Summary
Eine Referenz-Interferometer-Technik, die ausgelegt ist, um unerwünschte Laser Jitterrauschen für nanodetection entfernen, wird für die Sondierung eine ultra-hohe Güte Microcavity genutzt. Anleitungen für die Montage, Einrichtung und Datenerfassung vorgesehen, neben der Messung für die Angabe der Hohlraum Qualitätsfaktor.
Abstract
Ein thermisch und mechanisch stabilisiert Faser-Interferometer zur Untersuchung ultra-hohen Qualitätsfaktor Mikrohohlräume geeignet ist, ausgebildet. Nach Prüfung ihrer freien Spektralbereich (FSR) ist das Modul parallel zu einer Fasertaper-Mikroresonator-System gesetzt und dann durch Isolierung und Beseitigung von zufälligen Verschiebungen der Laserfrequenz (dh Laser-Jitter-Rauschen) kalibriert. Um den Kegel Mikrokavität Übergang zu realisieren und um die optische Leistung, die an den Resonator übertragen wird, zu maximieren, ist eine Single-Mode-Lichtwellenleiterfaser gezogen wird. Lösungen, enthaltend Polystyrol Nanokügelchen werden dann hergestellt und der Mikrokavität um die Fähigkeit des Systems die Bindung an die Oberfläche der Mikrohohlraum zu erfassen zeigen geflogen. Die Daten sind über adaptive Kurvenanpassung, die für hochauflösende Messungen der Qualitätsfaktor sowie die Aufzeichnung der zeitabhängigen Parameter wie Resonanzwellenlänge und Split-Frequenzverschiebungen können nachbearbeitet werden. Durch die sorgfältigeInspektionsschritte in der Zeitbereichsantwort und Verschieben in dem Frequenzbereichsantwort kann dieses Instrument diskreten Bindungsereignisse zu quantifizieren.
Introduction
Forschungsinteresse hat sich auf den Einsatz von Whispering-Gallery-Mode (WGM) Mikrohohlräume zum Zweck der nanodetection und Biosensorik 08.01 gestiegen. Dies beinhaltet ultra-hohen Qualitätsfaktor (Q) optische Hohlräume, die kompetent bei der Identifizierung winzige biologische Partikel, bis auf die Single-Protein-Ebene 2 sind. Das heißt, die Überwachung Verschiebungen in Resonanz und Split-Frequenz für die Übertragung mit außergewöhnlichen Empfindlichkeit 9-11 können durch den Hohlraum der Entbindung von Lichtenergie in einer kleinen Modenvolumen aktiviert sein. Variationen in den optischen Eigenschaften des Resonators sind die Ursache dieser Verschiebungen, die ihrerseits stammen von der Bindungs diskreter Moleküle oder Nanopartikel. Eine weniger ausgeklügelte Beispiel einer dreidimensionalen Struktur WGM für solche Anwendungen ist ein Siliciumdioxid Mikrokugel, die mit einer nahezu atomar glatte Oberfläche durch einfaches Abtragen einer gezogenen optischen Faser unter Verwendung eines CO 2-Lasers hergestellt werden kann. Wie bekannt ist,hohe Q-Faktoren in der Größenordnung von 10 9 1 erreicht werden.
Die Resonanzfrequenz einer Mikrokavität wird üblicherweise durch Abtasten der optischen Frequenz einer abstimmbaren Laserquelle, während gleichzeitig photo Erfassen der optischen Übertragung, die auf einem Oszilloskop erfasst wird überwacht. Ein inhärenter Nachteil dieser Technik ist die Unsicherheit, die mit der Lage der Tropfen in dem Getriebe, das von schwankenden Laserwellenlänge oder Laser-Jitter entsteht verbunden. Um diese Komplikation zu überwinden, kann ein Interferometer neben einem Mikroresonator verwendet werden, um ein Referenzsignal, um den Laser-Jitter abzubrechen und erhöhen die Empfindlichkeit beobachtet 2 zu erzeugen. Der Referenzstrahl, der durch das Interferometer (mit einem freien Spektralbereich FSR oder groß genug, um den Laser aus jittering Vergangenheit ein FSR Frequenzabstand während der Messung zu verhindern) und der Erfassungsstrahl, int passiert: Hell Eingang ist in zwei optische Pfade aufgeteilteracts mit der WGM Mikroresonator. