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액체 시료의 미량 분석은 생명 과학 및 환경 모니터링 분야에서 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 본 연구에서는 초고감도 흡광도 측정을 위해 금속 도파관 모세관(MCC)을 기반으로 하는 소형의 저렴한 광도계를 개발했습니다. 주름진 매끄러운 금속 측벽에서 산란된 빛이 입사각에 관계없이 모세관 내에 포함될 수 있기 때문에, 광 경로를 크게 증가시키고 MWC의 물리적 길이보다 훨씬 길게 할 수 있습니다. 새로운 비선형 광학 증폭과 빠른 시료 전환 및 포도당 검출 덕분에 일반적인 발색 시약을 사용하여 5.12 nM의 낮은 농도까지 측정할 수 있습니다.
광도 측정법은 풍부한 발색 시약과 반도체 광전자 소자 덕분에 액체 시료의 미량 분석에 널리 사용됩니다.1,2,3,4,5 기존의 큐벳 기반 흡광도 측정 방식과 달리, 액체 도파관(LWC) 모세관은 프로브 빛을 모세관 내부에 가두어 반사(TIR)합니다.1,2,3,4,5 그러나 추가적인 개선 없이는 광 경로가 LWC의 물리적 길이에 근접할 뿐이며(3.6), LWC 길이를 1.0m 이상으로 늘리면 강한 광 감쇠와 기포 발생 위험이 높아집니다(3, 7). 광 경로 개선을 위해 제안된 다중 반사 셀의 경우, 검출 한계는 2.5~8.9배 향상되었습니다.
현재 LWC에는 두 가지 주요 유형이 있는데, 테플론 AF 모세관(굴절률이 약 1.3으로 물보다 낮음)과 테플론 AF 또는 금속 필름으로 코팅된 실리카 모세관입니다.1,3,4 유전체 재료 사이의 계면에서 투과 적외선(TIR)을 구현하려면 굴절률이 낮고 빛의 입사각이 큰 재료가 필요합니다.3,6,10 테플론 AF 모세관의 경우, 테플론 AF는 다공성 구조로 인해 통기성이 있으며3,11 물 시료에 함유된 소량의 물질을 흡수할 수 있습니다. 테플론 AF 또는 금속으로 외부를 코팅한 석영 모세관의 경우, 석영의 굴절률(1.45)은 대부분의 액체 시료(예: 물의 경우 1.33)보다 높습니다.3,6,12,13 내부에 금속 필름이 코팅된 모세관의 경우 수송 특성이 연구되었지만, 코팅 공정이 복잡하고 금속 필름 표면이 거칠고 다공성 구조를 가지고 있습니다.
또한, 상용 LWC(AF 테플론 코팅 모세관 및 AF 테플론 코팅 실리카 모세관, World Precision Instruments, Inc.)는 다음과 같은 몇 가지 단점을 가지고 있습니다. 결함 발생 가능성. TIR3,10, (2) T-커넥터(모세관, 파이버 및 입/출구 튜브 연결용)의 큰 데드 볼륨은 기포를 가두는 원인이 될 수 있습니다.10
동시에 포도당 수치의 측정은 당뇨병, 간경변 및 정신 질환20의 진단에 매우 중요합니다. 광도 측정(분광 광도법 21, 22, 23, 24, 25 및 종이 비색법 26, 27, 28 포함), 갈바노메트리 29, 30, 31, 형광 측정법 32, 33, 34, 35, 광학 편광 측정법 36, 표면 플라스몬 공명 37, 패브리-페로 공동 38, 전기 화학 39 및 모세관 전기 영동 40,41 등과 같은 많은 검출 방법이 있습니다. 그러나 이러한 방법의 대부분은 값비싼 장비를 필요로 하며 여러 나노몰 농도에서 포도당을 검출하는 것은 여전히 ​​어려운 과제입니다(예: 광도 측정21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 포도당의 가장 낮은 농도). 프로이센 블루 나노입자를 과산화효소 모방체로 사용했을 때 한계는 30nM에 불과했습니다. 나노몰 포도당 분석은 인간 전립선암 성장 억제42 및 해양에서 프로클로로코쿠스의 CO2 고정 행동과 같은 분자 수준의 세포 연구에 종종 필요합니다.
