Name: Implementacja interferometru referencyjnego do nanodetekcji (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-04-26T14:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 11 s
Description: Poznaj metodę interferometrii referencyjnej z wykorzystaniem rezonansów Whispering Gallery do nanodetekcji cząstek. Technika ta minimalizuje szumy lasera i umożliwia precyzyjne pomiary mikrorezonatorów o ultra wysokiej dobroci.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy chcieliby podziękować Xuan Du za skonstruowanie diagramu koncepcyjnego na rysunku 1. Praca ta została sfinansowana z grantów kanadyjskiej Rady ds. Badań Przyrodniczych i Inżynieryjnych (NSERC).

1. Budowa interferometru referencyjnego i pomiar FSR
<ol>
	<li>budowa
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pomiar FSR
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Zasil wyjście lasera jako wejście do łącznika kierunkowego 1st 3 dB.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Dostrój kontroler polaryzacji tak, aby zmaksymalizować napięcie międzyszczytowe przebiegu sinusoidalnego.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
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.
<ol>
	<li>Przymocuj uchwyt światłowodu do zmotoryzowanego etapu translacyjnego.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Zapisz początkową wartość napięcia wyjściowego wyładowań niezupełnych i kontynuuj monitorowanie do kroku 2.9.</li>
	<li>Zaciśnij światłowód do uchwytu światłowodu i zobrazuj włókno za pomocą mikroskopu optycznego.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Kontynuuj ciągnięcie światłowodu, aby zmniejszyć szerokość stożka włókna, aż będzie obsługiwało tylko jeden tryb okładziny. Gdy transmitowana intensywność przestanie się zmieniać, przestań ciągnąć światłowód.</li>
	<li>Zwolnij uchwyt światłowodu ze stolika translacyjnego i zabezpiecz go w pobliżu stolika piezoelektrycznego.</li>
</ol>
3. Przygotowanie i dostarczenie rozwiązań
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Umieść roztwory w wirówce, rozłożyj ich pozycje w niej w celu zrównoważenia i rozpocznij 30-minutowy cykl wirowania.</li>
	<li>Po zakończeniu bezpiecznie umieść roztwory w eksykatorze, opróżnij go i bombarduj roztwory falami ultradźwiękowymi przez 30 minut.</li>
	<li>Usuń roztwory i odłóż je na bok w pobliżu miejsca eksperymentu.</li>
	<li>Zbuduj stanowisko dla małego systemu dostarczania płynów.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Przymocować odsłoniętą końcówkę strzykawki do stojaka i oprzeć ją za próbką. Płyny powinny mieć możliwość spływania na próbkę bez znacznego rozlania.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zgodnie z sekcją 5 Protokołu, należy załadować lufę odpowiednim roztworem i ręcznie wstrzyknąć go przez układ mikroprzepływowy podczas eksperymentu.</li>
</ol>
4. Konfiguracja systemu i wzajemne połączenia
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Ponownie ustaw ostrość obiektywów mikroskopu, aby uzyskać dwa ostre obrazy stożka włókna.</li>
	<li>Podłącz wyjście światłowodu stożkowego do PD. Wyjście tego PD powinno być podłączone do innego wejścia kanału oscyloskopu.</li>
	<li>Zamontuj próbkę na nanopozycjonerze i dokonaj zgrubnych regulacji, aby przemieścić ją tak, aby znajdowała się bliżej środka stożka włókna.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Zeskanuj długość fali lasera, aby uzyskać odpowiedni spadek rezonansu na oscyloskopie.</li>
</ol>
5. Detekcja nanocząstek
Aby pozyskać dane: Skonfiguruj ustawienia wyzwalacza oscyloskopu i, korzystając z domowego oprogramowania, zbierz ślady oscyloskopu do dalszego przetwarzania.
<ol>
	<li>Zapisz dane dla roztworu buforowego jako odniesienie.</li>
	<li>Zapisać dane dla roztworów nanocząstek od najniższego do najwyższego stężenia.</li>
	<li>Obserwuj przesunięcia częstotliwości, które zachodzą w wyniku wiązania nanocząstek w mikrownęce.</li>
</ol>
6. Przetwarzanie końcowe danych
Zebrane dane mogą być dalej przetwarzane przez samodzielnie napisany program MATLAB. Program powinien:
<ol>
	<li>Odczytać ścieżki interferometru referencyjnego i przeprowadzić dopasowanie metodą najmniejszych kwadratów do krzywych sinusoidalnych. Fazy dopasowanej sinusoidy są wykorzystywane do oszacowania fluktuacji lasera w locie.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Uzyskaj współczynnik jakości każdego pojedynczego zanurzenia z Qi = νi / δνi, gdzie i może wynosić 1 (rezonans w lewo) lub 2 (rezonans w prawo).</li>
	<li>Oblicz, jak to jest konwencjonalne, częstotliwości optyczne spadków rezonansu za pomocą napięcia skanowania laserowego, gdzie jitter lasera powoduje większy szum pomiaru.</li>
	<li>Zebrać średnią częstotliwość rezonansową νśr. = (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.</li>
</ol>

