,28 × 10-5) światło zygzakowate jest silnie osłabione, a jego intensywność jest znacznie niższa niż w przypadku 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 wykluczenie. W przypadku tuszu o dużym stężeniu (np. stężeniu względnym >1,28×10-5) światło zygzakowate jest silnie tłumione, a jego intensywność jest znacznie niższa od intensywności światła bezpośredniego, co wynika z dużego współczynnika absorpcji i znacznie dłuższej emisji optycznej.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 atramentów o wysokim stężeniu (np. odpowiednie stężenia >1,28×10-5) światło zygzakowate jest znacznie 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 i wtedy 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 i wtedy 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. Natomiast gdy współczynnik absorpcji maleje wraz ze zmniejszaniem się stężenia tuszu (np. przy względnym stężeniu <1,28×10-5), intensywność światła zygzakowatego wzrasta szybciej niż intensywność światła bezpośredniego i wówczas zaczyna odgrywać rolę 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 waż role. Odwrotnie, gdy współczynnik absorpcji maleje wraz ze zmniejszaniem się stężenia tuszu (na przykład odpowiadające mu stężenie < 1,28×10-5), intensywność światła zygzakowatego wzrasta szybciej niż natężenie światła bezpośredniego i wtedy światło zygzakowate zaczyna odgrywać ważniejszą rolę.postać odgrywająca rolę.Dzięki temu, dzięki ząbkowej ścieżce optycznej (LOP » LC), AEF może zostać zwiększony znacznie ponad 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 wartość 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. Barwione lub puste próbki przygotowano, mieszając roztwór glukozy lub dejonizowaną wodę z chromogenicznymi roztworami oksydazy glukozy (GOD) i peroksydazy (POD) 37 w ustalonym stosunku objętościowym 3:1, odpowiednio. 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 zmniejsza się wraz ze zmniejszaniem stężenia glukozy.
Wyniki pomiarów próbek 4, 9 i 10 za pomocą fotometru opartego na MWC pokazano odpowiednio na rys. 9(a)-(c). Jak pokazano na rys. 9(c), zmierzone ΔV staje się mniej stabilne i powoli wzrasta podczas pomiaru, ponieważ kolor samego odczynnika GOD-POD (nawet bez dodawania glukozy) powoli zmienia się w świetle. Tak więc 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. Tak więc granica wykrywalności dla roztworu glukozy wynosi 5,12 nM, chociaż odpowiadająca jej wartość ΔV (0,52 µV) jest znacznie większa niż wartość szumu (0,03 µV), co wskazuje, że nadal można wykryć małe 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, używając 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 mierzono również za pomocą spektrofotometru, a zmierzona absorbancja Acuvette osiągnęła granicę wykrywalności 0,64 µM (próbka 7), jak pokazano na rysunku 10.
Związek między absorbancją a stężeniem przedstawiono na rysunku 11. W przypadku fotometru opartego na MWC osiągnięto 125-krotną poprawę granicy wykrywalności w porównaniu ze spektrofotometrem opartym na kuwecie. Ta poprawa 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 MWC został opracowany do ultraczułego wykrywania próbek cieczy. Ścieżka optyczna może być znacznie zwiększona i znacznie dłuższa niż fizyczna długość MWC, ponieważ światło rozproszone przez faliste gładkie ścianki boczne metalu może być zawarte w kapilarze niezależnie od kąta padania. Stężenia tak niskie jak 5,12 nM można osiągnąć przy użyciu konwencjonalnych odczynników GOD-POD dzięki nowej nieliniowej amplifikacji optycznej i szybkiemu przełączaniu próbek oraz wykrywaniu glukozy. Ten kompaktowy i niedrogi fotometr będzie szeroko stosowany w naukach przyrodniczych i monitorowaniu środowiska do analizy śladowej.
Jak pokazano na rysunku 1, fotometr oparty na MWC składa się z 7 cm długości MWC (średnica wewnętrzna 1,7 mm, średnica zewnętrzna 3,18 mm, powierzchnia wewnętrzna elektropolerowana 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 złączy T do komunikacji optycznej i wejścia/wyjścia cieczy. Złącze T powstaje przez połączenie przezroczystej płytki kwarcowej z rurą PMMA, do której ściśle włożono i przyklejono rury MWC i Peek (0,72 mm ID, 1,6 mm OD, Vici Valco Corp.). Zawór trójdrożny podłączony do rury wlotowej Pike służy do przełączania przychodzącej 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 ręcznie regulować w zakresie 103–107). Dla zwięzłości, V jest używane zamiast N×V jako sygnał wyjściowy.
Dla porównania, do pomiaru absorbancji próbek cieczy wykorzystano 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 poprzecznej 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 rozcieńczania seryjnego (szczegóły w Materiałach uzupełniających). Przygotuj barwione lub puste próbki, mieszając roztwór glukozy lub dejonizowaną wodę 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 szereg roztworów czerwonego tuszu (Ostrich Ink Co., Ltd., Tianjin, Chiny) metodą seryjnych rozcieńczeń, stosując jako rozpuszczalnik DI H2O.
