Nanodetection에 대한 참조 간섭계의 구현

이 절차의 전반적인 목표는 whispering gallery mode 센싱을 사용하여 초고품질 계수(ultra high quality factor)를 통해 수십 나노미터 직경의 입자를 검출하는 기준 간섭계를 제작하는 것입니다. Whispering gallery mode 마이크로 공동(micro cavity) 내에서 공명 광자는 수십만 번 순환하게 됩니다. 이로 인해 입자가 마이크로 공동에 안착하면 광학적 특성이 눈에 띄게 변화하게 됩니다.

후방 산란이 충분히 강하고 공동 손실이 충분히 낮으면, 실험적으로 파라 분할 모드(para split modes)가 나타납니다. 이는 주파수 분할 효과를 일으키며 입자 흡수가 발생하게 됩니다. 이후 주파수 이동이 일어나게 됩니다.

스캐닝 전압을 통해 캐비티의 공진 주파수를 추적하는 기존 시스템과 비교했을 때, 본 참조 간섭계 기술의 주요 장점은 레이저 노이즈를 억제할 수 있어 신호를 전반적으로 증폭시킬 수 있다는 점입니다. 또한, 이 방법은 구성이 간편하고 비용 효율적이며, 광범위한 영역의 모터 캡티브 특성을 연구하거나 활용하는 것뿐만 아니라 인플루엔자 바이러스와 같은 단일 분자를 검출하는 데 특히 적합합니다. 참조 간섭계 조립을 시작하려면 600에서 800 nm의 단일 모드 광섬유를 3 dB 방향성 결합기 입력단으로 연결하십시오.

이 커플러의 출력 광섬유 중 하나는 광 지연을 추가하기 위해 16피트 길이의 연속된 루프 형태를 갖추어야 합니다. 나머지 출력 광섬유는 이후 광 전송을 조정하는 데 사용될 편광 컨트롤러에 고정해야 합니다. 이 광섬유들을 두 번째 3 dB 방향성 커플러의 입력 포트에 연결하면, 광 혼합된 출력 신호가 평형 광검출기의 입력으로 사용됩니다.

이 광학 부품 네트워크는 3단 선반 장치에 배치할 수 있으며, 해당 장치는 50%의 얼음과 50%의 액체 상태의 물로 채워지는 스티로폼 상자에 둘러싸인 아크릴 수조 내에 위치합니다. 안정성을 위해 각얼음보다는 갈아 만든 얼음을 사용하는 것이 좋습니다. 다만, 광섬유가 손상되지 않도록 두 가지 모두 외함 내에 조심스럽게 배치해야 합니다. 이렇게 하면 위스퍼링 갤러리 모드(whispering gallery mode) 마이크로 공동을 조사할 수 있는 기존 구성에 이를 통합하는 것이 가능합니다.

먼저, 프로브 블레이저 출력이 초기 3 dB 방향성 결합기에 입력되도록 확인하고, 레이저 피드를 선형적으로 스캔하기 위해 100 Hz, 1 V peak-to-peak 램프 신호를 인가합니다. 그러면 밸런스 광검출기의 출력이 사인파 형태가 되어야 합니다. 다음 단계로, 사인파 파형의 peak-to-peak 전압을 최적화할 수 있도록 편광 컨트롤러를 적절하게 조정합니다.

레이저를 연속파(continuous wave) 출력으로 설정하려면, 파형 발생기를 DC 모드로 설정하고 이전 신호가 0을 중심으로 변동하도록 조정하십시오. 전기 스펙트럼 분석기로 신호를 모니터링하여 최종적으로 자유 스펙트럼 범위(free spectral range)를 결정할 수 있습니다. 이는 0 주파수에서의 최댓값과 첫 번째 널(null) 사이의 주파수 간격을 찾아냄으로써 수행할 수 있습니다.

섬유 홀더를 전동 트랜슬레이션 스테이지에 고정합니다. 두 개의 광섬유 한쪽 끝에 FC A PC 커넥터를 연결한 후, 파이버 스트리퍼를 사용하여 노출된 끝부분의 버퍼 코팅을 제거합니다. 이를 아세톤으로 세척한 다음 이소프로판올로 세척합니다.

그런 다음 끝면을 절단하십시오. 남은 광섬유는 안전하게 폐기해야 합니다. 다음 단계는 확산입니다.

이 파이버들을 서로 융착합니다. 융착 후, 새로운 파이버 세그먼트의 좌우 경계를 파이버 홀더에 고정하여 수소 가스 배출구 근처에 위치시키고 광학 현미경 대물렌즈를 통해 관찰할 수 있도록 합니다. 수소 가스가 배출되면 채널 압력이 안정화되고 유량은 110 milliliters per minute가 됩니다.

오실로스코프에서 광검출기 신호를 선형적으로 관찰하여 광 투과율을 모니터링하면서 수소를 점화합니다. 맞춤형 실험실 소프트웨어를 사용하여 파이버를 당깁니다. 파이버 너비가 점차 감소하며, 다중 모드 간섭으로 인해 투과 강도가 진동하기 시작하는 것을 확인할 수 있습니다.

투과 강도의 변화가 멈추면 파이버 당기기를 중단하십시오. 이는 테이퍼가 단일 클래딩 모드를 지원할 수 있을 만큼 충분히 가늘어진 지점을 나타냅니다. 이동 스테이지에서 파이버 홀더를 분리하고, 마이크로 공동을 지지할 PA 및 전기 스테이지 근처에 고정하십시오.

이 절차 단계에서는 외부 입자로 인한 시료 오염을 방지하기 위해 클린룸 슈트를 반드시 착용해야 합니다. 여기에는 신발 커버, 안면 마스크, 보호 안경, 헤어넷, 라텍스 장갑 한 쌍이 포함됩니다. 작업대를 준비한 후, 사용하지 않을 때 4 °C에서 보관해 두었어야 할 반경 50 nanometer의 단분산 중공 성형 마이크로구체를 가져오십시오.