<ol><li>Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+microcavities%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Optical microcavities.</a> Nature. 424 (6950), 839-846 (2003).</li>
<li>Lu, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+sensitivity+nanoparticle+detection+using+optical+microcavities%5BTitle%5D)+AND+%22PNAS%22%5BJournal%5D)">High sensitivity nanoparticle detection using optical microcavities.</a> PNAS. 108 (15), 5976-5979 (2011).</li>
<li>Vollmer, F., Arnold, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Whispering-gallery-mode+biosensing%3A+label-free+detection+down+to+single+molecules%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Methods%22%5BJournal%5D)">Whispering-gallery-mode biosensing: label-free detection down to single molecules.</a> Nat. Methods. 5 (7), 591-596 (2008).</li>
<li>Vollmer, F., Braun, D., Libchaber, A., Khoshsima, M., Teraoka, I., Arnold, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Protein+detection+by+optical+shift+of+a+resonant+microcavity%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Protein detection by optical shift of a resonant microcavity.</a> Appl. Phys. Lett. 80 (21), 4057-4059 (2002).</li>
<li>Sun, Y., Fan, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+ring+resonators+for+biochemical+and+chemical+sensing%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Bioanal.+Chem%22%5BJournal%5D)">Optical ring resonators for biochemical and chemical sensing.</a> Anal. Bioanal. Chem. 399 (1), 205-211 (2011).</li>
<li>Shopova, S. I., Rajmangal, R., Nishida, Y., Arnold, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasensitive+nanoparticle+detection+using+a+portable+whispering+gallery+mode+biosensor+driven+by+a+periodically+poled+lithium-niobate+frequency+doubled+distributed+feedback+laser%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Ultrasensitive nanoparticle detection using a portable whispering gallery mode biosensor driven by a periodically poled lithium-niobate frequency doubled distributed feedback laser.</a> Rev. Sci. Instrum. 81 (10), 103-110 (2010).</li>
<li>Santiago-Cordoba, M. A., Boriskina, S. V., Vollmer, F., Demirel, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoparticle-based+protein+detection+by+optical+shift+of+a+resonant+microcavity%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Nanoparticle-based protein detection by optical shift of a resonant microcavity.</a> Appl. Phys. Lett. 99 (7), 073701(2011).</li>
<li>Swaim, J. D., Knittel, J., Bowen, W. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detection+limits+in+whispering+gallery+biosensors+with+plasmonic+enhancement%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Detection limits in whispering gallery biosensors with plasmonic enhancement.</a> Appl. Phys. Lett. 99 (24), 243109(2011).</li>
<li>Gorodetsky, M. L., Pryamikov, A. D., Ilchenko, V. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rayleigh+scattering+in+high-Q+microspheres%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Opt.+Soc.+Am.+B%22%5BJournal%5D)">Rayleigh scattering in high-Q microspheres.</a> J. Opt. Soc. Am. B. 17 (6), 1051-1057 (2000).</li>
<li>Lu, T., Su, J., Fraser, S., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Split+frequency+sensing+methods+and+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Patent+granted+on%22%5BJournal%5D)">Split frequency sensing methods and systems.</a> Patent granted on. , (2013).</li>
<li>Zhu, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On-chip+single+nanoparticle+detection+and+sizing+by+mode+splitting+in+an+ultrahigh-Q+microresonator%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Photonics%22%5BJournal%5D)">On-chip single nanoparticle detection and sizing by mode splitting in an ultrahigh-Q microresonator.</a> Nat. Photonics. 4 (1), 46-49 (2010).</li>
<li>Shopova, S. I., Rajmangal, R., Nishida, Y., Arnold, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasensitive+nanoparticle+using+a+portable+whispering+gallery+mode+biosensor+driven+by+a+periodically+poled+lithium-niobate+frequency+doubled+distributed+feedback+laser%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Ultrasensitive nanoparticle using a portable whispering gallery mode biosensor driven by a periodically poled lithium-niobate frequency doubled distributed feedback laser.</a> Rev. Sci. Instrum. 81 (10), (2010).</li>
<li>Cai, M., Painter, O., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+critical+coupling+in+a+fiber+taper+to+a+silica-microsphere+whispering-gallery+mode+system%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Observation of critical coupling in a fiber taper to a silica-microsphere whispering-gallery mode system.</a> Phys. Rev. Lett. 85 (1), 74-77 (2000).</li>
<li>Li, J., Lee, H., Yang, K. Y., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sideband+spectroscopy+and+dispersion+measurement+in+microcavities%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Sideband spectroscopy and dispersion measurement in microcavities.</a> Opt. Express. 20 (24), 26337-26344 (2012).</li>
<li>Chow, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Critical+coupling+control+of+a+microresonator+by+laser+amplitude+modulation%5BTitle%5D)+AND+%22Opt+Express%22%5BJournal%5D)">Critical coupling control of a microresonator by laser amplitude modulation.</a> Opt Express. 20 (11), 12622-12630 (2012).</li>
<li>Swaim, J. D., Knittel, J., Bowen, W. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detection+of+nanoparticles+with+a+frequency+locked+whispering+gallery+mode+microresonator%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Detection of nanoparticles with a frequency locked whispering gallery mode microresonator.</a> Appl. Phys. Lett. 102 (18), (2013).</li>
<li>Knittel, J., Chow, J. H., Gray, M. B., Taylor, M. A., Bowen, W. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasensitive+real-time+measurement+of+dissipation+and+dispersion+in+a+whispering-gallery+mode+microresonator%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Ultrasensitive real-time measurement of dissipation and dispersion in a whispering-gallery mode microresonator.</a> Opt. Lett. 38 (11), 1915-1917 (2013).</li>
<li>Shopova, S. I., Rajmangal, R., Holler, S., Arnold, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plasmonic+enhancement+of+a+whispering-gallery-mode+biosensor+for+single+nanoparticle+detection%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Plasmonic enhancement of a whispering-gallery-mode biosensor for single nanoparticle detection.</a> Appl. Phys. Lett. 98 (24), (2011).</li>
<li>Santiago-Cordoba, M. A., Boriskina, S. V., Vollmer, F., Demirel, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoparticle-based+protein+detection+by+optical+shift+of+a+resonant+microcavity%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Nanoparticle-based protein detection by optical shift of a resonant microcavity.</a> Appl. Phys. Lett. 99 (7), (2011).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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...

