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Die Spurenanalyse flüssiger Proben hat ein breites Anwendungsspektrum in den Biowissenschaften und der Umweltüberwachung.In dieser Arbeit haben wir ein kompaktes und kostengünstiges Photometer auf Basis von Metallwellenleiterkapillaren (MCCs) zur ultraempfindlichen Absorptionsbestimmung entwickelt.Der optische Weg kann erheblich vergrößert werden und ist viel länger als die physische Länge des MWC, da das von den gewellten, glatten Metallseitenwänden gestreute Licht unabhängig vom Einfallswinkel in der Kapillare gehalten werden kann.Aufgrund der neuen nichtlinearen optischen Verstärkung und des schnellen Probenwechsels und der Glukoseerkennung können mit gängigen chromogenen Reagenzien Konzentrationen von nur 5,12 nM erreicht werden.
Aufgrund der Fülle verfügbarer chromogener Reagenzien und optoelektronischer Halbleitergeräte1,2,3,4,5 wird die Photometrie häufig zur Spurenanalyse flüssiger Proben eingesetzt.Im Vergleich zur herkömmlichen küvettenbasierten Absorptionsbestimmung reflektieren Flüssigwellenleiterkapillaren (LWC) (TIR), indem sie das Sondenlicht in der Kapillare halten1,2,3,4,5.Ohne weitere Verbesserung erreicht der optische Pfad jedoch nur annähernd die physikalische Länge von LWC3,6, und eine Vergrößerung der LWC-Länge über 1,0 m hinaus führt zu einer starken Lichtdämpfung und einem hohen Risiko von Blasen usw.3, 7. Im Hinblick auf die vorgeschlagene Multireflexionszelle zur Verbesserung des optischen Pfads wird die Nachweisgrenze nur um den Faktor 2,5–8,9 verbessert.
Derzeit gibt es zwei Haupttypen von LWC, nämlich Teflon AF-Kapillaren (mit einem Brechungsindex von nur ~1,3, was niedriger als der von Wasser ist) und Silica-Kapillaren, die mit Teflon AF oder Metallfilmen beschichtet sind1,3,4.Um TIR an der Grenzfläche zwischen dielektrischen Materialien zu erreichen, sind Materialien mit einem niedrigen Brechungsindex und hohen Lichteinfallswinkeln erforderlich3,6,10.Im Vergleich zu Teflon AF-Kapillaren ist Teflon AF aufgrund seiner porösen Struktur atmungsaktiv3,11 und kann geringe Mengen an Substanzen in Wasserproben absorbieren.Bei Quarzkapillaren, die außen mit Teflon AF oder Metall beschichtet sind, ist der Brechungsindex von Quarz (1,45) höher als der der meisten flüssigen Proben (z. B. 1,33 für Wasser)3,6,12,13.Für Kapillaren, die innen mit einem Metallfilm beschichtet sind, wurden Transporteigenschaften untersucht14,15,16,17,18, aber der Beschichtungsprozess ist kompliziert, die Oberfläche des Metallfilms weist eine raue und poröse Struktur auf4,19.
Darüber hinaus haben kommerzielle LWCs (AF Teflon Coated Capillaries und AF Teflon Coated Silica Capillaries, World Precision Instruments, Inc.) einige weitere Nachteile, wie zum Beispiel: für Fehler..Das große Totvolumen des TIR3,10, (2) T-Steckers (zum Verbinden von Kapillaren, Fasern und Einlass-/Auslassschläuchen) kann Luftblasen einschließen10.
Gleichzeitig ist die Bestimmung des Glukosespiegels von großer Bedeutung für die Diagnose von Diabetes, Leberzirrhose und psychischen Erkrankungen20.und viele Nachweismethoden wie Photometrie (einschließlich Spektrophotometrie 21, 22, 23, 24, 25 und Kolorimetrie auf Papier 26, 27, 28), Galvanometrie 29, 30, 31, Fluorometrie 32, 33, 34, 35, optische Polarimetrie 36, Oberflächenplasmonresonanz.37, Fabry-Perot-Kavität 38, Elektrochemie 39 und Kapillarelektrophorese 40,41 und so weiter.Die meisten dieser Methoden erfordern jedoch teure Geräte und der Nachweis von Glucose bei mehreren nanomolaren Konzentrationen bleibt eine Herausforderung (z. B. für photometrische Messungen21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 die niedrigste Glucosekonzentration).Die Begrenzung betrug nur 30 nM, wenn Berliner Blau-Nanopartikel als Peroxidase-Nachahmer verwendet wurden.Nanomolare Glukoseanalysen sind häufig für zelluläre Studien auf molekularer Ebene erforderlich, beispielsweise zur Hemmung des menschlichen Prostatakrebswachstums42 und zum CO2-Fixierungsverhalten von Prochlorococcus im Ozean.