본 논문에서는 전해연마 처리된 내부 표면을 가진 SUS316L 스테인리스 스틸 모세관인 금속 도파관 모세관(MWC)을 기반으로 하는 소형의 저렴한 광도계를 초고감도 흡광 측정용으로 개발했습니다. 입사각에 관계없이 금속 모세관 내부에 빛이 포집될 수 있기 때문에, 주름진 금속 표면과 매끄러운 금속 표면에서의 빛 산란을 통해 광학 경로를 크게 확장할 수 있으며, MWC의 실제 길이보다 훨씬 깁니다. 또한, 데드 볼륨을 최소화하고 기포 포집을 방지하기 위해 광학 연결 및 유체 유입/배출을 위한 간단한 T-커넥터를 설계했습니다. 7cm MWC 광도계의 경우, 비선형 광학 경로의 새로운 향상과 빠른 시료 전환 덕분에 1cm 큐벳을 사용하는 상용 분광 광도계에 비해 검출 한계가 약 3,000배 향상되었으며, 포도당 검출 농도 또한 일반적인 발색 시약을 사용하여 5.12nM에 불과합니다.
그림 1에서 볼 수 있듯이, MWC 기반 광도계는 EP 등급 전해연마 처리된 내부 표면을 가진 7cm 길이의 MWC, 렌즈가 장착된 505nm LED, 조정 가능한 이득 광검출기, 그리고 광 결합 및 액체 입력을 위한 두 개의 광검출기로 구성됩니다. 출구. 파이크(Pike) 유입관에 연결된 3방향 밸브는 유입되는 샘플을 전환하는 데 사용됩니다. 피크(Peek) 튜브는 석영판과 MWC에 꼭 맞아 T-커넥터의 데드 볼륨(dead volume)을 최소화하여 기포가 갇히는 것을 효과적으로 방지합니다. 또한, 콜리메이트된 빔은 T-피스 석영판을 통해 MWC로 쉽고 효율적으로 유입될 수 있습니다.
빔과 액체 시료는 T-피스를 통해 MCC로 유입되고, MCC를 통과한 빔은 광검출기에 의해 수신됩니다. 염색된 시료 또는 공시료의 유입 용액은 3방향 밸브를 통해 ICC로 교대로 유입됩니다. 비어의 법칙에 따라, 유색 시료의 광학 밀도는 다음 방정식을 통해 계산할 수 있습니다. 1.10
여기서 Vcolor와 Vblank는 각각 MCC에 color 샘플과 blank 샘플을 주입했을 때 광검출기의 출력 신호이고, Vdark는 LED가 꺼졌을 때 광검출기의 배경 신호입니다. 출력 신호 ΔV = Vcolor–Vblank의 변화는 샘플을 스위칭하여 측정할 수 있습니다. 방정식에 따르면, 그림 1에서 볼 수 있듯이, ΔV가 Vblank–Vdark보다 훨씬 작으면 샘플링 스위칭 방식을 사용할 때 Vblank의 작은 변화(예: 드리프트)가 AMWC 값에 거의 영향을 미치지 않을 수 있습니다.
MWC 기반 광도계와 큐벳 기반 분광 광도계의 성능을 비교하기 위해, 우수한 색상 안정성과 양호한 농도-흡광도 선형성 때문에 빨간색 잉크 용액을 색상 샘플로 사용했고, DI H2O를 블랭크 샘플로 사용했습니다. 표 1에 표시된 대로, DI H2O를 용매로 사용하여 일련의 빨간색 잉크 용액을 제조했습니다. 희석되지 않은 원래 빨간색 페인트인 샘플 1(S1)의 상대 농도는 1.0으로 결정되었습니다. 그림 2는 8.0 × 10–3(왼쪽)에서 8.2 × 10–10(오른쪽)의 상대 농도(표 1에 나열됨)를 가진 11개의 빨간색 잉크 샘플(S4~S14)의 광학 사진을 보여줍니다.
샘플 6의 측정 결과는 그림 3(a)에 나와 있습니다. 염색된 샘플과 무색 샘플 간의 전환 지점은 그림에서 이중 화살표 "↔"로 표시되어 있습니다. 유색 샘플에서 무색 샘플로, 또는 그 반대로 전환할 때 출력 전압이 빠르게 증가하는 것을 볼 수 있습니다. 그림과 같이 Vcolor, Vblank 및 해당 ΔV를 구할 수 있습니다.