Zainteresowanie badaniami znacznie wzrosło w związku z wykorzystaniem mikrownęk w trybie galerii szeptów (WGM) do celów nanodetekcji i biodetekcji1-8. Obejmuje to wnęki optyczne o bardzo wysokiej jakości współczynniku (Q), które są biegłe w identyfikacji maleńkich cząstek biologicznych, aż do poziomupojedynczego białka 2. Oznacza to, że monitorowanie zmian rezonansu i rozdzielonej częstotliwości dla transmisji z niezwykłą czułością9-11 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 mikrownękiczynnikowe 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.

<table><tbody><tr><td>Polistyren&nbsp; Mikrosfery</td><td>PolyScience</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dulbecco' s Sól fizjologiczna buforowana fosforanami (DPBS)</td><td>Life Technologies</td><td>14190</td><td></td></tr><tr><td>Piezoelektryczny system nanopozycyjny</td><td>Physik Instrumente</td><td>P-611.3S</td><td></td></tr><tr><td>Zrównoważony fotodetektor</td><td>Thorlabs</td><td>PDB120A</td><td></td></tr><tr><td>Fotodetektor</td><td>Newport</td><td>1801-FC</td><td></td></tr><tr><td>3 dB Światłowodowy łącznik kierunkowy</td><td>Thorlabs</td><td>FC632-50B</td><td></td></tr><tr><td>10 Światłowodowy łącznik kierunkowy dB</td><td>Thorlabs</td><td>FC632-90B</td><td></td></tr><tr><td>Kontroler polaryzacji wpuszczanej</td> General <td>Photonics</td><td>PLC-003-S-25</td><td></td></tr><tr><td>Generator funkcyjny</td><td>Hewlett-Packard</td><td>33120A</td><td></td></tr><tr><td>Fusion Splicer</td><td>Ericsson</td><td>FSU-925</td><td></td></tr><tr><td>Szybki oscyloskop&nbsp;</td><td></td> Zmotoryzowany stolik translacyjny <td>Agilent</td> DS09404A <td></td></tr><tr><td>z kontrolerem</td><td>Thorlabs</td><td>MTS25-Z8E</td><td></td></tr><tr><td>Światłowód jednomodowy, 600-800 nm i Oslash; 125 &mu; m Okładzina</td><td>Thorlabs</td><td>SM600</td><td></td></tr><tr><td>Analizator widma elektrycznego w czasie rzeczywistym</td><td>Tektronix</td><td>RSA3408B</td><td></td></tr><tr><td>Optyczny analizator widma</td><td>Agilent</td><td>70951A</td><td></td></tr><tr><td>632,5 i ndash; 637 nm Przestrajalny laser</td><td>New Focus</td><td>TLB-6304</td><td></td></tr><tr><td>Pompa filtracyjna</td><td>KNF</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Myjka ultradźwiękowa</td><td>Crest Ultrasonics</td><td>Powersonic 1100D</td><td></td></tr><tr><td>Mini Vortexer</td><td>VWR</td><td>VM-3000</td><td></td></tr><tr><td>Wirówka</td><td>Beckman Coulter</td><td>Microfuge 22R</td><td></td></tr></tbody></table>

implementacja interferometru referencyjnego do nanodetekcji

Implementation of a Reference Interferometer for Nanodetection

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.

Po zastosowaniu protokołu można zestawić i dopasować ślady. Rysunek 3a przedstawia typową strukturę rezonansową mikrosfery pokazaną w filmie, dla której w medium DPBS obserwuje się rozszczepienie częstotliwości. Dopasowanie metodą najmniejszych kwadratów do funkcji podwójnego Lorentza wskazuje, że współczynnik dobroci lewego i prawego minimum rezonansowego wynosi odpowiednio 2,1 x 108 oraz 3,8 x 108 w środowisku wodnym. Częstotliwości optyczne FWHM uzyskuje się poprzez porównanie wi...

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.