ECCOs 인산염 완충 식염수(phosphate buffered saline) 또는 DPBS에 마이크로스피어 10 picomolar 용액을 준비한 후, 마이크로피펫을 사용하여 1밀리리터 원심분리 튜브에 순수 DPBS 용액을 만듭니다. 다음으로, 다른 두 개의 튜브에 900 microliters의 DPBS를 주입합니다. 서로 다른 혼합물에는 각각 별도의 피펫 팁을 사용해야 함에 유의하십시오.

DPBS 내 마이크로스피어의 1 pM 및 100 fM 희석 용액을 준비하려면, 원래의 10 pM 용액에서 100 µL를 취하여 900 µL의 DPBS가 들어 있는 튜브 중 하나에 분주합니다. 짧게 볼텍싱하여 내용물을 혼합한 다음, 1 pM 용액에서 100 µL를 취해 나머지 두 튜브에 대해서도 이전 단계를 반복합니다. 그 후, 원심분리기의 뚜껑을 엽니다.

균형을 맞추기 위해 위치를 엇갈리게 배치하여 용액들을 넣습니다. 뚜껑을 닫고 30분 동안 원심분리 사이클을 시작합니다. 완료되면 뚜껑을 열고 용액들을 조심스럽게 꺼냅니다. 튜브들을 데시케이터 챔버 안에 보관합니다.

캡을 살짝 푼 다음, 혼합물의 가스를 제거하기 위해 챔버를 진공 상태로 만들고, 데시케이터를 초음파 세척조에 부분적으로 담가 30분 동안 초음파를 가합니다. 그 후, 세척조에서 챔버를 꺼냅니다. 챔버를 완전히 꺼내어 공기로 다시 채운 후 용액을 수거합니다.

원심분리관의 캡을 돌려 닫았는지 확인하십시오. 다음 단계에서는 유체 공급 시스템 구축에 집중합니다. 스탠드 제작이 완료되면, 1피트보다 약간 더 긴 길이로 미세유체 튜브의 분절을 자릅니다.

주사기 팁을 한쪽 끝에 삽입하고 이를 배럴 플런저 어셈블리의 루어 록 피팅에 연결합니다. 그런 다음 페룰의 양쪽 끝에 두 개의 주사기 팁을 나사로 고정합니다. 이 주사기 팁 중 하나를 미세유체 관의 노출된 끝부분에 삽입하고 스탠드 지지대에 고정합니다.

시료 바로 뒤에 위치한 미세유체 시스템은 누출을 최소화해야 합니다. 파이버 테이퍼의 선명한 이미지를 얻기 위해 수직 현미경 대물렌즈의 초점을 다시 맞추십시오. 수평 현미경 대물렌즈에 대해서도 동일한 과정을 반복하십시오.

그런 다음 샘플을 나노 포지셔너에 장착하고 파이버 테이퍼의 중심 방향으로 이동시킵니다. 본 실험에서는 silica microsphere가 사용되었습니다. 다음으로, 오실로스코프에서 적절한 공진 딥(resonance dip)이 나타나도록 레이저 파장을 스캔합니다.

마이크로 공동(micro cavity)의 품질 계수를 평가한 후, 파이버 테이퍼(fiber taper)를 구조물에서 조심스럽게 멀리 이동시킵니다. 파이버 테이퍼가 마이크로 공동에 충분히 가까우면, 반데르발스 힘(Vander Wall's forces)으로 인해 두 구조물이 서로 끌어당겨 접촉하게 됩니다. 이로 인해 오버 커플링(over coupling)이 발생할 가능성이 높으며, 이는 두 구조물을 분리하여 교정할 수 있습니다. 다시 한번 파스퇴르 피펫에 물을 채우고 마이크로 공동 뒤쪽에 방울을 떨어뜨려, 주변 유전 매질이 해당 액체가 되도록 합니다.

이제 샘플에 용액을 흘려줄 준비가 되었습니다. 기준 간섭계 시스템 설정이 완료되었으므로, 오실로스코프 트리거 설정을 구성하고 자체 제작 소프트웨어를 실행하여 트레이스를 수집하십시오. 그런 다음 버퍼 용액에 대한 공명 곡선을 획득하며, 이는 최대 주파수 분할(frequency splitting)까지만 나타나야 합니다. 이어서 가장 낮은 농도부터 가장 높은 농도 순으로 나노입자 용액의 공명 곡선을 기록하십시오.

여기에서는 결합 이벤트에 상응하는 평균 및 분할 주파수 이동이 나타나야 합니다. 트레이스 데이터는 MATLAB 스크립트를 사용하여 처리할 수 있으며, 이 특정 예시의 경우 상단 서브 플롯의 공진 구조를 간섭계 신호와 비교하여 품질 계수(quality factor)를 구할 수 있습니다. 하단 서브 플롯에서, 버퍼 용액에 침전시켰을 때 이 특정 실험 런의 품질 계수는 약 200 million입니다.

또한, 이 절차를 통해 기준 정보를 구축한 후에는 보정 전 스펙트로그램, 보정 후 스펙트로그램 및 노이즈 플로어 파형을 생성할 수 있습니다. 이제까지의 과정을 통해 다양한 상주 보조 장치의 작동 방식과 이를 귀하의 시스템에 결합하는 방법을 충분히 이해하셨을 것입니다. 아울러, 위스퍼링 갤러리 모드 공동을 통해 자기 참조 검출을 수행하는 방법에 대해서도 충분한 이해를 얻으셨을 것입니다.