Реализация Reference интерферометр для Nanodetection

Общая цель данной процедуры заключается в создании эталонного интерферометра, использующего сенсорику на основе мод шепчущей галереи для обнаружения частиц с диаметром порядка десятков нанометров при сверхвысокой добротности. Моды шепчущей галереи, микрорезонатор и резонансные фотоны циркулируют внутри него сотни тысяч раз. Это приведет к заметному изменению оптических свойств при попадании частицы на микрорезонатор.

Если обратное рассеяние достаточно сильно, а потери в резонаторе достаточно низки, экспериментально наблюдается появление пара-расщепленных мод. Это приводит к эффекту расщепления частоты и поглощению частиц. Затем происходит сдвиг частоты.

Основным преимуществом данного метода с опорным интерферометром по сравнению с существующими системами, например теми, которые отслеживают резонансную частоту резонатора по сканирующему напряжению, является его способность подавлять лазерный шум и, следовательно, увеличивать сигнал на несколько порядков. Кроме того, данный метод прост в реализации и экономически выгоден; он особенно подходит для изучения или использования свойств широкого спектра резонаторов, а также для высокочувствительного детектирования единичных молекул, таких как вирус гриппа. Для начала сборки опорного интерферометра направьте одномодовое оптическое волокно с длиной волны от 600 до 800 нм на вход направленного ответвителя с коэффициентом деления 3 дБ.

Одно из выходных волокон этого ответвителя должно быть уложено в серию петель длиной 16 футов для создания оптической задержки. Остальное выходное волокно следует закрепить контроллером поляризации, который будет использован позже для настройки оптического пропускания. После подключения этих волокон к входным портам второго направленного ответвителя с коэффициентом деления 3 дБ, фотосмешанные выходные сигналы будут служить входными сигналами для балансного фотодетектора.

Данную систему оптических компонентов можно разместить на трехъярусном стеллаже, который находится в акриловом резервуаре, помещенном в пенопластовый короб и заполненном смесью льда и жидкой воды в соотношении 50% на 50%; для обеспечения стабильности предпочтительнее использовать колотый лед, а не кубики льда. При этом оба компонента необходимо осторожно помещать в корпус, чтобы избежать повреждения оптических волокон. Таким образом, данную систему можно интегрировать в существующую конфигурацию, предназначенную для исследования микрорезонатора с шепчущей галереей.

Сначала убедитесь, что сигнал с выхода пробного излучателя поступает на первый из трех направленных ответвителей DB; для линейного сканирования подачи лазера используйте пилообразный сигнал с частотой 100 герц и размахом один вольт. После этого выход с балансного фотодетектора должен стать синусоидальным. Следующим шагом является соответствующая настройка контроллера поляризации для оптимизации размаха напряжения синусоидального сигнала.

Для настройки лазера на режим непрерывного излучения установите генератор сигналов в режим постоянного тока (DC) и отрегулируйте его так, чтобы предыдущий сигнал колебался около нуля. Мониторинг сигнала с помощью анализатора электрического спектра позволяет окончательно определить свободный спектральный диапазон. Это достигается путем нахождения разности частот между максимумом на нулевой частоте и первым нулем.

Закрепите держатель волокна на моторизованном столике перемещения. После установки разъемов FC/PC на один конец двух оптических волокон удалите защитное покрытие с открытых концов с помощью стриппера для волокон. Очистите их ацетоном, а затем изопропанолом.

Затем зашлифуйте торцевые поверхности. Обязательно безопасно утилизируйте излишки волокна. Следующим этапом является диффузия.

Сплавьте эти волокна между собой. После сварки закрепите правый и левый края нового сегмента волокна в держателе для волокон так, чтобы он находился рядом с выходом водорода и был виден через объектив оптического микроскопа. При подаче водорода давление в канале стабилизируется, а скорость потока составит 110 milliliters per minute.

Воспламените водород, контролируя оптическое пропускание путем линейного наблюдения сигнала фотодетектора на осциллографе. Растягивайте волокно с помощью специализированного лабораторного программного обеспечения. Вы заметите постепенное уменьшение ширины волокна, при этом интенсивность прошедшего излучения должна начать колебаться из-за многомодовой интерференции.

Как только интенсивность прошедшего света перестанет меняться, прекратите вытягивание волокна. Это означает, что сужение стало достаточно тонким для поддержки одной моды оболочки. Отсоедините держатель волокна от перемещаемого столика и закрепите его рядом с ПА и электрическим столиком, на котором будет располагаться ваша микрополость.