Implementacja interferometru referencyjnego do nanodetekcji

A thermally and mechanically stabilized fiber interferometer suited for examining ultra-high quality factor microcavities is fashioned. After assessing ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest stworzenie referencyjnego interferometru wykorzystującego detekcję w trybie szeptającej galerii (Whispering Gallery mode) do wykrywania cząstek o średnicach rzędu dziesiątek nanometrów przy bardzo wysokiej dobroci. W trybie szeptającej galerii fotony rezonansowe krążą wewnątrz mikrownęki setki tysięcy razy. Powoduje to zauważalną zmianę właściwości optycznych w momencie, gdy cząstka osiądzie na mikrownęce.Jeśli rozproszenie wsteczne jest wystarczająco silne, a straty wnęki wystarczająco niskie, eksperymentalnie pojawiają się parametryczne mody rozszczepione. Powoduje to efekt rozszczepienia częstotliwości i zachodzi absorpcja cząstek. Następnie dochodzi do przesunięcia częstotliwości.Główną zaletą tej techniki interferometru referencyjnego w porównaniu z istniejącymi systemami, takimi jak te śledzące częstotliwość rezonansową wnęki poprzez analizę napięcia skanowania, jest zdolność do tłumienia szumów laserowych, co pozwala na zwiększenie sygnału o cały rząd wielkości. Ponadto metoda ta jest prosta w konstrukcji i kosztowo efektywna. Jest ona szczególnie odpowiednia do badania lub wykorzystywania właściwości szerokiego zakresu obszarów uwięzi motorowej oraz do detekcji pojedynczych cząsteczek, takich jak wirus grypy. Aby rozpocząć montaż interferometru referencyjnego, skieruj jednomodowe światłowód optyczny o długości fali od 600 do 800 nanometrów do wejścia rozdzielacza kierunkowego 3 dB.Jedno z włókien wyjściowych tego sprzęgacza powinno tworzyć serię pętli o łącznej długości 16 stóp, aby wprowadzić opóźnienie optyczne. Pozostałe włókno wyjściowe należy przymocować do kontrolera polaryzacji, który zostanie później wykorzystany do strojenia transmisji optycznej. Po podłączeniu tych włókien do portów wejściowych drugiego sprzęgacza kierunkowego 3 dB, sygnały wyjściowe po mieszaniu fotonowym posłużą jako wejścia dla zbalansowanego fotodetektora.Ta sieć komponentów optycznych może zostać umieszczona na trzystopniowym regale, który znajduje się w akrylowym zbiorniku wewnątrz styropianowego pudełka, wypełnionego mieszanką 50% lodu i 50% wody w stanie ciekłym; dla zapewnienia stabilności zaleca się stosowanie kruszonego lodu zamiast kostek lodu. Oba elementy muszą być jednak ostrożnie umieszczone w obudowie, aby uniknąć uszkodzenia światłowodów. Pozwala to na włączenie tego układu do istniejącej konfiguracji zdolnej do badania mikrownęki w trybie szeptającej galerii (whispering gallery mode).W pierwszej kolejności należy upewnić się, że sygnał wyjściowy z blazera sondy dociera do pierwszego kierunkowego sprzęgacza 3 dB, aby liniowo skanować wiązkę lasera za pomocą sygnału rampowego o częstotliwości 100 Hz i amplitudzie 1 V szczyt-szczyt. Wyjście z zrównoważonego fotodetektora powinno wówczas przybrać postać sinusoidalną. Następnie należy odpowiednio dostroić kontroler polaryzacji, aby zoptymalizować napięcie szczyt-szczyt przebiegu sinusoidalnego.Aby skonfigurować laser do pracy w trybie ciągłym, należy