Implementacja interferometru referencyjnego do nanodetekcji

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.