In diesem Artikel wurde ein kompaktes, kostengünstiges Photometer auf Basis einer Metallwellenleiterkapillare (MWC), einer SUS316L-Edelstahlkapillare mit elektropolierter Innenfläche, für die ultraempfindliche Absorptionsbestimmung entwickelt.Da Licht unabhängig vom Einfallswinkel in Metallkapillaren eingeschlossen werden kann, kann der optische Weg durch Lichtstreuung an gewellten und glatten Metalloberflächen erheblich vergrößert werden und ist viel länger als die physikalische Länge des MWC.Darüber hinaus wurde ein einfacher T-Verbinder für die optische Verbindung und den Flüssigkeitseinlass/-auslass entwickelt, um das Totvolumen zu minimieren und Blaseneinschlüsse zu vermeiden.Für das 7-cm-MWC-Photometer wird die Nachweisgrenze im Vergleich zum kommerziellen Spektrophotometer mit 1-cm-Küvette aufgrund der neuen Verbesserung des nichtlinearen optischen Pfads und des schnellen Probenwechsels um etwa das 3000-fache verbessert, und es kann auch die Glucose-Nachweiskonzentration erreicht werden.nur 5,12 nM unter Verwendung üblicher chromogener Reagenzien.
Wie in Abbildung 1 dargestellt, besteht das MWC-basierte Photometer aus einem 7 cm langen MWC mit einer elektropolierten Innenfläche in EP-Qualität, einer 505-nm-LED mit Linse, einem Photodetektor mit einstellbarer Verstärkung und zwei für die optische Kopplung und den Flüssigkeitseingang.Ausfahrt.Ein Dreiwegeventil, das mit dem Pike-Einlassrohr verbunden ist, dient zum Umschalten der eingehenden Probe.Das Peek-Rohr passt genau auf die Quarzplatte und den MWC, sodass das Totvolumen im T-Verbindungsstück auf ein Minimum beschränkt wird und das Einschließen von Luftblasen wirksam verhindert wird.Darüber hinaus kann der kollimierte Strahl durch die T-Stück-Quarzplatte einfach und effizient in den MWC eingeleitet werden.
Der Strahl und die Flüssigkeitsprobe werden durch ein T-Stück in den MCC eingeführt und der durch den MCC hindurchtretende Strahl wird von einem Fotodetektor empfangen.Eingehende Lösungen gefärbter oder leerer Proben wurden abwechselnd über ein Dreiwegeventil in den ICC eingeleitet.Nach dem Beerschen Gesetz lässt sich die optische Dichte einer farbigen Probe aus der Gleichung berechnen.1.10
Dabei sind Vcolor und Vblank die Ausgangssignale des Fotodetektors, wenn Farb- bzw. Leerproben in den MCC eingeführt werden, und Vdark ist das Hintergrundsignal des Fotodetektors, wenn die LED ausgeschaltet ist.Die Änderung des Ausgangssignals ΔV = Vcolor–Vblank kann durch Umschalten der Abtastwerte gemessen werden.Laut Gleichung.Wie in Abbildung 1 dargestellt, können kleine Änderungen von Vblank (z. B. Drift) bei Verwendung eines Abtastumschaltschemas nur geringe Auswirkungen auf den AMWC-Wert haben, wenn ΔV viel kleiner als Vblank–Vdark ist.
Um die Leistung des MWC-basierten Photometers mit dem küvettenbasierten Spektrophotometer zu vergleichen, wurde eine rote Tintenlösung aufgrund ihrer hervorragenden Farbstabilität und guten Konzentrations-Absorptions-Linearität als Farbprobe und DI H2O als Blindprobe verwendet..Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurde eine Reihe roter Tintenlösungen durch die serielle Verdünnungsmethode unter Verwendung von DI H2O als Lösungsmittel hergestellt.Die relative Konzentration von Probe 1 (S1), unverdünnter ursprünglicher roter Farbe, wurde mit 1,0 bestimmt.Auf Abb.Abbildung 2 zeigt optische Fotografien von 11 roten Tintenproben (S4 bis S14) mit relativen Konzentrationen (in Tabelle 1 aufgeführt) im Bereich von 8,0 × 10–3 (links) bis 8,2 × 10–10 (rechts).