ustawić generator przebiegów w trybie DC i nastroić go tak, aby poprzedni sygnał oscylował wokół zera. Monitorując sygnał za pomocą analizatora widma elektrycznego, można ostatecznie wyznaczyć wolny zakres spektralny. Można to osiągnąć, znajdując różnicę częstotliwości między maksimum przy częstotliwości zerowej a pierwszym minimum.Przymocuj uchwyt światłowodowy do zmotoryzowanego stołu translacyjnego. Po zamocowaniu konektorów FC A PC na jednym końcu dwóch światłowodów, usuń powłokę buforową z odsłoniętych końców za pomocą ściągacza do światłowodów. Oczyść je acetonem, a następnie izopropanolem.Następnie należy wypolerować czoła końcowe. Należy pamiętać o bezpiecznej utylizacji nadmiaru włókna. Kolejnym krokiem jest dyfuzja.Zespawaj te włókna. Po spawaniu przymocuj prawą i lewą granicę nowego segmentu włókna do uchwytu na włókna w taki sposób, aby znajdował się on w pobliżu wylotu wodoru i był widoczny przez obiektyw mikroskopu optycznego. Po zwolnieniu gazu wodorowego ciśnienie w kanale stabilizuje się, a szybkość przepływu wynosi 110 milliliters per minute.Zapal wodór, monitorując transmisję optyczną poprzez liniową obserwację sygnału z fotodetektora na oscyloskopie. Wyciągaj włókno, korzystając z autorskiego oprogramowania laboratoryjnego. Powinno być zauważalne stopniowe zmniejszanie się szerokości włókna, a natężenie transmitowanego światła powinno zacząć oscylować z powodu interferencji wielomodowej.Gdy intensywność przesyłanego światła przestanie się zmieniać, należy zaprzestać rozciągania włókna. Oznacza to moment, w którym zwężenie jest wystarczająco cienkie, aby wspierać pojedynczy mod płaszcza. Zwolnij uchwyt włókna z wprowadzaka i zamocuj go w pobliżu PAs oraz etapu elektrycznego, który będzie podtrzymywał mikrorezonator.Podczas tej części procedury należy nosić strój do pomieszczeń czystych, aby uniknąć zanieczyszczenia próbek obcymi cząstkami. Obejmuje on ochraniacze na obuwie, maseczkę ochronną, okulary ochronne, siatkę na włosy oraz parę rękawiczek lateksowych. Po przygotowaniu stanowiska pracy należy pobrać monodyspersyjne mikrosfery o promieniu 50 nanometrów, które w czasie nieużywania powinny być przechowywane w temperaturze 4 °C.Po przygotowaniu 10 pM roztworu mikrosfer w buforze fosforanowym ECCOs lub DPBS, należy za pomocą mikropipety przygotować czysty roztwór DPBS w probówce wirówkowej o pojemności 1 ml. Następnie do dwóch kolejnych probówek należy wprowadzić po 900 µl DPBS. Należy pamiętać o stosowaniu osobnych końcówek do pipety dla różnych mieszanin.Aby przygotować rozcieńczone roztwory mikrosfer o stężeniu 1 pM i 100 fM w DPBS, odpipuj 100 µL z oryginalnego roztworu o stężeniu 10 pM i przenieś je do jednej z probówek zawierających 900 µL DPBS. Krótko wymieszaj na wirówce typu vortex, a następnie odpipuj 100 µL z roztworu 1 pM i powtórz poprzedni krok dla pozostałych dwóch probówek. Następnie otwórz pokrywę wirówki.Umieść w nim roztwory, dbając o to, aby były rozmieszczone naprzemiennie w celu zachowania równowagi. Zamknij pokrywy i rozpocznij 30-minutowy cykl wirowania. Po zakończeniu otwórz pokrywy i ostrożnie wyjmij roztwory. Umieść probówki w komorze eksykatora.Lekko odkręć nakrętki i opróżnij komorę z powietrza, aby