(a) MWC 기반 광도계를 사용한 샘플 6, (b) 샘플 9, (c) 샘플 13 및 (d) 샘플 14에 대한 측정 결과.
샘플 9, 13 및 14에 대한 측정 결과는 각각 그림 3(b)-(d)에 나와 있습니다. 그림 3(d)에서 볼 수 있듯이 측정된 ΔV는 5nV에 불과하여 노이즈 값(2nV)의 거의 3배입니다. 작은 ΔV는 노이즈와 구별하기 어렵습니다. 따라서 검출 한계는 상대 농도 8.2×10-10(샘플 14)에 도달했습니다. 방정식의 도움으로. 1. AMWC 흡광도는 측정된 Vcolor, Vblank 및 Vdark 값에서 계산할 수 있습니다. 이득이 104인 광검출기의 경우 Vdark는 -0.68μV입니다. 모든 샘플에 대한 측정 결과는 표 1에 요약되어 있으며 보충 자료에서 찾을 수 있습니다. 표 1에서 볼 수 있듯이 고농도에서 발견된 흡광도는 포화되므로 3.7 이상의 흡광도는 MWC 기반 분광기로 측정할 수 없습니다.
비교를 위해 빨간색 잉크 샘플도 분광 광도계로 측정하였고, 측정된 아쿠벳 흡광도는 그림 4에 나타나 있습니다. 505nm에서의 아쿠벳 값(표 1 참조)은 샘플 10, 11 또는 12의 흡광도 곡선(삽입 그림 참조)을 참조하여 얻었습니다. 그림 4를 기준으로 합니다. 표시된 바와 같이, 샘플 10, 11 및 12의 흡광도 곡선이 서로 구별할 수 없었기 때문에 검출 한계는 상대 농도 2.56 x 10-6(샘플 9)에 도달했습니다. 따라서 MWC 기반 광도계를 사용했을 때 큐벳 기반 분광 광도계에 비해 검출 한계가 3125배 향상되었습니다.
그림 5는 흡광도-농도 의존성을 나타냅니다. 큐벳 측정의 경우, 흡광도는 경로 길이가 1cm일 때 잉크 농도에 비례합니다. 반면, MWC 기반 측정의 경우 저농도에서 흡광도가 비선형적으로 증가합니다. 비어의 법칙에 따르면 흡광도는 광학 경로 길이에 비례하므로 흡광 이득 AEF(동일한 잉크 농도에서 AEF = AMWC/Acuvette로 정의)는 MWC와 큐벳의 광학 경로 길이의 비율입니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이, 고농도에서 상수 AEF는 약 7.0인데, 이는 MWC의 길이가 1cm 큐벳 길이의 정확히 7배이기 때문에 타당합니다. 그러나 낮은 농도(관련 농도 <1.28 × 10-5)에서는 AEF가 농도 감소에 따라 증가하고 큐벳 기반 측정 곡선을 외삽하면 관련 농도 8.2 × 10-10에서 803의 값에 도달합니다. 그러나 낮은 농도(관련 농도 <1.28 × 10-5)에서는 AEF가 농도 감소에 따라 증가하고 큐벳 기반 측정 곡선을 외삽하면 관련 농도 8.2 × 10-10에서 803의 값에 도달합니다. Однако при низких концентрациях (относительная концентрация <1,28 × 10–5) AEF увеличивается с уменьшением концентрации и может достигать значения 803 при относительной концентрации 8,2 × 10–10 при экстраполяции кривой измерения на основе 큐베티. 그러나 낮은 농도(상대 농도 <1.28 × 10–5)에서는 AEF가 농도가 감소함에 따라 증가하고 큐벳 기반 측정 곡선에서 외삽하면 상대 농도가 8.2 × 10–10일 때 803의 값에 도달할 수 있습니다.然而, 에서 低浓titude(相关浓titude<1.28 × 10-5 )下, AEF随着浓titude 는 8.2 × 10-10 时将达到803 의 值.然而 , 低 浓도 （상대 浓도 <1.28 × 10-5） , , AEF 随着 적 降低 而 , 并且 通过 外推 基于 比color皿 测 weight , 에서 浓도 为 8.2 × 10-10 时 达到 达到 达到 达到 达到803 值。 Однако при низких концентрациях (релевантные концентрации < 1,28 × 10-5) АЭП увеличивается с уменьшением концентрации, 그리고 при экстраполяции Кривой измерения на основе куветы она достигает значения относительной концентрации 8,2 × 10–10 803. 그러나 낮은 농도(관련 농도 < 1.28 × 10-5)에서는 AED가 농도가 감소함에 따라 증가하고 큐벳 기반 측정 곡선에서 외삽하면 상대 농도 값이 8.2 × 10–10 803에 도달합니다.이로 인해 803cm(AEF × 1cm)의 광학 경로가 생성되는데, 이는 MWC의 물리적 길이보다 훨씬 길며, 시중에서 가장 긴 LWC(World Precision Instruments, Inc.의 500cm)보다도 더 깁니다. Doko Engineering LLC의 길이는 200cm입니다. LWC에서 이러한 비선형적인 흡수 증가는 이전에 보고된 바 없습니다.
그림 6(a)-(c)는 각각 MWC 단면의 내부 표면에 대한 광학 이미지, 현미경 이미지, 그리고 광학 프로파일러 이미지를 보여줍니다. 그림 6(a)에서 볼 수 있듯이, 내부 표면은 매끄럽고 광택이 나며, 가시광선을 반사할 수 있고 반사율이 높습니다. 그림 6(b)에서 볼 수 있듯이, 금속의 변형성과 결정성으로 인해 매끄러운 표면에 작은 메사와 불규칙성이 나타납니다. 작은 면적(<5 μm×5 μm)을 고려할 때 대부분 표면의 거칠기는 1.2 nm 미만입니다(그림 6(c)). 작은 영역(<5 μm×5 μm)을 고려할 때 대부분 표면의 거칠기는 1.2 nm 미만입니다(그림 6(c)). Ввиду малой пловляет менее 1,2 нм (рис. 6(в)). 면적이 작기 때문에(<5 µm×5 µm) 대부분 표면의 거칠기는 1.2nm 미만입니다(그림 6(c)).考虑到 작은 면(<5 μm×5 μm), 大多数表면적 粗糙島 小于1.2 nm(图6(c)).考虑到 작은 면(<5 μm×5 μm), 大多数表면적 粗糙島 小于1.2 nm(图6(c)). Учитывая небольшуу плочадь (<5 мкм × 5 мкм), шероховатость большинства поверхностей составляет менее 1,2 нм (рис. 6(в)). 작은 영역(<5 µm × 5 µm)을 고려하면 대부분 표면의 거칠기는 1.2nm 미만입니다(그림 6(c)).
(a) 광학 이미지, (b) 현미경 이미지, (c) MWC 절단면의 내부 표면의 광학 이미지.
그림 7(a)에 나타낸 바와 같이, 모세관의 광학 경로 LOP는 입사각 θ(LOP = LC/sinθ, 여기서 LC는 모세관의 물리적 길이)에 의해 결정됩니다. DI H2O로 채워진 테플론 AF 모세관의 경우, 입사각은 임계각 77.8°보다 커야 하므로, LOP는 추가 개선 없이 1.02 × LC보다 작습니다. 반면, MWC를 사용하면 모세관 내부의 빛 제한이 굴절률이나 입사각과 무관하므로 입사각이 감소함에 따라 광 경로가 모세관 길이보다 훨씬 길어질 수 있습니다(LOP » LC). 그림 7(b)에 나타낸 바와 같이, 주름진 금속 표면은 광 산란을 유도할 수 있으며, 이는 광학 경로를 크게 증가시킬 수 있습니다.
따라서 MWC에는 두 가지 빛 경로가 있습니다. 반사 없는 직접광(LOP = LC)과 측벽 사이에서 다중 반사되는 톱니파광(LOP » LC)입니다. Beer의 법칙에 따르면, 투과된 직접광과 지그재그광의 세기는 각각 PS×exp(-α×LC)와 PZ×exp(-α×LOP)로 표현할 수 있습니다. 여기서 상수 α는 흡수 계수이며, 이는 전적으로 잉크 농도에 따라 달라집니다.
고농도 잉크(예: 관련 농도 >1.28 × 10-5)의 경우 지그재그 빛은 크게 감쇠되고 그 강도는 직접 빛보다 훨씬 낮습니다. 이는 흡수 계수가 크고 광학 경로가 훨씬 길기 때문입니다. 고농도 잉크(예: 관련 농도 >1.28 × 10-5)의 경우 지그재그 빛은 크게 감쇠되고 그 강도는 직접 빛보다 훨씬 낮습니다. 이는 흡수 계수가 크고 광학 경로가 훨씬 길기 때문입니다. Для чернил с высокой conцеntрацией (네이머, относительная концентрация >1,28 × 10-5) зигзагообразный свет сильно затухает, а его интенсивность намного ниже, чем у прямого света, из-за bolьшого коэффициента поглоЂения и гораздо более длинного птического 해석. 고농도 잉크(예: 상대 농도 >1.28×10-5)의 경우 지그재그 빛은 강하게 감쇠되고 흡수 계수가 크고 광학 방출 시간이 훨씬 길어서 직접 빛보다 강도가 훨씬 낮습니다.길.对于고높이도수(例如, 엇각추도>1.28×10-5), Z자형광衰减很大，其强島远低于直光，这是由于吸收系数大，光school时间更长。对于 高浓島 墨水 （例如 , 浓도 浓도> 1.28 × 10-5) , z 字字 衰减 很 大 , 强titude 远 低于 直光 , 这 是 吸收 系数大 光학 时间 更。。 长 长 长 长 长 长 长 长 长 长 长 长Для чернил с высокой концентрацией (네이머, релеваntные онцеntрации >1,28×10-5) зигзагообразный свет значительно ослабляется, и его интенсивность намного ниже, чем у прямого света из-за bolьшого коэфициента поглочения и bolleee длительного птического 시간. 고농도 잉크(예: 관련 농도 >1.28×10-5)의 경우 지그재그 빛은 상당히 약화되고 흡수 계수가 크고 광학 시간이 길어서 직접 빛보다 강도가 훨씬 낮습니다.작은 길.따라서 직사광선이 흡광도 측정에 가장 큰 영향을 미쳤고(LOP=LC) AEF는 ~7.0으로 일정하게 유지되었습니다. 대조적으로, 흡수 계수가 잉크 농도가 감소함에 따라 감소하는 경우(예: 관련 농도 <1.28 × 10-5), 지그재그 빛의 강도는 직선 빛보다 더 빨리 증가하고 지그재그 빛이 더 중요한 역할을 하기 시작합니다. 대조적으로, 흡수 계수가 잉크 농도가 감소함에 따라 감소하는 경우(예: 관련 농도 <1.28 × 10-5), 지그재그 빛의 강도는 직선 빛보다 더 빨리 증가하고 지그재그 빛이 더 중요한 역할을 하기 시작합니다. Напротив, когда коэфициеnt поглочения уmenьшается с уmenьшением konцеntрации чернил (например, относительная концентрация <1,28 × 10-5), интенсивность зигзагообразного света увеличивается быстрее, чем у прямого света, и затем начинает играть зигзагоообразный 빛. 반면, 잉크 농도가 감소함에 따라 흡수계수가 감소하는 경우(예를 들어, 상대 농도 <1.28×10-5) 지그재그광의 강도는 직접광보다 더 빨리 증가한 후 지그재그광이 재생되기 시작합니다.더 중요한 역할.相反，当当吸收系数随着墨水浓島的降低而降低时（例如， ​​엇关浓도<1.28×10-5 ), Z자 모양의 빛을 사용하는 각도는 Z 모양의 빛을 사용하는 것입니다.상반 , 当 吸收 系数 随着 墨水 的 降低 而 降低 时 例如 例如 , 相关 浓浓 浓degree <1.28 × 10-5) , 字字光 的 强titude比 增加 得 更 , 然后 z 자형 광 发挥 作用 一 个 重要 重要 重要 更 更 更 更 更 更 更 HI的角color. И наоборот, когда коэфициент поглочения уmenьшается с уmenьшением konцеntрации чернил (например, соответствувушая концентрация < 1,28×10-5), интенсивность зигзагообразного света увеличивается быстрее, чем прямого, и тогда зигзагообразный свет начинает играть bolее важнув роль. 반대로, 흡수 계수가 잉크 농도가 감소함에 따라 감소하는 경우(예를 들어, 해당 농도 < 1.28×10-5), 지그재그 빛의 강도는 직접 빛보다 더 빨리 증가하고, 그때부터 지그재그 빛이 더 중요한 역할을 하기 시작합니다.역할 캐릭터.따라서 톱니형 광 경로(LOP >> LC) 덕분에 AEF를 7.0보다 훨씬 높일 수 있습니다. MWC의 정밀한 광 투과 특성은 도파관 모드 이론을 이용하여 얻을 수 있습니다.
광학 경로를 개선하는 것 외에도 빠른 샘플 전환은 초저 검출 한계에도 기여합니다.MCC의 용량이 작기 때문에(0.16ml), MCC에서 용액을 전환하고 바꾸는 데 필요한 시간은 20초 미만이 될 수 있습니다.그림 5에서 볼 수 있듯이 AMWC(2.5 × 10–4)의 최소 검출 가능 값은 Acuvette(1.0 × 10–3)보다 4배 낮습니다.모세관에서 흐르는 용액의 빠른 전환은 큐벳의 머무름 용액과 비교했을 때 흡광도 차이의 정확도에 미치는 시스템 노이즈(예: 드리프트)의 영향을 줄입니다.예를 들어, 그림 3(b)-(d)에서 볼 수 있듯이, ΔV는 작은 용량의 모세관에서 빠른 샘플 전환으로 인해 드리프트 신호와 쉽게 구별할 수 있습니다.
표 2에 나타낸 바와 같이, 다양한 농도의 포도당 용액을 용매로 DI H2O를 사용하여 제조했습니다. 염색 시료 또는 공시료는 포도당 용액 또는 탈이온수에 포도당 산화효소(GOD)와 과산화효소(POD) 37의 발색 용액을 각각 3:1의 고정된 부피비로 혼합하여 제조했습니다. 그림 8은 포도당 농도가 2.0 mM(왼쪽)에서 5.12 nM(오른쪽)까지인 9개의 염색 시료(S2-S10)의 광학 사진을 보여줍니다. 포도당 농도가 감소함에 따라 발색이 감소합니다.
MWC 기반 광도계를 사용하여 샘플 4, 9 및 10을 측정한 결과는 각각 그림 9(a)-(c)에 나와 있습니다.그림 9(c)에서 볼 수 있듯이, 측정된 ΔV는 GOD-POD 시약 자체의 색상(포도당을 첨가하지 않았더라도)이 빛에서 천천히 변함에 따라 덜 안정되고 측정 중에 천천히 증가합니다.따라서 포도당 농도가 5.12 nM 미만인 샘플(샘플 10)에 대해서는 연속적인 ΔV 측정을 반복할 수 없습니다.ΔV가 충분히 작으면 GOD-POD 시약의 불안정성을 더 이상 무시할 수 없기 때문입니다.따라서 포도당 용액의 검출 한계는 5.12 nM이지만 해당 ΔV 값(0.52 µV)이 노이즈 값(0.03 µV)보다 훨씬 커서 작은 ΔV도 여전히 검출할 수 있음을 나타냅니다.이 검출 한계는 더 안정적인 발색 시약을 사용하여 더욱 개선할 수 있습니다.
(a) MWC 기반 광도계를 사용한 샘플 4, (b) 샘플 9 및 (c) 샘플 10에 대한 측정 결과.
AMWC 흡광도는 측정된 Vcolor, Vblank, Vdark 값을 사용하여 계산할 수 있습니다. 이득이 105인 광검출기의 경우 Vdark는 -0.068 μV입니다. 모든 샘플에 대한 측정값은 보충 자료에서 설정할 수 있습니다. 비교를 위해 포도당 샘플도 분광광도계로 측정했으며, 그림 10과 같이 Acuvette의 측정 흡광도는 0.64 μM(샘플 7)의 검출 한계에 도달했습니다.
