Implementierung eines Referenz-Interferometer für Nanodetection

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, ein Referenzinterferometer zu erstellen, das die Whispering-Gallery-Mode-Sensorik nutzt, um Partikel mit Durchmessern im Bereich von einigen zehn Nanometern bei einem extrem hohen Gütefaktor nachzuweisen. Im Whispering-Gallery-Mode zirkulieren Mikrokavität und Resonanzphoton hunderttausendfach innerhalb dieser. Dies führt dazu, dass sich die optischen Eigenschaften deutlich verändern, wenn ein Partikel auf der Mikrokavität landet.

Wenn die Rückstreuung ausreichend stark ist und die Hohlraumverluste ausreichend gering sind, treten experimentell para-geteilte Moden auf. Dies führt zur Frequenzspaltung und es erfolgt Partikelabsorption. Anschließend tritt eine Frequenzverschiebung auf.

Der Hauptvorteil dieser Referenz-Interferometrie-Methode gegenüber bestehenden Systemen, wie etwa solchen, die die Resonanzfrequenz eines Resonators durch Beobachtung der Scan-Spannung verfolgen, besteht darin, dass sie in der Lage ist, das Laserrauschen zu unterdrücken und somit das Signal um eine ganze Größenordnung zu verstärken. Da diese Methode außerdem einfach aufzubauen und kostengünstig ist, eignet sie sich besonders gut zur Untersuchung oder Nutzung der Eigenschaften einer breiten Palette von Flächenmotoren sowie zur empfindlichen Nachweisung einzelner Moleküle wie etwa des Influenza-Virus. Um den Referenzinterferometer zusammenzubauen, richten Sie zunächst eine einmodige optische Faser mit einer Wellenlänge von 600 bis 800 Nanometern auf den Eingang eines 3-dB-Richtkopplers aus.

Eine der Ausgangsfasern dieses Kopplers sollte eine Serie von Schleifen mit einer Gesamtlänge von 16 Fuß bilden, um eine optische Verzögerung hinzuzufügen. Die verbleibende Ausgangsfaser sollte an einen Polarisationskontroller geklemmt werden, der später zur Abstimmung der optischen Transmission verwendet wird. Nachdem diese Fasern mit den Eingangsports eines zweiten 3-dB-Richtungskopplers verbunden wurden, dienen die photomisch ausgegebenen Signale als Eingänge für einen balancierten Photodetektor.

Dieses Netzwerk aus optischen Komponenten kann auf einer dreistufigen Ablage untergebracht werden, die in einer aus Acryl gefertigten, geschlossenen Wanne steht, die mit einer Mischung aus 50 % Eis und 50 % flüssigem Wasser gefüllt wird. Geschnittenes Eis wird aus Stabilitätsgründen gegenüber Eiswürfeln bevorzugt. Beide müssen jedoch sorgfältig in das Gehäuse eingebracht werden, um optische Fasern nicht zu beschädigen. Anschließend kann diese Anordnung in eine bestehende Konfiguration integriert werden, die in der Lage ist, einen Mikroresonator mit Flüstergaleriemoden zu untersuchen.

Zunächst sicherstellen, dass die Ausgabe des Proben-Blazers am ersten dreifachen DB-Richtungskoppler ankommt, um den Laser mit einem linearen 100-Hz-1-Volt-Spitze-zu-Spitze-Rampensignal zu versorgen. Die Ausgabe des balancierten Photodetektors sollte dann sinusförmig werden. Als nächster Schritt ist der Polarisationsregler entsprechend einzustellen, um die Spitzen-Spitze-Spannung der sinusförmigen Wellenform zu optimieren.

Um den Laser für kontinuierliche Wellenausgabe einzustellen, schalten Sie den Funktionsgenerator in den DC-Modus und justieren Sie ihn so, dass das vorherige Signal um Null schwankt. Durch die Überwachung des Signals mit einem elektrischen Spektrumanalysator kann schließlich der freie Spektralbereich bestimmt werden. Dies lässt sich erreichen, indem der Frequenzabstand zwischen dem Maximum bei Nullfrequenz und der ersten Nullstelle ermittelt wird.