Die Messergebnisse für Probe 6 sind in den Abbildungen dargestellt.3(a).Die Umschaltpunkte zwischen gefärbten und leeren Proben sind in der Abbildung durch Doppelpfeile „↔“ gekennzeichnet.Es ist zu erkennen, dass die Ausgangsspannung beim Umschalten von Farbproben auf Blindproben und umgekehrt schnell ansteigt.Vcolor, Vblank und das entsprechende ΔV können wie in der Abbildung gezeigt erhalten werden.
(a) Messergebnisse für Probe 6, (b) Probe 9, (c) Probe 13 und (d) Probe 14 mit einem MWC-basierten Photometer.
Die Messergebnisse für die Proben 9, 13 und 14 sind in den Abbildungen dargestellt.3(b)–(d).Wie in Abbildung 3(d) dargestellt, beträgt der gemessene ΔV nur 5 nV, was fast dem Dreifachen des Rauschwerts (2 nV) entspricht.Ein kleines ΔV ist schwer vom Rauschen zu unterscheiden.Damit erreichte die Nachweisgrenze eine relative Konzentration von 8,2×10-10 (Probe 14).Mit Hilfe von Gleichungen.1. Die AMWC-Absorption kann aus den gemessenen Vcolor-, Vblank- und Vdark-Werten berechnet werden.Für einen Fotodetektor mit einer Verstärkung von 104 Vdark beträgt -0,68 μV.Die Messergebnisse aller Proben sind in Tabelle 1 zusammengefasst und finden sich im Zusatzmaterial.Wie in Tabelle 1 gezeigt, erreicht die bei hohen Konzentrationen ermittelte Absorption einen Sättigungsgrad, sodass eine Absorption über 3,7 mit MWC-basierten Spektrometern nicht gemessen werden kann.
Zum Vergleich wurde auch eine rote Tintenprobe mit einem Spektrophotometer gemessen und die gemessene Acuvette-Absorption ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Acuvette-Werte bei 505 nm (wie in Tabelle 1 gezeigt) wurden durch Bezugnahme auf die Kurven der Proben 10, 11 oder 12 (wie im Einschub gezeigt) ermittelt.zu Abb. 4) als Basis.Wie gezeigt, erreichte die Nachweisgrenze eine relative Konzentration von 2,56 x 10-6 (Probe 9), da die Absorptionskurven der Proben 10, 11 und 12 nicht voneinander zu unterscheiden waren.Somit wurde bei Verwendung des MWC-basierten Photometers die Nachweisgrenze im Vergleich zum küvettenbasierten Spektrophotometer um den Faktor 3125 verbessert.
Die Absorptions-Konzentration der Abhängigkeit ist in Abb. 5 dargestellt.Bei Küvettenmessungen ist die Extinktion proportional zur Tintenkonzentration bei einer Pfadlänge von 1 cm.Bei MWC-basierten Messungen hingegen wurde bei niedrigen Konzentrationen ein nichtlinearer Anstieg der Absorption beobachtet.Nach dem Beerschen Gesetz ist die Absorption proportional zur optischen Weglänge, sodass der Absorptionsgewinn AEF (definiert als AEF = AMWC/Akuvette bei gleicher Tintenkonzentration) das Verhältnis von MWC zur optischen Weglänge der Küvette ist.Wie in Abbildung 5 dargestellt, liegt der konstante AEF bei hohen Konzentrationen bei etwa 7,0, was angemessen ist, da die Länge des MWC genau das Siebenfache der Länge einer 1-cm-Küvette beträgt. Bei niedrigen Konzentrationen (bezogene Konzentration < 1,28 × 10-5 ) steigt der AEF jedoch mit abnehmender Konzentration und würde bei einer zugehörigen Konzentration von 8,2 × 10-10 einen Wert von 803 erreichen, wenn man die Kurve der küvettenbasierten Messung extrapoliert. Bei niedrigen Konzentrationen (bezogene Konzentration < 1,28 × 10-5 ) steigt der AEF jedoch mit abnehmender Konzentration und würde bei einer zugehörigen Konzentration von 8,2 × 10-10 einen Wert von 803 erreichen, wenn man die Kurve der küvettenbasierten Messung