흡광도와 농도의 관계는 그림 11에 제시되어 있습니다. MWC 기반 광도계를 사용하면 큐벳 기반 분광광도계에 비해 검출 한계가 125배 향상되었습니다. 이러한 향상은 GOD-POD 시약의 낮은 안정성으로 인해 레드 잉크 분석법보다 낮습니다. 저농도에서도 흡광도가 비선형적으로 증가하는 것으로 관찰되었습니다.
MWC 기반 광도계는 액체 시료의 초고감도 검출을 위해 개발되었습니다. 주름진 매끄러운 금속 측벽에서 산란된 빛이 입사각에 관계없이 모세관 내에 포함될 수 있기 때문에 광학 경로를 크게 확장하고 MWC의 물리적 길이보다 훨씬 길게 만들 수 있습니다. 새로운 비선형 광 증폭과 빠른 시료 전환 및 포도당 검출 덕분에 기존 GOD-POD 시약을 사용하여 5.12 nM의 낮은 농도까지 달성할 수 있습니다. 이 소형의 저렴한 광도계는 미량 분석을 위한 생명 과학 및 환경 모니터링 분야에서 널리 사용될 것입니다.
그림 1에서 볼 수 있듯이, MWC 기반 광도계는 7cm 길이의 MWC(내경 1.7mm, 외경 3.18mm, EP 등급 전해연마 내면, SUS316L 스테인리스강 모세관), 505nm 파장 LED(Thorlabs M505F1)와 렌즈(빔 확산각 약 6.6도), 가변 이득 광검출기(Thorlabs PDB450C), 그리고 광통신 및 액체 입/출구를 위한 두 개의 T-커넥터로 구성됩니다. T-커넥터는 투명한 석영판을 PMMA 튜브에 접합하여 제작되었으며, 여기에 MWC와 Peek 튜브(내경 0.72mm, 외경 1.6mm, Vici Valco Corp.)를 단단히 삽입하여 접착했습니다. 파이크 유입 튜브에 연결된 3방향 밸브는 유입되는 샘플을 전환하는 데 사용됩니다. 광검출기는 수신된 광 파워 P를 증폭된 전압 신호 N×V로 변환할 수 있습니다(여기서 V/P = 1.0 V/W는 1550 nm에서 적용되며, 이득 N은 103~107 범위에서 수동으로 조절 가능). 간략하게 설명하자면, 출력 신호로 N×V 대신 V를 사용합니다.
비교해 보면, 1.0cm 큐벳 셀이 장착된 상업용 분광기(Agilent Technologies Cary 300 시리즈, R928 고효율 광전증배관)도 액체 샘플의 흡광도를 측정하는 데 사용되었습니다.
MWC 절단면의 내부 표면은 수직 및 수평 분해능이 각각 0.1nm와 0.11µm인 광학 표면 프로파일러(ZYGO New View 5022)를 사용하여 검사했습니다.
모든 화학 물질(분석 등급, 추가 정제 없음)은 Sichuan Chuangke Biotechnology Co., Ltd.에서 구입했습니다. 포도당 검사 키트에는 포도당 산화효소(GOD), 과산화효소(POD), 4-아미노안티피린 및 페놀 등이 포함되어 있습니다. 발색 용액은 일반적인 GOD-POD 37 방법을 사용하여 제조했습니다.
표 2에서 볼 수 있듯이, 다양한 농도의 포도당 용액을 DI H2O를 희석제로 사용하여 연속 희석법을 사용하여 제조했습니다(자세한 내용은 보충 자료 참조). 포도당 용액 또는 탈이온수를 발색 용액과 각각 3:1의 고정된 부피비로 혼합하여 염색 시료 또는 공시료를 준비했습니다. 모든 시료는 측정 전 37°C에서 10분 동안 빛을 차단하여 보관했습니다. GOD-POD법에서 염색된 시료는 505nm에서 최대 흡광도를 나타내며, 흡광도는 포도당 농도에 거의 비례합니다.
표 1에 나타낸 바와 같이, 일련의 붉은 잉크 용액(Ostrich Ink Co., Ltd., Tianjin, China)은 용매로 DI H2O를 사용하여 연속 희석법으로 제조되었습니다.
이 논문을 인용하는 방법: Bai, M. et al. 금속 도파관 모세관 기반 소형 광도계: 포도당 나노몰 농도 측정용. 과학. 5, 10476. doi: 10.1038/srep10476 (2015).
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