Befestigen Sie den Fasergeber am motorisierten Translationsstadium. Nachdem Sie FC A PC-Stecker an einem Ende von zwei optischen Fasern angebracht haben, entfernen Sie die Pufferbeschichtung von den freiliegenden Enden mit einem Faserabmantler. Reinigen Sie diese mit Aceton, gefolgt von Isopropanol.

Danach schleifen Sie die Endflächen. Stellen Sie sicher, dass Sie die überschüssige Faser sicher entsorgen. Der nächste Schritt ist die Diffusion.

Verbinden Sie diese Fasern miteinander. Befestigen Sie nach dem Spleißen die rechten und linken Ränder des neuen Fasersegments an einem Faserhalter, sodass es in der Nähe einer Wasserstoffgasauslassöffnung liegt und durch ein Objektiv eines optischen Mikroskops sichtbar ist. Wenn Wasserstoffgas freigesetzt wird, stabilisiert sich der Kanaldruck und die Durchflussrate beträgt 110 Milliliter pro Minute.

Zünden Sie den Wasserstoff, während Sie die optische Transmission überwachen, indem Sie das Signal des Fotodetektors linear auf einem Oszilloskop betrachten. Ziehen Sie die Faser mithilfe einer benutzerdefinierten Software für den Laborgebrauch. Sie sollten bemerken, dass der Faserdurchmesser allmählich abnimmt und die transmittierte Intensität aufgrund von Multimoden-Interferenz zu oszillieren beginnen sollte.

Sobald die transmittierte Intensität nicht mehr variiert, stoppen Sie das Ziehen der Faser. Dies markiert den Punkt, an dem der Taper dünn genug ist, um einen einzelnen Mantelmodus zu unterstützen. Lösen Sie die Faserhalterung von der Translationsstufe und befestigen Sie sie in der Nähe der PAs und der elektrischen Stufe, die Ihren Mikroresonator tragen wird.

Während dieses Teils des Verfahrens muss eine Reinraumkluft getragen werden, um die Proben vor Kontamination durch Fremdpartikel zu schützen. Dazu gehören Schuhüberzüge, eine Gesichtsmaske, Schutzbrille, ein Haarnetz und ein Paar Latexhandschuhe. Nachdem Sie Ihren Arbeitsplatz eingerichtet haben, holen Sie die mikrosphärischen, monodispersen Holschlieren-Partikel mit einem Radius von 50 Nanometern, die bei Nichtgebrauch bei vier Grad Celsius gelagert worden sein sollten.

Nachdem eine 10 Pikomolar-Lösung von Mikrokugeln in ECCOs phosphatgepufferter Kochsalzlösung oder DPBS hergestellt wurde, stellen Sie mit einer Mikropipette eine reine DPBS-Lösung in einem Ein-Milliliter-Zentrifugenröhrchen her. Füllen Sie anschließend 900 Mikroliter DPBS in zwei weitere Röhrchen. Beachten Sie, dass für unterschiedliche Mischungen separate Pipettenspitzen verwendet werden sollten.

Um die verdünnten Lösungen mit einer Konzentration von einem Pikomolar und 100 Femtomolar an Mikrokugeln in DPBS herzustellen, entnehmen Sie 100 Mikroliter aus Ihrer ursprünglichen 10-Pikomolar-Lösung und geben diese in eines der Röhrchen, das 900 Mikroliter DPBS enthält. Vortexen Sie kurz und mischen Sie den Inhalt, entnehmen Sie anschließend 100 Mikroliter aus der ein-Pikomolar-Lösung und wiederholen Sie den vorherigen Schritt für die verbleibenden beiden Röhrchen. Danach öffnen Sie die Deckel der Zentrifuge.

Stellen Sie die Lösungen darin so ein, dass die Positionen aus Gründen der Balance versetzt sind. Schließen Sie die Deckel und starten Sie einen 30-minütigen Schleudervorgang. Nach Beendigung öffnen Sie die Deckel und nehmen die Lösungen vorsichtig heraus. Sichern Sie die Röhrchen in einer Trockenkammer.

Lösen Sie die Verschlüsse leicht und evakuieren Sie die Kammer, um die Gemische zu entgasen. Tauchen Sie das Exsikkator teilweise in das Bad eines Ultraschallgeräts ein und beschießen Sie die Lösungen 30 Minuten lang mit Ultraschallwellen. Danach entfernen Sie die Kammer aus dem Bad, öffnen Sie die Kammer, füllen Sie sie mit Luft auf und sammeln Sie die Lösungen ein.

Denken Sie daran, die Verschlusskappen der Zentrifugenröhrchen fest zuzuschrauben. Die nächsten Schritte konzentrieren sich auf den Aufbau eines Flüssigkeitszufuhrsystems. Sobald ein Stativ gebaut wurde, schneiden Sie ein Segment eines mikrofluidischen Schlauchs ab, das etwas länger als ein Fuß ist.

Befestigen Sie eine Spritzenkanüle an einem Ende und verbinden Sie sie mit dem Luer-Lock-Anschluss einer Kolbenpumpeneinheit. Schrauben Sie anschließend zwei Spritzenkanülen an beiden Enden eines Feral. Stecken Sie eine dieser Spritzenkanülen auf das freiliegende Ende des mikrofluidischen Schlauchs und befestigen Sie ihn an der Stativhalterung.

Das mikrofluidische System direkt hinter der Probe muss Verschüttungen minimieren. Stellen Sie das vertikale Mikroskopobjektiv neu fokussieren, um ein scharfes Bild des Faserverjüngers zu erhalten. Wiederholen Sie dies für das horizontale Mikroskopobjektiv.

Sie können Ihre Probe anschließend auf dem Nano-Positionierer befestigen und sie in Richtung des Zentrums des Fasertapers verschieben. In diesem Fall wird eine Silica-Mikrokugel verwendet. Danach scannen Sie die Laserwellenlänge, um eine geeignete Resonanzdip auf dem Oszilloskop zu erhalten.

Nachdem Sie den Gütefaktor des Mikroresonators bewertet haben, bewegen Sie vorsichtig dessen Fasertaper von der Struktur weg. Wenn sich der Fasertaper nahe genug am Mikroresonator befindet, führen van-der-Waals-Kräfte zu einer Anziehung, sodass beide in Kontakt miteinander gelangen. Dies führt wahrscheinlich zu einer Überkopplung, die korrigiert werden kann, indem die Strukturen erneut voneinander getrennt werden. Befüllen Sie anschließend eine Pastettenpipette mit Wasser und geben Sie Tropfen hinter den Mikroresonator, sodass dessen umgebendes dielektrisches Medium aus dieser Flüssigkeit besteht.

Sie können nun Lösungen zur Probe durchleiten. Nachdem das Referenz-Interferometriesystem eingerichtet ist, konfigurieren Sie die Trigger-Einstellungen des Oszilloskops und führen eine selbst entwickelte Software zum Erfassen von Signalverläufen aus. Anschließend können Sie Resonanzkurven für die Pufferlösung aufnehmen, die allenfalls eine Frequenzspaltung zeigen sollte. Nehmen Sie danach Resonanzkurven für die Nanopartikellösungen in aufsteigender Reihenfolge der Konzentration auf.

Hier sollten durchschnittliche und aufgeteilte Frequenzverschiebungen zu beobachten sein, die Bindungsereignissen entsprechen. Die Spurdaten können mithilfe von MATLAB-Skripten verarbeitet werden, und in diesem speziellen Beispiel lässt sich der Gütefaktor ermitteln, indem die Resonanzstruktur im oberen Teil-Diagramm mit dem Interferometersignal verglichen wird. Im unteren Teil-Diagramm liegt der Gütefaktor dieses speziellen Durchlaufs bei etwa 200 Millionen für die Eintauchung in die Pufferlösung.

Außerdem können Spektrogramme vor der Kalibrierung, Spektrogramme nach der Kalibrierung sowie Rauschboden-Wellenformen generiert werden, nachdem die Referenz-Informanten durch dieses Verfahren erstellt wurden. Inzwischen sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie diese Vielzahl an integrierter Unterstützung funktioniert und wie sie in Ihr eigenes System eingebunden werden kann. Außerdem sollten Sie gut verstehen, wie man Selbstreferenz-Nachweise mithilfe von Whispering-Gallery-Mode-Kavitäten durchführt.