extrapoliert. Bei niedrigen Konzentrationen (besondere Konzentration <1,28 × 10–5) wird AEF mit einer geringeren Konzentration bewertet und kann eine Auflösung von 803 Punkten erreichen Externe Konzentration 8,2 × 10–10 bei der Messung einer kritischen Auflösung auf neuen Ebenen. Bei niedrigen Konzentrationen (relative Konzentration <1,28 × 10–5) steigt der AEF jedoch mit abnehmender Konzentration und kann bei Extrapolation aus einer küvettenbasierten Messkurve einen Wert von 803 bei einer relativen Konzentration von 8,2 × 10–10 erreichen.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803 值. Однако при низких концентрация (релевантные концентрации < 1,28 × 10-5) 10.01.2019 10:00 Uhr 19:00 Uhr: 10:00 Uhr: 10:00 Uhr Bei niedrigen Konzentrationen (relevante Konzentrationen < 1,28 × 10–5) steigt der AED jedoch mit abnehmender Konzentration und erreicht bei Extrapolation aus einer küvettenbasierten Messkurve einen relativen Konzentrationswert von 8,2 × 10–10 803 .Daraus ergibt sich ein entsprechender optischer Weg von 803 cm (AEF × 1 cm), der viel länger ist als die physikalische Länge des MWC und sogar länger als der längste kommerziell erhältliche LWC (500 cm von World Precision Instruments, Inc.).Doko Engineering LLC hat eine Länge von 200 cm.Über diesen nichtlinearen Anstieg der Absorption im LWC wurde bisher nicht berichtet.
Auf Abb.6(a)–(c) zeigen jeweils ein optisches Bild, ein Mikroskopbild und ein optisches Profilbild der Innenfläche des MWC-Abschnitts.Wie in Abb. gezeigt.6(a) ist die Innenfläche glatt und glänzend, kann sichtbares Licht reflektieren und ist stark reflektierend.Wie in Abb. gezeigt.Wie aus 6(b) hervorgeht, treten aufgrund der Verformbarkeit und der kristallinen Beschaffenheit des Metalls kleine Erhebungen und Unregelmäßigkeiten auf der glatten Oberfläche auf. Angesichts der kleinen Fläche (<5 μm × 5 μm) beträgt die Rauheit der meisten Oberflächen weniger als 1,2 nm (Abb. 6 (c)). Angesichts einer kleinen Fläche (<5 μm × 5 μm) beträgt die Rauheit der meisten Oberflächen weniger als 1,2 nm (Abb. 6 (c)). Bei kleineren Einsätzen (<5 Mio. × 5 Mio.) beträgt die Mindestdauer 1,2 Seemeilen (Risk. 6(v)). Aufgrund der kleinen Fläche (<5 µm×5 µm) beträgt die Rauheit des größten Teils der Oberfläche weniger als 1,2 nm (Abb. 6(c)).Der Durchmesser beträgt 1,2 nm (ca. 6 c).Der Durchmesser beträgt 1,2 nm (ca. 6 c). Die Mindestlänge beträgt 1,2 Seemeilen (Ris. 6(v)). Angesichts der kleinen Fläche (<5 µm × 5 µm) beträgt die Rauheit der meisten Oberflächen weniger als 1,2 nm (Abb. 6(c)).
(a) Optisches Bild, (b) Mikroskopbild und (c) optisches Bild der Innenfläche des MWC-Schnitts.
Wie in Abb. gezeigt.7(a) wird der optische Pfad LOP in der Kapillare durch den Einfallswinkel θ bestimmt (LOP = LC/sinθ, wobei LC die physikalische Länge der Kapillare ist).Bei mit DI H2O gefüllten Teflon AF-Kapillaren muss der Einfallswinkel größer als der kritische Winkel von 77,8° sein, sodass der LOP ohne weitere Verbesserung weniger als 1,02 × LC beträgt3,6.Während bei MWC der Lichteinschluss innerhalb der Kapillare unabhängig vom Brechungsindex oder Einfallswinkel ist, kann der Lichtweg mit abnehmendem Einfallswinkel viel länger sein als die Länge der Kapillare (LOP » LC).Wie in Abb. gezeigt.Wie in 7(b) gezeigt, kann die gewellte Metalloberfläche eine Lichtstreuung induzieren, die den optischen Weg erheblich vergrößern kann.