odgazować mieszaniny, częściowo zanurz naczynia w kąpieli sonikacyjnej i poddaj roztwory działaniu fal ultradźwiękowych przez 30 minut. Następnie wyjmij naczynia z kąpieli. Odczekaj chwilę, napełnij komorę powietrzem i pobierz roztwory.Pamiętaj o zakręceniu nakrętek w probówkach do wirówki. Kolejne kroki skupią się na konstrukcji systemu dostarczania cieczy. Po zbudowaniu statywu odetnij fragment rurki mikrofluidycznej o długości nieco przekraczającej jedną stopę.Załóż końcówkę strzykawki na jeden koniec i połącz ją z złączem Luer lock zespołu tłoka i cylindra. Następnie przykręć dwie końcówki strzykawki do obu końców łącznika. Wsuń jedną z tych końcówek do odsłoniętego końca rurki mikrofluidycznej i przymocuj ją do podpory statywu.System mikrofluidyczny znajdujący się bezpośrednio za próbką musi minimalizować wycieki. Należy ponownie ustawić ostrość pionowego obiektywu mikroskopu, aby uzyskać wyraźny obraz zwężonego włókna. Powtórz tę czynność w przypadku poziomego obiektywu mikroskopu.Następnie można zamocować próbkę w nanopozycjonerze i przesunąć ją w stronę środka stożka światłowodowego. W tym przypadku zastosowano mikrosferę z krzemionki O. Następnie należy skanować długość fali lasera, aby uzyskać odpowiedni spadek rezonansowy na oscyloskopie.Po ocenie dobroci mikrownęki należy ostrożnie odsunąć zwężony światłowód od struktury. Jeśli zwężony światłowód znajduje się wystarczająco blisko mikrownęki, siły Van der Waalsa przyciągną je do siebie, co doprowadzi do ich kontaktu. Prawdopodobnie spowoduje to sprzężenie nadkrytyczne, które można skorygować poprzez ponowne oddalenie struktur od siebie. Następnie należy ponownie napełnić pipetę Pasteura wodą i dodać krople za mikrownęką, tak aby otaczające ją medium dielektryczne stało się tym płynem.Można teraz przystąpić do przepływu roztworów do próbki. Po skonfigurowaniu referencyjnego układu interferometrycznego należy ustawić parametry wyzwalania oscyloskopu i uruchomić autorskie oprogramowanie w celu zarejestrowania przebiegów. Następnie można pozyskać krzywe rezonansowe dla roztworu buforowego, które w maksymalnie dopuszczalnym przypadku powinny wykazywać rozszczepienie częstotliwości, a w kolejnym kroku krzywe rezonansowe dla roztworów nanocząsteczek, zaczynając od najniższego do najwyższego stężenia.W tym miejscu należy spodziewać się średnich i rozdzielczych przesunięć częstotliwości, które odpowiadają zdarzeniom wiązania. Dane z przebiegu można przetwarzać za pomocą skryptów MATLAB; w tym konkretnym przykładzie dobroć można wyznaczyć, porównując strukturę rezonansową na górnym wykresie pomocniczym z sygnałem interferometru. Na dolnym wykresie pomocniczym dobroć dla tego konkretnego pomiaru wynosi około 200 milionów dla zanurzenia w roztworze buforowym.Ponadto, po utworzeniu referencyjnych wzorców za pomocą tej procedury, można wygenerować spektrogramy sprzed kalibracji, spektrogramy po kalibracji oraz przebiegi poziomu szumów. Do tej pory powinni Państwo uzyskać dobrą wiedzę na temat działania różnych rodzajów wspomagania rezydentnego oraz sposobu ich włączenia do własnego systemu. Ponadto powinni Państwo dobrze rozumieć, jak przeprowadzać detekcje samoreferencyjne za pomocą wnęk w trybie błędu szeptanego.

