Implementacja interferometru referencyjnego do nanodetekcji

Summary

Referencyjna technika interferometryczna, która ma na celu usuwanie niepożądanych zakłóceń laserowych dla nanodetekcji, jest wykorzystywana do sondowania mikrownęk czynnikowych o ultra wysokiej jakości. Instrukcje dotyczące montażu, konfiguracji i pozyskiwania danych są dostarczane wraz z procesem pomiaru w celu określenia współczynnika jakości gniazda.

Abstract

Termicznie i mechanicznie stabilizowany interferometr światłowodowy odpowiedni do badania mikrownęk czynnikowych o ultrawysokiej jakości jest zaprojektowany. Po ocenie jego swobodnego zakresu spektralnego (FSR), moduł jest umieszczany równolegle z systemem stożkowo-mikrownękowym światłowodu, a następnie kalibrowany poprzez izolację i eliminację losowych przesunięć częstotliwości lasera (tj. szumu jittera lasera). Aby zrealizować złącze stożkowo-mikrownękowe i zmaksymalizować moc optyczną przenoszoną do rezonatora, ciągnięty jest jednomodowy falowód światłowodowy. Roztwory zawierające nanokulki polistyrenowe są następnie przygotowywane i przesyłane do mikrownęki w celu zademonstrowania zdolności systemu do wykrywania wiązania z powierzchnią mikrownęki. Dane są przetwarzane za pomocą adaptacyjnego dopasowania krzywej, co pozwala na pomiary współczynnika jakości w wysokiej rozdzielczości, a także na wykreślanie parametrów zależnych od czasu, takich jak długość fali rezonansowej i przesunięcia częstotliwości podziału. Poprzez dokładne sprawdzenie etapów odpowiedzi w dziedzinie czasu i przesunięcia w odpowiedzi w dziedzinie częstotliwości, instrument ten może określić ilościowo dyskretne zdarzenia wiązania.

Introduction

Zainteresowanie badaniami znacznie wzrosło w związku z wykorzystaniem mikrownęk w trybie galerii szeptów (WGM) do celów nanodetekcji i biodetekcji^1-8. Obejmuje to wnęki optyczne o bardzo wysokiej jakości współczynniku (Q), które są biegłe w identyfikacji maleńkich cząstek biologicznych, aż do poziomu^{pojedynczego białka 2}. Oznacza to, że monitorowanie zmian rezonansu i rozdzielonej częstotliwości dla transmisji z niezwykłą czułością^9-11 może być możliwe dzięki uwięzieniu energii świetlnej we wnęce w małej objętości modu. Różnice we właściwościach optycznych rezonatora są przyczyną tych przesunięć, które z kolei wynikają z wiązania dyskretnych cząsteczek lub nanocząstek. Mniej wyrafinowanym przykładem trójwymiarowej struktury WGM do takich zastosowań jest mikrosfera krzemionkowa, którą można wytworzyć z prawie atomowo gładką powierzchnią, po prostu ablując ciągniony światłowód za pomocą lasera CO₂ . Jak wiadomo, wysokie współczynniki Q rzędu 10⁹ można osiągnąć¹.

