一个参考干涉仪的Nanodetection实施
April 26th, 2014
参考干涉仪技术，其目的是去除不良的激光抖动噪声nanodetection，被用于探测超高品质因子微腔。提供的指示进行组装，安装和数据采集，沿着指定的腔品质因数的测量过程。
该程序的总体目标是创建一个参考干涉仪，它使用 Whispering Gallery 模式传感来检测直径为数十纳米量级的颗粒，以获得超高品质因数。耳语廊模式、微腔和共振光子在其内部循环数十万次。当颗粒落在微腔上时，这将导致光学特性发生明显变化。
如果背向散射足够强且腔体损耗足够低，则实验性地出现 para split 模式。这将产生分频和粒子吸收的效果。然后将进行频率转移。
与现有系统相比，这种参考干涉仪技术的主要优势，例如通过查看扫描电压来跟踪腔体的谐振频率，是它能够抑制激光噪声，从而将信号提高所有数量级。现在，除了易于构建且具有成本效益之外，该方法特别适用于研究或利用大范围电机俘虏的特性以及流感病毒等单分子的肋骨检测。开始组装参考干涉仪时，将 600 至 800 纳米的单模光纤对准 3 DB 定向耦合器的输入端。
该耦合器的一根输出光纤应形成一系列 16 英尺长的环路，以增加光延迟。剩余的输出光纤应夹在偏振控制器上，该控制器稍后将用于调谐光传输。将这些光纤连接到第二个 3 DB 定向耦合器的输入端口后，光混合输出信号将用作平衡光电探测器的输入。
这种光学元件网络可以安装在一个三级搁架单元上，该搁架单元位于一个聚苯乙烯泡沫塑料盒封闭的亚克力盆中，里面装满了 50% 的冰和 50% 的液态水混合，出于稳定性目的，刨冰比冰块更受欢迎。然而，两者都必须小心地放置在外壳中，以避免损坏光纤。然后，可以将其合并到能够探测耳语画廊模式微腔的现有配置中。
首先，确保在最初的 3 DB 定向耦合器处接收到探针 blazer 输出，以线性扫描激光，馈送 100 赫兹 1 伏特峰峰值斜坡信号。然后，平衡光电探测器的输出应变为正弦波。下一步是适当调整极化控制器，以优化正弦波形的峰值电压。
要将激光器配置为连续波输出，请将波形发生器设置为 DC 模式并对其进行调整，使前一个信号在零附近波动。通过使用电频谱分析仪监测信号，最终可以确定自由光谱范围。这可以通过找到零频率的最大值和第一个 null 之间的频率间隔来实现。
将光纤支架固定到电动平移台上。将 FC A PC 连接器添加到两根光纤的一端后，用光纤剥离器去除裸露端的缓冲涂层。先用丙酮清洗这些，然后用异丙醇清洗。
然后 lea 末端 facets。请务必安全地处理掉多余的纤维。下一步是扩散。
拼接时将这些光纤拼接在一起。将新光纤段的左右边界夹在光纤支架上，使其靠近氢气出口，并可以通过光学显微镜物镜看到。当氢气释放时，通道压力稳定，流速变为每分钟 110 毫升。
通过在示波器上线性观察光电探测器信号，在监测光传输的同时点燃氢气。使用定制的实验室使用软件拉动光纤。您应该注意到光纤宽度逐渐减小，并且由于多模干扰，透射强度应该开始振荡。
一旦传输的强度停止变化，就停止拉扯光纤。这标志着锥度薄到足以支持单个熔覆模式的点。从翻译台上松开光纤支架，并将其固定在支撑微腔的 PA 和电动台附近。
在这部分程序中，必须穿着洁净室防护服，以避免异物污染样品。这包括鞋套、口罩、防护眼镜、发网和一胶手套。设置好工作站后，取 50 纳米半径的单色圣星微球，不使用时应该存放在 4 摄氏度。
一旦制备了 ECCO 磷酸盐缓冲盐水或 DPBS 中微球的 10 皮摩尔溶液，即可使用微量移液管在 1 毫升离心管中制备纯 DPBS 溶液。接下来，将 900 微升 DPBS 注入另外两根试管中。请记住，对于不同的混合物，应使用单独的移液器吸头。
为了在 DPBS 中制备稀释的 1 皮摩尔和 100 飞摩尔微球溶液，请从原始的 10 皮摩尔溶液中提取 100 微升，并将其分配到含有 900 微升 DPBS 的试管中的一根试管中。短暂涡旋，混合内容物，然后从 1 皮摩尔溶液中取出 100 微升，并对其余 2 皮摩尔重复上一步。然后，打开离心机的盖子。
将解决方案放入其中，确保位置交错以进行平衡。盖上盖子并开始 30 分钟的旋转循环完成后，打开盖子并小心取出溶液。将试管固定在干燥室中。
轻轻拧开盖子并抽空腔室以对混合物进行脱气，将干燥物部分浸入超声处理液浴中，然后用超声波轰击溶液 30 分钟。然后，从浴槽中取出腔室。取出、取出、取出、重新填充空气并收集溶液。
请记住拧紧离心管上的盖子。下一步将侧重于构建流体输送系统。搭建支架后，切下一段略长于一英尺的微流体小管。
将注射器尖端插入一端，并将其连接到枪管掠夺组件的 lur 锁接头。然后将两个注射器尖端拧到野猪的两端。将其中一个注射器尖端插入微流体小管的外露端，并将其固定在支架支柱上。
样品正后方的微流体系统必须最大限度地减少溢出。重新聚焦垂直显微镜物镜，以获得纤维锥度的清晰图像。对水平显微镜物镜重复此作。
然后，您可以将样品安装在纳米定位器上，并将其移向纤维锥度的中心。在这种情况下，使用 O 二氧化硅微球。接下来，扫描激光波长，以便在示波器上获得适当的共振下降。
评估完微腔的质量因数后，小心地将其纤维锥度从结构中移开。如果纤维锥度足够靠近微腔，范德沃尔力会将它们吸引在一起，使它们彼此接触。这可能会导致过度耦合，您可以通过分离结构来纠正这种情况再次将柔和的移液器装满水，并在微腔后面添加液滴，使其周围的介电介质变成这种液体。
您现在可以将溶液流向样品中。现在，参考干涉测量系统已设置完毕，请配置示波器触发设置并运行自制软件来收集迹线。然后，您可以获得缓冲溶液的共振曲线，它最多应该表现出下一个记录的频率分裂，纳米颗粒溶液从最低浓度到最高浓度的复苏曲线。
在这里，您应该会看到与绑定事件对应的 average 和 split 频移。迹线数据可以借助 MATLAB 脚本进行处理，在这个特定示例中，可以通过将上部子图中的谐振结构与干涉仪信号进行比较来检索品质因数。在底部的子图中，浸入缓冲溶液中时，此特定运行的品质因子约为 2 亿
。此外，在通过此过程构建参考线人后，可以生成校准前的频谱图、校准后的频谱图和本底噪声波形。到目前为止，您应该已经很好地了解了这种各种居民援助如何运作，以及如何将它们耦合到您自己的系统中。此外，您应该对如何通过 whispering error mode 腔体完成 self-reference detections有很好的了解。
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概述
本文讨论了利用回声廊模式传感创建一个用于检测纳米粒子的参考干涉仪。该技术旨在最小化激光抖动噪声，从而实现对超高质量因子微腔的精确测量。
关键研究组成部分
科学领域
- 纳米检测
- 光学传感
- 微腔物理
背景
- 回声廊模式允许在粒子检测中提高灵敏度。
- 微腔可以捕获光，增加与粒子的相互作用。
- 理解腔质量因子对于提高检测极限至关重要。
- 激光抖动噪声可能会干扰准确的测量。
研究目的
- 开发一个用于增强粒子检测的参考干涉仪。
- 提供详细的组装和数据采集说明。
- 规定测量过程以确定腔质量因子。
所用方法
- 参考干涉仪的组装。
- 回声廊模式传感的设置。
- 用于测量光学性质的数据采集技术。
- 在粒子检测过程中测量腔质量因子。
主要结果
- 成功检测出直径在几十纳米级的纳米粒子。
- 观察到由于粒子吸收而导致的频率分裂。
- 通过减少腔损耗证明了增强的灵敏度。
- 建立了精确测量质量因子的方法。
结论
- 参考干涉仪有效地最小化了激光抖动噪声。
- 回声廊模式传感显著提高了检测能力。
- 详细的方法可以帮助复制该研究以进行进一步研究。
常见问题
Executive Industry Relevance