implementation-of-a-reference-interferometer-for-nanodetection

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Wdrożenie interferometru referencyjnego do nanodetekcji

Poniższe podejście do konfiguracji szczegółowo opisuje pułapkowanie optyczne nanocząstek dielektrycznych o niskiej mocy z wykorzystaniem podwójnego nanootworu w cienkiej warstwie metalu.

Optyczne pułapkowanie nanocząsteczek

Opracowaliśmy bezznacznikowy system biodetekcji oparty na technologii rezonatora optycznego, znanej jako Frequency Locking Optical Whispering Evanescent Resonator (FLOWER), który jest w stanie wykrywać pojedyncze cząsteczki w roztworze. Tutaj opisano i przedstawiono procedury stojące za tą pracą.

Bezznacznikowa detekcja pojedynczych cząsteczek za pomocą mikrotoroidalnych rezonatorów optycznych

Nasycone i odwrócone saturable rozpraszanie zostały odkryte w izolowanych cząstkach plazmonicznych i przyjęte jako nowatorska metoda kontrastu bez wybielania w mikroskopii superrozdzielczej. Tutaj szczegółowo wyjaśniono eksperymentalne procedury wykrywania i ekstrakcji rozpraszania nieliniowego, a także sposoby zwiększenia rozdzielczości za pomocą nasyconej mikroskopii wzbudzenia.

