יישום של אינטרפרומטר הפניה לNanodetection

המטרה הכללית של פרוצדורה זו היא ליצור אינטרפרומטר ייחוס המשתמש בחשישה במוד Whispering Gallery כדי לזהות חלקיקים בעלי קטרים בסדר גודל של עשרות ננומטרים עבור מקדם איכות גבוה במיוחד. במוד Whispering gallery, פוטונים של תהודה ומסגרת מיקרוסקופית (micro cavity) מסחררים בתוכה מאות אלפי פעמים. דבר זה יגרום לשינוי ניכר בתכונות האופטיות כאשר חלקיק נוחת על ה-micro cavity.

אם הפיזור לאחור חזק מספיק וההפסד בחלל נמוך מספיק, מופיעים ניסוייתית מצבי פיצול פארה (para split modes). דבר זה יגרום לאפקט של פיצול תדרים, וספיגת חלקיקים תתרחש. לאחר מכן תתרחש הסטת תדר.

היתרון המרכזי של טכניקתה שלהיספרומטר ייחוס זו על פני המערכות הקיימות, כגון אלה העוקבות אחר תדר התהודה של חלל באמצעות בחינת מתח הסריקה, הוא היכולת לדכא את רעש הלייזר ובכך להגביר את האות בסדר גודל שלם. בנוסף לכך שהיא קלה להקמה וכלכלית, שיטה זו מתאימה במיוחד לחקר או לניצול תכונותיהם של מגוון רחב של חללי קישור אופטיים ולגילוי רגיש של מולקולות בודדות, כגון נגיף השפעת. כדי להתחיל בהרכבת אינטרפרומטר הייחוס, כוון סיב אופטי במצב יחיד של 600 עד 800 nanometer לעבר הכניסה של מצמד כיווני של 3 dB.

אחד מסיבי המוצא של מצמד זה צריך להיווצר כסדרה של לולאות באורך של 16 foot כדי להוסיף השהיה אופטית. את סיב המוצא הנותר יש לקבע לבקר קיטוב, שישמש מאוחר יותר לכוונון התמסירות האופטית. לאחר חיבור סיבים אלה לפורטי הכניסה של מצמד כיווני שני בעוצמה של שלושה DB, אותות המוצא שעברו ערבוב פוטואלקטרי ישמשו ככניסות עבור גלאי פוטו מאוזן.

ניתן להניח רשת זו של רכיבים אופטיים על יחידת מדפים בעלת שלושה שלבים, המונחת בתוך אגן אקרילי העטוף בקופסת פוליסטירן הממולאת ב-50% קרח המעורבב עם 50% מים נוזליים; קרח גלוד עדיף על פני קוביית קרח לצורכי יציבות. עם זאת, יש להניח את שניהם בזהירות בתוך המארז כדי למנוע פגיעה בסיבים אופטיים. לאחר מכן, ניתן לשלב מערך זה בתוך תצורה קיימת המסוגלת לבחון מיקרו-חלל במצב גלריה לוחשת (whispering gallery mode).

ראשית, ודאו כי פלט ה-probe blazer מתקבל במחלק הכיוון (directional coupler) הראשוני בעל 3 dB כדי לסרוק באופן ליניארי את הזנת הלייזר באמצעות אות שיפוע (ramp signal) של 100 herz במתח של 1 volt peak to peak. פלט הגלאי הפוטואלקטרי המאוזן (balance photo detector) אמור להפוך לאחר מכן לסינוסואידלי. השלב הבא הוא כיוונון מתאים של בקר הקיטוב (polarization controller) כדי למקסם את מתח השיא של גל הסינוס.

כדי להגדיר את הלייזר לפלט של גל רציף, הגדירו את מחולל גלי הנושאי למצב DC וכוונו אותו כך שהאות הקודם יתנודד סביב אפס. באמצעות ניטור האות עם מנתח ספקטרום חשמלי, ניתן לבסוף לקבוע את הטווח הספקטרלי החופשי. ניתן לבצע זאת על ידי מציאת הפרש התדרים בין המקסימום בתדר אפס לבין נקודת האפס הראשונה.