Częstotliwość rezonansowa mikrownęki jest tradycyjnie monitorowana poprzez skanowanie częstotliwości optycznej przestrajalnego źródła laserowego, przy jednoczesnym wykrywaniu fotodetekcji transmisji optycznej, która jest rejestrowana na oscyloskopie. Nieodłączną wadą tej techniki jest niepewność związana z lokalizacją spadków transmisji, które powstają w wyniku wahań długości fali lasera lub fluktuacji lasera. Aby przezwyciężyć tę komplikację, można użyć interferometru wraz z mikrownęką w celu wytworzenia sygnału referencyjnego w celu zniesienia fluktuacji lasera i zwiększenia obserwowanej czułości². Światło wejściowe jest dzielone na dwie ścieżki optyczne: wiązkę referencyjną, która przechodzi przez interferometr (o swobodnym zakresie spektralnym lub FSR wystarczająco dużym, aby zapobiec drganiom lasera poza jeden odstęp częstotliwości FSR podczas pomiaru) oraz wiązkę detekcyjną, która oddziałuje z mikrorezonatorem WGM. Ta funkcja usprawnia eksperymenty w porównaniu z bardziej zaawansowanymi konfiguracjami, takimi jak detekcja WGM polegająca na połączeniu lasera z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym (DFB) i okresowo spolaryzowanego niobianu litu (PPLN) podwajacza¹². W niniejszej publikacji opisano technikę interferometryczną służącą do ultrawysokiej jakości monitorowania materii w nanoskali w oparciu o mikrownęki^{czynnikowe 3}. Przedstawiono procedury konfiguracji i pozyskiwania danych, które są wymagane do osiągnięcia tego celu, ilustrując, w jaki sposób można określić współczynnik jakości wnęki za pomocą interferometrii referencyjnej.

Protocol

1. Budowa interferometru referencyjnego i pomiar FSR

1. budowa
   1. Stwórz akrylowe pudełko z otwartym wierzchem. Ta konstrukcja powinna być wystarczająco duża, aby zmieścić się w pudełku styropianowym o wymiarach 16 cali x 16 cali.
   2. Zbuduj 3-stopniowy regał do przechowywania elementów optycznych, które będą umieszczone w otwartym pudełku akrylowym i będą całkowicie zamknięte w styropianowym pudełku w celu izolacji termicznej. W skrzynce styropianowej muszą znajdować się dwa podwyższone otwory, aby umożliwić włóknom wchodzenie i wychodzenie z całej obudowy.
   3. Na 3 stopniu: Jedno włókno wyjściowe ze sprzęgacza kierunkowego 3 dB powinno być zaciśnięte do regulatora polaryzacji, który z kolei prowadzi do portu wejściowego oddzielnego łącznika kierunkowego 3 dB.
   4. Na 2. stopniu: Utwórz pętlę z około 16 stóp światłowodu pochodzącego z drugiego portu wyjściowego pierwszego łącznika kierunkowego 3 dB. Skieruj to włókno do pozostałego portu wejściowego drugiego łącznika kierunkowego 3 dB na 3 stopniu.
   5. Napełnij akrylowe pudełko 50% ogolonym lodem zmieszanym z 50% ciekłą wodą, aby uzyskać kąpiel lodową i w konsekwencji utrzymać temperaturę elementów optycznych w pobliżu 0 °C.
2. Pomiar FSR
   1. Ustaw laser sondy na żądaną długość fali. Zastosuj generator funkcyjny tak, aby jego wyjście było podłączone do rozdzielacza mocy 3 dB. Jedno z wyjść z rozgałęźnika 3 dB musi być podłączone do oscyloskopu w celu monitorowania, a drugie wyjście ma być używane do bezpośredniego dostrojenia częstotliwości lasera.
   2. Zasil wyjście lasera jako wejście do łącznika kierunkowego 1^st 3 dB.
   3. Dwa wyjścia sprzęgacza kierunkowego 2ⁱ 3 dB służą do przesyłania sygnałów fotomiksowanych do zbalansowanego fotodetektora (BPD). Na koniec podłącz wyjściowy BPD do wejścia kanału oscyloskopu.
   4. Liniowo skanuj częstotliwość lasera, zasilając moduł laserowy sygnałem rampowym generowanym z generatora przebiegów (o napięciu międzyszczytowym 1 V i częstotliwości skanowania 100 Hz). Sygnał wyjściowy z BPD stanie się sinusoidalny na oscyloskopie.
   5. Dostrój kontroler polaryzacji tak, aby zmaksymalizować napięcie międzyszczytowe przebiegu sinusoidalnego.
   6. Aby zmierzyć FSR, skonfiguruj laser do ciągłego wyprowadzania fal, ustawiając generator przebiegów w trybie prądu stałego. Dostrój napięcie generatora przebiegów tak, aby przesyłany sygnał z BPD oscylował wokół 0 V (tj. punktu kwadraturowego). Sprawdź sygnał wyjściowy za pomocą elektrycznego analizatora widma. Monitorowany sygnał powinien wyglądać jak funkcja sinc-kwadrat, gdzie położenie pierwszego zera najbliżej globalnego maksimum (przy zerowej częstotliwości) odpowiada FSR. Aby zminimalizować szum pomiaru, ustaw elektryczny analizator widma w tryb uśredniania.