Daher gibt es für MWC zwei Lichtwege: direktes Licht ohne Reflexion (LOP = LC) und Sägezahnlicht mit Mehrfachreflexionen zwischen den Seitenwänden (LOP » LC).Nach dem Beerschen Gesetz kann die Intensität des durchgelassenen Direkt- und Zickzacklichts als PS×exp(-α×LC) bzw. PZ×exp(-α×LOP) ausgedrückt werden, wobei die Konstante α der Absorptionskoeffizient ist, der vollständig von der Tintenkonzentration abhängt.
Bei hochkonzentrierter Tinte (z. B. entsprechende Konzentration > 1,28 × 10-5) wird das Zickzacklicht stark gedämpft und seine Intensität ist aufgrund des großen Absorptionskoeffizienten und seines viel längeren optischen Wegs viel geringer als die von geradem Licht. Bei hochkonzentrierter Tinte (z. B. entsprechende Konzentration > 1,28 × 10-5) wird das Zickzacklicht stark gedämpft und seine Intensität ist aufgrund des großen Absorptionskoeffizienten und seines viel längeren optischen Wegs viel geringer als die von geradem Licht. Aufgrund der hohen Konzentration (z. B. Außenkonzentration > 1,28 × 10-5) wird die Helligkeit des Sonnenlichts verringert, da es sich um eine intensivere Messung handelt. Während Ihres gesamten Aufenthalts im Licht benötigen Sie eine große Auswahl an optischen Dienstleistungen und eine lange Lebensdauer. Bei hochkonzentrierter Tinte (z. B. relative Konzentration >1,28×10-5) wird das Zickzacklicht stark gedämpft und seine Intensität ist aufgrund des großen Absorptionskoeffizienten und der viel längeren optischen Emission viel geringer als die von direktem Licht.Schiene.对于高浓度墨水（例如,相关浓度>1.28×10-5）, Z字形光衰减很大, 其强度远低于直光,这是由于吸收系数大，光学时间更长.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Aufgrund der hohen Konzentration (z. B. mit einer relevanten Konzentration >1,28×10-5) ist das Licht schnell schwächer und daher sehr intensiv Nichtsdestotrotz ist Ihr Licht aufgrund der großen Effizienzsteigerung und mehr als zwei optische Zeitspannen eingeschaltet. Bei hochkonzentrierten Tinten (z. B. relevante Konzentrationen >1,28×10-5) wird das Zickzacklicht deutlich gedämpft und seine Intensität ist aufgrund des großen Absorptionskoeffizienten und der längeren optischen Zeit viel geringer als die von Direktlicht.kleine Straße.Somit dominierte direktes Licht die Absorptionsbestimmung (LOP=LC) und der AEF wurde konstant bei ~7,0 gehalten. Wenn dagegen der Absorptionskoeffizient mit sinkender Tintenkonzentration abnimmt (z. B. entsprechende Konzentration < 1,28 × 10-5), steigt die Intensität des Zickzacklichts schneller an als die des geraden Lichts, und dann beginnt das Zickzacklicht eine wichtigere Rolle zu spielen. Wenn dagegen der Absorptionskoeffizient mit sinkender Tintenkonzentration abnimmt (z. B. entsprechende Konzentration < 1,28 × 10-5), steigt die Intensität des Zickzacklichts schneller an als die des geraden Lichts, und dann beginnt das Zickzacklicht eine wichtigere Rolle zu spielen. Напротив, когда коффициент поглощения в уменьшается с уменьшением концентрации чернил (zum Beispiel, относительная концентрация <1,28 × 10-5), intensive Konzentration Das leuchtende Licht wird durch das Aufleuchten des Lichts ersetzt, und dann muss das leuchtende Licht abgespielt werden. Im Gegensatz dazu nimmt die Intensität des Zickzacklichts schneller zu als die des direkten Lichts, und dann beginnt das Zickzacklicht zu spielen, wenn der Absorptionskoeffizient mit abnehmender Tintenkonzentration abnimmt (z. B. die relative Konzentration < 1,28 × 10-5).wichtigere Rolle.Z.B直光增加得更快, 然后Z字形光开始发挥作用一个更重要的角色.相反, 当 吸收 系数 随着 墨水 的 降低 而 降低 时 例如 例如, 相关 浓度 浓度 <1,28 × 10-5）, 字形光 的 强度 比 增加 得 更, 然后 z 字形光 发挥 作用 一 个 重要 重要 重要 更 更 更 更 更 更更 更 HI的角色. In diesem Fall wird die Koeffizientenkonzentration durch eine geringere Konzentration von Schwarz (zum Beispiel mit einer Konzentration von < 1,28×10-5) bestimmt Unser glühendes Sonnenlicht leuchtet auf, wenn es ums Spielen geht, und das glühende Sonnenlicht wird von mehr als einer Rolle gespielt. Wenn umgekehrt der Absorptionskoeffizient mit abnehmender Tintenkonzentration abnimmt (z. B. die entsprechende Konzentration < 1,28×10-5), nimmt die Intensität des Zickzacklichts schneller zu als die des direkten Lichts, und dann beginnt das Zickzacklicht eine wichtigere Rolle zu spielen.Rollencharakter.Aufgrund des sägezahnförmigen Strahlengangs (LOP » LC) kann der AEF daher um weit mehr als 7,0 erhöht werden.Präzise Lichtübertragungseigenschaften von MWC können mithilfe der Wellenleitermodentheorie ermittelt werden.