חבּר את מחזיק הסיב לבמה התרגומית הממונעת. לאחר הוספת מחברי FC A PC לקצה אחד של שני סיבים אופטיים, הסר את ציפוי הבאפר מהקצוות החשופים באמצעות מקלף סיבים. נקה אותם באצטון ולאחר מכן באיזופרופנול.

לאחר מכן, השב את קצות הסיב. ודא כי הסיב העודף נשלח לסילוק בטוח. השלב הבא הוא דיפוזיה.

חברו סיבים אלה יחד. לאחר החיבור, הצמידו את הגבולות הימני והשמאלי של מקטע הסיב החדש למחזיק סיבים, כך שיהיה קרוב לפתח יציאת גז מימן וניתן יהיה לראותו דרך עדשת מיקרוסקופ אופטי. כאשר גז המימן משוחרר, לחץ התעלה מתייצב וקצב הזרימה הופך ל-110 milliliters per minute.

הדליקו את המימן תוך ניטור התמסירות האופטית על ידי צפייה באות הגלאי הפוטואופטי באוסצילוסקופ בצורה ליניאית. משכו את הסיב באמצעות תוכנה ייעודית לשימוש במעבדה. ניתן להבחין ברוחב הסיב שקטן בהדרגה, ובכך שעצמת התמסירות מתחילה להתנודד כתוצאה מהתאבכות רב-מסלולית (multimode interference).

ברגע שעוצמת האור המועברת מפסיקה להשתנות, הפסיקו למשוך את הסיב. נקודה זו מסמנת את השלב שבו ההיטרוניקה דקה מספיק כדי לתמוך באופן חפיסה (cladding mode) יחיד. שחררו את מחזיק הסיב מבמת ההזזה ואבטחו אותו בקרבת ה-PAs והבמה החשמלית שיתמכו במיקרו-חלל שלכם.

במהלך חלק זה של הפרוצדורה, יש ללבוש חליפת חדר נקי כדי למנוע זיהום של הדגימות בחלקיקים זרים. ציוד זה כולל כיסויי נעליים, מסכת פנים, משקפי מגן, רשת לשיער וזוג כפפות לטקס. לאחר הגדרת תחנת העבודה, הוצא את המיקרוספירות המונו-דיספרסיביות ברדיוס 50 nanometer, אשר היו אמורות להיות מאוחסנות בטמפרטורה של 4 °C כאשר אינן בשימוש.

לאחר שהוכנה תמיסה בריכוז 10 picomolar של מיקרוספירות ב-phosphate buffered saline של ECCOs או ב-DPBS, הכין תמיסת DPBS טהורה באבוב צנטריפוגה של מיליליטר אחד באמצעות מיקרופיפט. לאחר מכן, הזרק 900 microliters של DPBS לשני אבובים נוספים. זכור כי יש להשתמש בקצות פיפטה נפרדים עבור תערובות שונות.

כדי להכין את התמיסות המדוללות של מיקרוספירות בריכוז של 1 pico molar ו-100 femto molar ב-DPBS, הוצאו 100 µL מהתמיסה המקורית בריכוז 10 pico molar והעבירו אותם לאחד מהמבחנות המכילות 900 µL של DPBS. ערבבו קצרות במכשיר vortex, לאחר מכן הוציאו 100 µL מהתמיסה בריכוז one pico molar וחזרו על השלב הקודם עבור שתי המבחנות הנותרות. לאחר מכן, פתחו את מכסי הצנטריפוגה.

הניחו את התמיסות בתוכו, וודאו כי המיקומים מדורגים לצורך שמירה על איזון. סגרו את המכסים והפעילו מחזור סבוב של 30 דקות. עם הסיום, פתחו את המכסים והוציאו בזהירות את התמיסות. אחסנו את המבחנות בתוך תא ייבוש (desiccator).

שחררו מעט את הפקקים והוציאו את האוויר מהתא כדי לבצע ניתון (Degas) לתערובות, טבלו חלקית את התאים באמבט סוניקציה וחשפו את התמיסות לגלי אולטרה-סאונד למשך 30 דקות. לאחר מכן, הוציאו את התא מהאמבט. פתחו את הפקקים, מלאו את התא שוב באוויר ואספו את התמיסות.