2. Ciągnięcie światłowodu¹³

Preambuła: Celem tej procedury jest przybliżone dopasowanie fazy fotonów przemieszczających się w stożku do faz mikrownęki, tak aby mogło dojść do efektywnego sprzężenia. Gdy światłowód jest ciągnięty, środkowa sekcja, która leży między dwoma zaciskami, przejdzie od podtrzymywania pojedynczego trybu w zwykłym włóknie, do wielu trybów w falowodzie utworzonym przez oryginalną okładzinę krzemionkową, która staje się rdzeniem, a powietrze staje się okładziną, a następnie do pojedynczego trybu. Krzemionkowy rdzeń światłowodu praktycznie zniknie w centralnej sekcji, w której chwilowo spełnione warunki propagacji wielomodowej będą przeciwdziałać ciągłemu zmniejszaniu się średnicy włókna.

1. Przymocuj uchwyt światłowodu do zmotoryzowanego etapu translacyjnego.
2. Połącz dwie sekcje światłowodu ze złączami FC / APC na jednym końcu każdej sekcji. Usuń powłokę buforową z niepołączonych końców za pomocą środka do usuwania włókien, najpierw oczyść je acetonem, a następnie izopropanolem, rozetnij fasety końcowe i splaż je ze sobą.
3. Aby monitorować straty w stożku, podłącz laser sondujący w trybie stałej mocy do jednego końca światłowodu, podczas gdy drugi koniec światłowodu jest podłączony do fotodetektora (PD). Wyjście PD musi być podłączone do oscyloskopu. Dostosuj ustawienia oscyloskopu tak, aby mierzyć napięcie wyjściowe wyładowań niezupełnych, które jest proporcjonalne do przesyłanej mocy lasera.
4. Zapisz początkową wartość napięcia wyjściowego wyładowań niezupełnych i kontynuuj monitorowanie do kroku 2.9.
5. Zaciśnij światłowód do uchwytu światłowodu i zobrazuj włókno za pomocą mikroskopu optycznego.
6. Uwolnij wodór tak, aby zaczął płynąć w pobliżu stożka, czekając, aż powietrze opuści rurkę i ustabilizuje się ciśnienie w kanale. Gdy natężenie przepływu wodoru gazowego osiągnie 110 ml/min, zapal go w pobliżu wylotu zapalniczką, aby podgrzać włókno.
7. Korzystając z niestandardowego programu LabVIEW, liniowo pociągnij światłowód. Należy zauważyć, że podczas procesu ciągnięcia rdzeń włókna stopniowo zanika, podczas gdy wiele trybów okładziny staje się dominujących w prowadzeniu światła przez zwężającą się sekcję włókna. Natężenie przesyłane przez światłowód powinno oscylować z powodu zakłóceń wielomodowych.
8. Kontynuuj ciągnięcie światłowodu, aby zmniejszyć szerokość stożka włókna, aż będzie obsługiwało tylko jeden tryb okładziny. Gdy transmitowana intensywność przestanie się zmieniać, przestań ciągnąć światłowód.
9. Zwolnij uchwyt światłowodu ze stolika translacyjnego i zabezpiecz go w pobliżu stolika piezoelektrycznego.