Neben der Verbesserung des optischen Pfades trägt der schnelle Probenwechsel auch zu extrem niedrigen Nachweisgrenzen bei.Aufgrund des geringen MCC-Volumens (0,16 ml) kann die zum Wechseln und Wechseln der Lösungen im MCC erforderliche Zeit weniger als 20 Sekunden betragen.Wie in Abbildung 5 dargestellt, ist der minimal nachweisbare Wert von AMWC (2,5 × 10–4) viermal niedriger als der von Acuvette (1,0 × 10–3).Das schnelle Umschalten der fließenden Lösung in der Kapillare verringert den Einfluss von Systemrauschen (z. B. Drift) auf die Genauigkeit der Extinktionsdifferenz im Vergleich zur Retentionslösung in der Küvette.Zum Beispiel, wie in Abb.3(b)-(d) kann ΔV aufgrund des schnellen Probenwechsels in der Kapillare mit kleinem Volumen leicht von einem Driftsignal unterschieden werden.
Wie in Tabelle 2 gezeigt, wurde eine Reihe von Glucoselösungen in verschiedenen Konzentrationen unter Verwendung von DI H2O als Lösungsmittel hergestellt.Gefärbte oder leere Proben wurden durch Mischen von Glucoselösung oder entionisiertem Wasser mit chromogenen Lösungen von Glucoseoxidase (GOD) und Peroxidase (POD) 37 in einem festen Volumenverhältnis von jeweils 3:1 hergestellt.Auf Abb.8 zeigt optische Fotografien von neun gefärbten Proben (S2–S10) mit Glukosekonzentrationen im Bereich von 2,0 mM (links) bis 5,12 nM (rechts).Mit abnehmender Glukosekonzentration nimmt die Rötung ab.
Die Ergebnisse der Messungen der Proben 4, 9 und 10 mit einem MWC-basierten Photometer sind in den Abbildungen dargestellt.9(a)-(c).Wie in Abb. gezeigt.9(c) wird das gemessene ΔV weniger stabil und steigt während der Messung langsam an, da sich die Farbe des GOD-POD-Reagenzes selbst (auch ohne Zugabe von Glucose) im Licht langsam ändert.Daher können aufeinanderfolgende ΔV-Messungen für Proben mit einer Glucosekonzentration von weniger als 5,12 nM (Probe 10) nicht wiederholt werden, da bei ausreichend kleinem ΔV die Instabilität des GOD-POD-Reagenzes nicht mehr vernachlässigt werden kann.Daher liegt die Nachweisgrenze für Glucoselösung bei 5,12 nM, obwohl der entsprechende ΔV-Wert (0,52 µV) viel größer ist als der Rauschwert (0,03 µV), was darauf hinweist, dass immer noch ein kleiner ΔV nachgewiesen werden kann.Diese Nachweisgrenze kann durch den Einsatz stabilerer chromogener Reagenzien weiter verbessert werden.
(a) Messergebnisse für Probe 4, (b) Probe 9 und (c) Probe 10 mit einem MWC-basierten Photometer.
Die AMWC-Absorption kann anhand der gemessenen Werte Vcolor, Vblank und Vdark berechnet werden.Für einen Fotodetektor mit einer Verstärkung von 105 Vdark beträgt -0,068 μV.Im Zusatzmaterial können Messungen für alle Proben eingestellt werden.Zum Vergleich wurden Glukoseproben auch mit einem Spektrophotometer gemessen und die gemessene Absorption von Acuvette erreichte eine Nachweisgrenze von 0,64 µM (Probe 7), wie in Abbildung 10 dargestellt.