זכרו להבריג את הפקקים של מבחנות הצנטריפוגה עד לסגירה מלאה. השלבים הבאים יתמקדו בבניית מערכת להולכת נוזלים. לאחר בניית המעמד, חתכו מקטע של צינור מיקרופלואידי שאורכו מעט יותר מ-one foot.

החלק קצה מזרק על קצה אחד וחבר אותו למחבר ה-Luer lock של מכלול בוכנת המזרק. לאחר מכן, הברג שני קצוות מזרק לשני קצותיו של מחבר (ferrule). הכנס את אחד מקצוות מזרק אלו לקצה החשוף של הצינור המיקרופלואידי וקבע אותו למעמד התמיכה.

המערכת המיקרופלואידית שנמצאת ישירות מאחורי הדגימה חייבת למזער נזילות. בצעו מיקוד מחדש של העדשה האובייקטיבית של המיקרוסקופ האנכי כדי להשיג תמונה חדה של סיב ה-taper. חזרו על פעולה זו עבור העדשה האובייקטיבית של המיקרוסקופ האופקי.

לאחר מכן ניתן להניח את הדגימה על הננו-ממצב ולהזיז אותה לעבר מרכז הסיב המצומצם (fiber taper). במקרה זה, נעשה שימוש במיקרו-ספירה של סיליקה. לאחר מכן, סרקו את אורך הגל של הלייזר כדי לקבל שקיעת תהודה מתאימה באוסצילוסקופ.

לאחר שהערכת את מקדם האיכות של המיקרו-חלל, הרחק בזהירות את הסיב המצומצם (fiber taper) מהמבנה. אם הסיב המצומצם קרוב מספיק למיקרו-חלל, כוחות ואן-דר-ואלס ימשכו אותם זה לזה עד שיבואו במגע. הדבר יגרום ככל הנראה לצימוד-יתר (over coupling), שניתן לתקנו על ידי הפרדה של המבנים. לאחר מכן, מלא שוב פיפטה פסטל במים והוסף טיפות מאחורי המיקרו-חלל, כך שהתווך הדיאלקטרי שסביבו יהיה נוזל זה.

כעת אתם מוכנים להזרים תמיסות אל הדגימה. לאחר שהמערכת האינטרפרומטרית של הייחוס הוגדרה, הגדירו את הגדרות הטריגר של האוסיליסקופ והפעילו את התוכנה הפנימית לאיסוף העקבות. לאחר מכן תוכלו להשיג עקומות תהודה עבור תמיסת הבאפר, שאמורה להראות לכל היותר פיצול תדרים, ולאחר מכן להקליט עקומות תהודה עבור תמיסות הננו-חלקיקים, מהריכוז הנמוך ביותר לגבוה ביותר.

כאן עליכם לצפות לראות הסטות תדר ממוצעות ומפוצלות התואמות לאירועי קישור. ניתן לעבד את נתוני העקבה בעזרת סקריפטים של MATLAB, ובדוגמה ספציפית זו, ניתן להפיק את מקדם האיכות על ידי השוואת מבנה התהודה בתת-תרשים העליון לאות האינטרפרומטר. בתת-תרשים התחתון, מקדם האיכות של הרצה ספציפית זו הוא כ-200 מיליון עבור טבילה בתמיסת הבאפר.

בנוסף, ניתן להפיק ספקטרוגרמות לפני כיול, ספקטרוגרמות לאחר כיול וצורות גל של רצפת הרעש לאחר בניית המודיעיני המפנים באמצעות הליך זה. בשלב זה, צריכה להיות לכם הבנה טובה לגבי אופן הפעולה של מגוון סוגי הסיוע המקומיים וכיצד לשלב אותם במערכת שלכם. יתרה מכך, צריכה להיות לכם הבנה טובה לגבי האופן שבו ניתן לבצע גילויים בעצם-הפניה באמצעות חללי מצב שגיאת הלחישה.