3. Przygotowanie i dostarczenie rozwiązań

1. Przygotować roztwory 10 pM, 1 pM i 100 fM składające się z monodyspersyjnych mikrosfer polistyrenowych o promieniu 50 nm w buforowanej fosforanie soli fizjologicznej (DPBS) firmy Dulbecco. Dodatkowo stwórz czyste rozwiązanie DPBS.
2. Umieść roztwory w wirówce, rozłożyj ich pozycje w niej w celu zrównoważenia i rozpocznij 30-minutowy cykl wirowania.
3. Po zakończeniu bezpiecznie umieść roztwory w eksykatorze, opróżnij go i bombarduj roztwory falami ultradźwiękowymi przez 30 minut.
4. Usuń roztwory i odłóż je na bok w pobliżu miejsca eksperymentu.
5. Zbuduj stanowisko dla małego systemu dostarczania płynów.
   1. Po oczyszczeniu dwóch tulejek włóż końcówki strzykawki na oba końce segmentu mikrotubuli i przykręć końcówki strzykawki do końcówek strzykawki. Indywidualnie podłącz jedną z tulejek do trzeciej końcówki strzykawki, a drugą do złączki Luer lock zespołu lufa-tłok.
   2. Przymocować odsłoniętą końcówkę strzykawki do stojaka i oprzeć ją za próbką. Płyny powinny mieć możliwość spływania na próbkę bez znacznego rozlania.
6. Zgodnie z sekcją 5 Protokołu, należy załadować lufę odpowiednim roztworem i ręcznie wstrzyknąć go przez układ mikroprzepływowy podczas eksperymentu.

4. Konfiguracja systemu i wzajemne połączenia

1. Podłącz laser sondy do łącznika kierunkowego 10 dB. Sprzężony port jest podłączony do portu wejściowego interferometru referencyjnego, podczas gdy przesyłany port jest podłączony do kontrolera polaryzacji, po którym następuje światłowód stożkowy.
2. Ponownie ustaw ostrość obiektywów mikroskopu, aby uzyskać dwa ostre obrazy stożka włókna.
3. Podłącz wyjście światłowodu stożkowego do PD. Wyjście tego PD powinno być podłączone do innego wejścia kanału oscyloskopu.
4. Zamontuj próbkę na nanopozycjonerze i dokonaj zgrubnych regulacji, aby przemieścić ją tak, aby znajdowała się bliżej środka stożka włókna.
5. Wstrzyknąć DPBS do próbki. Dokonaj zgrubnych regulacji tak, aby stożek światłowodu znalazł się w polu widzenia dwóch kamer CCD. Wyreguluj nanopozycjoner, aby ustanowić sprzężenie od stożka włókna do mikrownęki.
6. Zeskanuj długość fali lasera, aby uzyskać odpowiedni spadek rezonansu na oscyloskopie.

5. Detekcja nanocząstek

Aby pozyskać dane: Skonfiguruj ustawienia wyzwalacza oscyloskopu i, korzystając z domowego oprogramowania, zbierz ślady oscyloskopu do dalszego przetwarzania.

1. Zapisz dane dla roztworu buforowego jako odniesienie.
2. Zapisać dane dla roztworów nanocząstek od najniższego do najwyższego stężenia.
3. Obserwuj przesunięcia częstotliwości, które zachodzą w wyniku wiązania nanocząstek w mikrownęce.