Die Beziehung zwischen Absorption und Konzentration ist in Abbildung 11 dargestellt. Mit dem MWC-basierten Photometer wurde im Vergleich zum küvettenbasierten Spektrophotometer eine 125-fache Verbesserung der Nachweisgrenze erreicht.Diese Verbesserung ist aufgrund der schlechten Stabilität des GOD-POD-Reagenz geringer als beim Rottintentest.Es wurde auch ein nichtlinearer Anstieg der Absorption bei niedrigen Konzentrationen beobachtet.
Das MWC-basierte Photometer wurde für die hochempfindliche Detektion flüssiger Proben entwickelt.Der optische Weg kann erheblich vergrößert werden und ist viel länger als die physische Länge des MWC, da das von den gewellten, glatten Metallseitenwänden gestreute Licht unabhängig vom Einfallswinkel in der Kapillare gehalten werden kann.Dank der neuen nichtlinearen optischen Verstärkung und des schnellen Probenwechsels und der Glukoseerkennung können mit herkömmlichen GOD-POD-Reagenzien Konzentrationen von nur 5,12 nM erreicht werden.Dieses kompakte und kostengünstige Photometer wird in den Biowissenschaften und der Umweltüberwachung zur Spurenanalyse weit verbreitet eingesetzt.
Wie in Abbildung 1 dargestellt, besteht das MWC-basierte Photometer aus einem 7 cm langen MWC (Innendurchmesser 1,7 mm, Außendurchmesser 3,18 mm, elektropolierte Innenfläche der EP-Klasse, SUS316L-Edelstahlkapillare), einer LED mit 505 nm Wellenlänge (Thorlabs M505F1) und Linsen (Strahlstreuung etwa 6,6 Grad), einem Photodetektor mit variabler Verstärkung (Thorlabs PDB450C) und zwei T-Anschlüssen für die optische Kommunikation und Flüssigkeit rein/raus.Der T-Verbinder wird hergestellt, indem eine transparente Quarzplatte mit einem PMMA-Rohr verbunden wird, in das MWC- und Peek-Rohre (0,72 mm Innendurchmesser, 1,6 mm Außendurchmesser, Vici Valco Corp.) fest eingesetzt und eingeklebt werden.Ein Dreiwegeventil, das mit dem Pike-Einlassrohr verbunden ist, dient zum Umschalten der eingehenden Probe.Der Fotodetektor kann die empfangene optische Leistung P in ein verstärktes Spannungssignal N×V umwandeln (wobei V/P = 1,0 V/W bei 1550 nm, die Verstärkung N kann manuell im Bereich von 103–107 eingestellt werden).Der Kürze halber wird V anstelle von N×V als Ausgangssignal verwendet.
Im Vergleich dazu wurde auch ein kommerzielles Spektrophotometer (Agilent Technologies Cary 300-Serie mit R928 High Efficiency Photomultiplier) mit einer 1,0-cm-Küvettenzelle zur Messung der Absorption flüssiger Proben verwendet.
Die Innenfläche des MWC-Schnitts wurde mit einem optischen Oberflächenprofilgerät (ZYGO New View 5022) mit einer vertikalen und lateralen Auflösung von 0,1 nm bzw. 0,11 µm untersucht.
Alle Chemikalien (analytische Qualität, keine weitere Reinigung) wurden von Sichuan Chuangke Biotechnology Co., Ltd. gekauft. Zu den Glukosetestkits gehören Glukoseoxidase (GOD), Peroxidase (POD), 4-Aminoantipyrin und Phenol usw. Die chromogene Lösung wurde mit der üblichen GOD-POD 37-Methode hergestellt.
Wie in Tabelle 2 gezeigt, wurde eine Reihe von Glucoselösungen in verschiedenen Konzentrationen unter Verwendung von DI H2O als Verdünnungsmittel unter Verwendung einer seriellen Verdünnungsmethode hergestellt (Einzelheiten siehe ergänzende Materialien).Bereiten Sie gefärbte oder leere Proben vor, indem Sie Glukoselösung oder entionisiertes Wasser mit chromogener Lösung in einem festen Volumenverhältnis von jeweils 3:1 mischen.Alle Proben wurden vor der Messung 10 Minuten lang lichtgeschützt bei 37 °C gelagert.Bei der GOD-POD-Methode verfärben sich gefärbte Proben rot mit einem Absorptionsmaximum bei 505 nm, und die Absorption ist nahezu proportional zur Glukosekonzentration.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurde eine Reihe roter Tintenlösungen (Ostrich Ink Co., Ltd., Tianjin, China) durch die serielle Verdünnungsmethode unter Verwendung von DI H2O als Lösungsmittel hergestellt.