На этом этапе процедуры необходимо использовать костюм для чистых помещений, чтобы избежать загрязнения образцов посторонними частицами. Костюм включает бахилы, маску для лица, защитные очки, сетку для волос и пару латексных перчаток. После подготовки рабочего места возьмите монодисперсные полые звездчатые микросферы радиусом 50 nanometer, которые в периоды неиспользования должны храниться при температуре 4 °C.

После приготовления 10 пикомолярного раствора микросфер в фосфатно-солевом буфере ECCO или DPBS, с помощью микропипетки приготовьте чистый раствор DPBS в центрифужной пробирке объемом один миллилитр. Затем внесите 900 микролитров DPBS еще в две пробирки. Помните, что для разных смесей следует использовать отдельные наконечники для пипеток.

Для приготовления разведенных растворов микросфер в DPBS с концентрацией 1 пкМ и 100 фМ отберите 100 µL из исходного раствора с концентрацией 10 пкМ и перенесите их в одну из пробирок, содержащих 900 µL DPBS. Кратковременно перемешайте содержимое на вортексе, затем отберите 100 µL из полученного раствора с концентрацией 1 пкМ и повторите предыдущий шаг для двух оставшихся пробирок. После этого откройте крышки центрифуги.

Поместите растворы внутрь, располагая их в шахматном порядке для обеспечения баланса. Закройте крышки и запустите цикл центрифугирования продолжительностью 30 минут. По завершении откройте крышки и осторожно извлеките растворы. Поместите пробирки в эксикатор.

Слегка открутите крышки и откачайте воздух из камеры для дегазации смесей, частично погрузите десикатор в ультразвуковую ванну и подвергайте растворы воздействию ультразвуковых волн в течение 30 минут. После этого извлеките камеру из ванны. Удалите вакуум, заполните камеру воздухом и соберите растворы.

Не забудьте плотно закрутить крышки центрифужных пробирок. Следующие этапы будут посвящены созданию системы подачи жидкости. После сборки штатива отрежьте сегмент микрофлюидного капилляра длиной чуть более одной стопы.

Установите наконечник шприца на один конец и подсоедините его к люр-локу цилиндра с поршнем. Затем прикрутите два наконечника шприца к обоим концам переходника. Вставьте один из этих наконечников в открытый конец микрофлюидной трубки и закрепите его на поддерживающей стойке.

Микрофлюидная система, расположенная непосредственно за образцом, должна сводить к минимуму утечку жидкости. Отрегулируйте фокус вертикального объектива микроскопа, чтобы получить четкое изображение конуса волокна. Повторите эту операцию для горизонтального объектива микроскопа.

Затем вы можете установить образец на нанопозиционер и переместить его к центру конического волокна. В данном случае используется силикатная микросфера. Далее следует провести сканирование длины волны лазера для получения соответствующего резонансного провала на осциллографе.

После оценки добротности микрорезонатора осторожно отодвиньте конус волокна от структуры. Если конус волокна находится достаточно близко к микрорезонатору, силы Ван-дер-Ваальса притянут их друг к другу, что приведет к их соприкосновению. Это, скорее всего, вызовет пересвязь, которую можно исправить, повторно раздвинув структуры. Затем снова наполните пастельную пипетку водой и добавьте капли за микрорезонатором, чтобы окружающая его диэлектрическая среда стала этой жидкостью.

Теперь вы можете приступить к подаче растворов на образец. После настройки системы эталонной интерферометрии сконфигурируйте параметры триггера осциллографа и запустите специализированное программное обеспечение для сбора трасс. Затем снимите резонансные кривые для буферного раствора, которые в крайнем случае могут демонстрировать расщепление частоты; после этого снимите резонансные кривые для растворов наночастиц в порядке возрастания их концентрации.

Здесь следует ожидать появления средних и разделенных сдвигов частоты, соответствующих событиям связывания. Данные трейса могут быть обработаны с помощью скриптов MATLAB; в данном конкретном примере добротность можно определить путем сравнения резонансной структуры на верхнем подграфике с сигналом интерферометра. На нижнем подграфике добротность для данного конкретного запуска при погружении в буферный раствор составляет около 200 миллионов.

Кроме того, после создания опорных информаторов с помощью данной процедуры можно генерировать спектрограммы до калибровки, спектрограммы после калибровки и формы волн шумового порога. К этому моменту вы должны хорошо понимать, как работает этот набор вспомогательных средств и как интегрировать их в вашу собственную систему. Кроме того, вы должны четко представлять, как осуществлять самореферентное детектирование с использованием резонаторов с шепчущей галереей.