This reference interferometer enables high-sensitivity detection of nanoscale binding events by suppressing laser jitter noise, a critical limitation in optical biosensing. By stabilizing measurements of whispering gallery mode microcavities, it supports early-stage target validation where subtle molecular interactions must be resolved with high fidelity. The system enhances predictive confidence in assay development by providing quantitative, reproducible readouts of surface binding kinetics relevant to biologics screening.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through detection of single nanoparticle binding events on microcavity surfaces.
- Operational Value: Provides label-free, real-time monitoring of molecular interactions without fluorescent tagging.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Delivers quantitative measurements of resonant wavelength and frequency shifts for standardized binding assays.
- Operational Value: Supports assay reproducibility through adaptive curve fitting and noise suppression via reference interferometry.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates mechanistic de-risking by correlating binding events with optical readouts in disease-relevant nanosystems.
- Operational Value: Enables continuity from discovery to preclinical validation through transferable sensing principles.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows by providing high-fidelity optical readouts that inform lead identification and assay optimization decisions.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing via precise detection of particle-induced resonance shifts in microcavities.
- Screening: Enables assay readiness through stabilized, noise-resistant measurements of quality factor and resonant wavelength.
- Analytics: Generates time-dependent data on binding kinetics via post-processing of interferometer signals.
- Translational Research: Connects to preclinical work through consistent detection principles applicable to biomarker validation.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable platform for multiparametric sensing across diverse target classes.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by resolving discrete binding events at the nanoscale.
- Operational Value: Enhances reproducibility through laser noise suppression and thermal stabilization.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by reducing false negatives in low-abundance target detection.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of targets based on quantifiable binding affinity and kinetics.
Implementation Considerations
- Requires expertise in photonics, fiber optics, and optical alignment for interferometer assembly.
- Depends on stable laser sources, polarization controllers, and balanced photodetectors for signal fidelity.
- Necessitates cross-team standardization of fluid handling and surface preparation protocols.
- Involves adaptation considerations when transferring the system to different microcavity materials or buffer conditions.
- Includes practical limitations related to environmental vibration sensitivity and the need for cleanroom handling during fiber taper fabrication.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Title
1:36
Reference Interferometer Construction
3:57
Fiber Pulling
3:01
Free Spectral Range Measurement
6:46
Preparation and Delivery of Solutions
12:43
System Configuration and Interconnections
14:45
Post-processing of Data
14:06
Nanoparticle Detection
15:32
Conclusion