Jak cytować ten artykuł: Bai, M. i in. Kompaktowy fotometr oparty na kapilarach metalowych: do określania 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 drodze 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 drodze z falowodem cieczowym.Lee, KP, Zhang, J.-Z., Millero, FJ i Hansel, DA Ciągłe kolorymetryczne oznaczanie śladowych ilości amonu w wodzie morskiej przy użyciu ogniwa kapilarnego 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 dalekosiężnych z falowodami cieczowymi.Chemia w marcu. 96, 73–85 (2005).
Páscoa, RNMJ, Tóth, IV i Rangel, AOSS Przegląd najnowszych zastosowań kapilarnej komórki falowodowej w technikach analizy przepływowej w celu zwiększenia czułości metod wykrywania spektroskopowego. Páscoa, RNMJ, Tóth, IV i Rangel, AOSS Przegląd najnowszych zastosowań kapilarnej komórki falowodowej w technikach analizy przepływowej w celu zwiększenia czułości metod wykrywania spektroskopowego.Pascoa, RNMJ, Toth, IV i Rangel, AOSS Przegląd najnowszych zastosowań kapilarnej komórki falowodowej 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 ostatnich zastosowań kapilarnych ogniw falowodowych w metodach analitycznych opartych na przepływie w celu zwiększenia czułości metod wykrywania spektroskopowego.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 cienkiej warstwy 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 falowodowych.Fizyka podczerwieni. Technologia 42, 501–508 (2001).
Gimbert, LJ, Haygarth, PM i Worsfold, PJ Oznaczanie nanomolowych stężeń fosforanów w wodach naturalnych przy użyciu wtrysku przepływowego z kapilarą 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 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 falowodową 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 dalekosiężnej.Gimbert, LJ, Haygarth, PM i Worsfold, PJ Oznaczanie nanomolowego stężenia fosforanów w wodzie naturalnej z wykorzystaniem przepływu wtryskowego i falowodu kapilarnego o długiej drodze optycznej oraz detekcji spektrofotometrycznej w stanie stałym.Taranta 71, 1624–1628 (2007).
Belz, M., Dress, P., Sukhitskiy, A. i Liu, S. Liniowość i efektywna długość drogi optycznej kapilarnych ogniw światłowodowych. Belz, M., Dress, P., Sukhitskiy, A. i 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 falowodach cieczowych w ogniwach 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 w tunelu: najnowsze zastosowania analityczne falowodów z rdzeniem ciekłym. Dallas, T. i Dasgupta, PK Światło w 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 komora detekcji fotometrycznej z całkowitym wewnętrznym odbiciem do analizy przepływu. Ellis, PS, Gentle, BS, Grace, MR i McKelvie, ID Uniwersalna komora detekcji fotometrycznej z całkowitym wewnętrznym odbiciem do analizy przepływu.Ellis, PS, Gentle, BS, Grace, MR i McKelvey, ID Uniwersalna fotometryczna komórka z całkowitym wewnętrznym odbiciem 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 komórka fotometryczna 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 wód estuariów. Ellis, PS, Lyddy-Meaney, AJ, Worsfold, PJ i McKelvie, ID Wieloodbiciowa fotometryczna komora przepływowa do stosowania w analizie wtryskowej 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. Przenośny fotometr oparty na detekcji absorpcyjnej falowodu z rdzeniem ciekłym dla próbek o wielkości nanolitrów. Pan, J.-Z., Yao, B. i Fang, Q. Przenośny fotometr oparty na detekcji absorpcyjnej 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 rdzeniu fali ciekłej.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 kapilarnego falowodu w spektroskopii absorbancyjnej (Odpowiedź na komentarz Byrne'a i Kaltenbachera). D'Sa, EJ i Steward, RG Zastosowanie kapilarnego falowodu 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 postaci cieczy do spektroskopii absorpcyjnej (w odpowiedzi na komentarze Byrne'a i Kaltenbachera).limonol. Oceanograf. 46, 742–745 (2001).
Khijwania, SK i Gupta, BD Czujnik absorpcji zanikającego pola światłowodowego: wpływ parametrów włókna i geometrii sondy. Khijwania, SK i Gupta, BD Czujnik absorpcji zanikającego pola 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 i Gupta, BDHijvania, SK i Gupta, BD Czujniki światłowodowe z absorpcją pola zanikającego: wpływ parametrów włókna i geometrii sondy.Optyka i elektronika kwantowa 31, 625–636 (1999).
Biedrzycki, S., Buric, MP, Falk, J. i Woodruff, SD Wyjście kątowe pustych, wyłożonych metalem czujników Ramana z falowodem. Biedrzycki, S., Buric, MP, Falk, J. i 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 obudową 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).