Zitierweise für diesen Artikel: Bai, M. et al.Kompaktphotometer auf Basis von Metallwellenleiterkapillaren: zur Bestimmung nanomolarer Glukosekonzentrationen.die Wissenschaft.5, 10476. doi: 10.1038/srep10476 (2015).
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Páscoa, RNMJ, Tóth, IV & Rangel, AOSS Übersicht über aktuelle Anwendungen der Flüssigkeitswellenleiter-Kapillarzelle in strömungsbasierten Analysetechniken zur Verbesserung der Empfindlichkeit spektroskopischer Nachweismethoden. Páscoa, RNMJ, Tóth, IV & Rangel, AOSS Übersicht über aktuelle Anwendungen der Flüssigkeitswellenleiter-Kapillarzelle in strömungsbasierten Analysetechniken zur Verbesserung der Empfindlichkeit spektroskopischer Nachweismethoden.Pascoa, RNMJ, Toth, IV und Rangel, AOSS Ein Überblick über aktuelle Anwendungen der Flüssigkeitswellenleiter-Kapillarzelle in Durchflussanalysetechniken zur Verbesserung der Empfindlichkeit spektroskopischer Nachweismethoden. Páscoa, RNMJ, Tóth, IV und Rangel, AOSS测方法的灵敏度. Páscoa, rnmj, tóth, IV & rangel, aoss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Pascoa, RNMJ, Toth, IV und Rangel, AOSS Ein Überblick über aktuelle Anwendungen von Flüssigkeitswellenleiter-Kapillarzellen in durchflussbasierten Analysemethoden zur Verbesserung der Empfindlichkeit spektroskopischer Nachweismethoden.Anus.Chim.Gesetz 739, 1-13 (2012).
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Gimbert, LJ, Haygarth, PM & Worsfold, PJ Bestimmung nanomolarer Phosphatkonzentrationen in natürlichen Gewässern mittels Fließinjektion mit einer Flüssigkeitswellenleiter-Kapillarzelle mit langer Weglänge und spektrophotometrischer Festkörperdetektion. Gimbert, LJ, Haygarth, PM & Worsfold, PJ Bestimmung nanomolarer Phosphatkonzentrationen in natürlichen Gewässern mittels Fließinjektion mit einer Flüssigkeitswellenleiter-Kapillarzelle mit langer Weglänge und spektrophotometrischer Festkörperdetektion.Gimbert, LJ, Haygarth, PM und Worsfold, PJ Bestimmung nanomolarer Phosphatkonzentrationen in natürlichen Gewässern mittels Fließinjektion mit einer Flüssigkeitswellenleiter-Kapillarzelle und spektrophotometrischer Festkörperdetektion. Gimbert, LJ, Haygarth, PM & Worsfold, PJ摩尔浓度的磷酸盐. Gimbert, LJ, Haygarth, PM & Worsfold, PJ Bestimmung der Phosphatkonzentration in natürlichem Wasser mit einer Flüssigkeitsspritze und einem Flüssigkeitswellenleiter-Kapillarröhrchen mit großer Reichweite.Gimbert, LJ, Haygarth, PM und Worsfold, PJ Bestimmung von nanomolarem Phosphat in natürlichem Wasser mittels Injektionsströmung und Kapillarwellenleiter mit langem optischen Weg und spektrophotometrischer Festkörperdetektion.Taranta 71, 1624–1628 (2007).
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Ellis, PS, Lyddy-Meaney, AJ, Worsfold, PJ & McKelvie, ID Photometrische Multireflexions-Durchflusszelle zur Verwendung bei der Durchflussinjektionsanalyse von Flussmündungsgewässern. Ellis, PS, Lyddy-Meaney, AJ, Worsfold, PJ & McKelvie, ID Photometrische Multireflexions-Durchflusszelle zur Verwendung bei der Durchflussinjektionsanalyse von Flussmündungsgewässern.Ellis, PS, Liddy-Minnie, AJ, Worsfold, PJ und McKelvey, ID Eine photometrische Multireflexions-Durchflusszelle zur Verwendung bei der Durchflussanalyse von Flussmündungsgewässern. 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 und McKelvey, ID Eine photometrische Multireflexions-Durchflusszelle für die Flussinjektionsanalyse in Flussmündungsgewässern.Anus Chim.Acta 499, 81-89 (2003).
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