6. Przetwarzanie końcowe danych

Zebrane dane mogą być dalej przetwarzane przez samodzielnie napisany program MATLAB. Program powinien:

1. Odczytać ścieżki interferometru referencyjnego i przeprowadzić dopasowanie metodą najmniejszych kwadratów do krzywych sinusoidalnych. Fazy dopasowanej sinusoidy są wykorzystywane do oszacowania fluktuacji lasera w locie.
2. Odczytaj ścieżki transmisji wnęki i przeprowadź dopasowanie metodą najmniejszych kwadratów do podwójnej funkcji Lorentza. Częstotliwości optyczne odpowiadające spadkom rezonansu (ν₁, ν₂) i ich pełnym szerokościom przy połowie maksimum (FWHM, reprezentowane przez δν 1,δν₂) określa się poprzez porównanie sygnału transmisyjnego z sygnałem interferometru.
3. Uzyskaj współczynnik jakości każdego pojedynczego zanurzenia z Q_i = ν_i / δν_i, gdzie i może wynosić 1 (rezonans w lewo) lub 2 (rezonans w prawo).
4. Oblicz, jak to jest konwencjonalne, częstotliwości optyczne spadków rezonansu za pomocą napięcia skanowania laserowego, gdzie jitter lasera powoduje większy szum pomiaru.
5. Zebrać średnią częstotliwość rezonansową ν_śr. = (ν₁ + ν₂) / 2 i częstotliwość podziału Δν = ν₂ - ν₁ dla każdego pomiaru i wykreślić je w funkcji czasu. Gdy nanocząstka wiąże się z powierzchnią mikrownęki, należy zaobserwować nagłe zmiany zarówno średniej częstotliwości rezonansowej, jak i częstotliwości rozszczepienia.

Results

Po przestrzeganiu protokołu, ślady mogą być skompilowane i dopasowane. Rysunek 3a przedstawia typową strukturę rezonansową mikrosfery przedstawioną na filmie, dla której obserwuje się rozszczepienie częstotliwości w ośrodku DPBS. Dopasowanie najmniejszych kwadratów do podwójnej funkcji Lorentza wskazuje, że współczynnik jakości spadków rezonansu lewego i prawego wynosi odpowiednio 2,1 x 10⁸ i 3,8 x 10⁸ w środowisku wodnym. Częstotliwości optyczne FWHM uzyskuje się przez porównanie w...

Discussion

Ta obecna konfiguracja jest w stanie sondować różne mikrownęki WGM, takie jak dyskietki, mikrosfery i mikrotoroidy, bez konieczności jakiejkolwiek kontroli sprzężenia zwrotnego dla źródła laserowego sondy. Znaczny stosunek sygnału do szumu (SNR) do detekcji można uzyskać dzięki ulepszeniom przesunięcia skokowego zapewnianym przez długość ścieżki i efekty rozpraszania wstecznego wywołane przez cząstki. Biorąc pod uwagę prostotę i niski koszt samego interferometru referencyjnego, metoda ta jest skuteczną techniką badania l...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Polistyren  Mikrosfery	PolyScience
Dulbecco' s Sól fizjologiczna buforowana fosforanami (DPBS)	Life Technologies	14190
Piezoelektryczny system nanopozycyjny	Physik Instrumente	P-611.3S
Zrównoważony fotodetektor	Thorlabs	PDB120A
Fotodetektor	Newport	1801-FC
3 dB Światłowodowy łącznik kierunkowy	Thorlabs	FC632-50B
10 Światłowodowy łącznik kierunkowy dB	Thorlabs	FC632-90B
Kontroler polaryzacji wpuszczanej	Photonics	PLC-003-S-25
Generator funkcyjny	Hewlett-Packard	33120A
Fusion Splicer	Ericsson	FSU-925
Szybki oscyloskop		Agilent
z kontrolerem	Thorlabs	MTS25-Z8E
Światłowód jednomodowy, 600-800 nm i Oslash; 125 μ m Okładzina	Thorlabs	SM600
Analizator widma elektrycznego w czasie rzeczywistym	Tektronix	RSA3408B
Optyczny analizator widma	Agilent	70951A
632,5 i ndash; 637 nm Przestrajalny laser	New Focus	TLB-6304
Pompa filtracyjna	KNF
Myjka ultradźwiękowa	Crest Ultrasonics	Powersonic 1100D
Mini Vortexer	VWR	VM-3000
Wirówka	Beckman Coulter	Microfuge 22R