Pomiar nieliniowości rozpraszania od pojedynczej nanocząstki plazmonicznej

Przedstawiamy protokół inżynierii fazy koronowej w bliskiej podczerwieni fluorescencyjnych jednościennych nanorurek węglowych (SWNT) przy użyciu amfifilowych polimerów i DNA do opracowania czujników dla celów molekularnych bez znanych elementów rozpoznających.

Inżynieria rozpoznawania molekularnego za pomocą polimerów biomimetycznych na jednościennych nanorurkach węglowych

Krzemowe układy fotoniczne mają potencjał do realizacji złożonych zintegrowanych systemów kwantowych. Przedstawiono metodę przygotowania i testowania krzemowego układu fotonicznego do pomiarów kwantowych.

Pomiar interferencji kwantowej w źródle fotonów rezonatora z pierścieniem krzemowym

Przedstawiono tutaj proces produkcji mikroprocesorów, który wykorzystuje plazmoniczną pęsetę. Mikroczip umożliwia obrazowanie uwięzionej cząstki w celu zmierzenia maksymalnych sił wychwytywania.

Pułapkowanie plazmoniczne i uwalnianie nanocząstek w środowisku monitorowania

Ten protokół szczegółowo opisuje budowę i działanie mikroskopu 3D do śledzenia pojedynczych cząstek w czasie rzeczywistym, zdolnego do śledzenia nanoskalowych sond fluorescencyjnych przy wysokich prędkościach dyfuzyjnych i niskich szybkościach zliczania fotonów.

Protokół do śledzenia pojedynczych cząstek 3D w czasie rzeczywistym

Plazmoniczne nanopręty złota mogą być uwięzione w cieczach i obracane z częstotliwością kHz za pomocą pęsety optycznej o polaryzacji kołowej. Wprowadzenie narzędzi do analizy dynamiki Browna i spektroskopii rozpraszania światła prowadzi do powstania potężnego systemu do badań i zastosowań w wielu dziedzinach nauki.

Budowa i działanie napędzanego światłem układu silnika obrotowego Gold Nanorod

Protokół przedstawia kompletny przebieg eksperymentów z nanoindentacją miękkiego materiału, w tym hydrożeli i komórek. Po pierwsze, szczegółowo opisano etapy eksperymentalne mające na celu pozyskanie danych ze spektroskopii sił; następnie analiza takich danych jest szczegółowo opisana za pomocą nowo opracowanego oprogramowania Python o otwartym kodzie źródłowym, które można pobrać bezpłatnie z GitHub.

Proces eksperymentowania i analizy danych dla nanotwardości miękkiej materii

Ten protokół opisuje zastosowanie mikroskopii sił atomowych i nanoskalowej spektroskopii w podczerwieni do oceny wydajności fototermicznej spektroskopii w podczerwieni w nanoskali w charakterystyce trójwymiarowych próbek wielopolimerowych.

Postępy w nanoskalowej spektroskopii w podczerwieni w celu zbadania wielofazowych układów polimerowych

Plazmoniczne pęsety wykorzystują zlokalizowany powierzchniowy rezonans plazmonów w nanostrukturach złota, aby uwięzić pojedyncze nanocząsteczki, w tym białka, w polu optycznym o skali nanometrowej. Zmiany w rozproszonym sygnale ujawniają obecność białka i dynamikę konformacyjną, umożliwiając monitorowanie bez modyfikacji fluoroforu lub wiązania powierzchni.

Monitorowanie dynamiki konformacyjnej pojedynczych niemodyfikowanych białek za pomocą plazmonicznej pęsety

Poznaj metodę interferometrii referencyjnej z wykorzystaniem rezonansów Whispering Gallery do nanodetekcji cząstek. Technika ta minimalizuje szumy lasera i umożliwia precyzyjne pomiary mikrorezonatorów o ultra wysokiej dobroci.

Implementacja interferometru referencyjnego do nanodetekcji

Przeglądaj więcej filmów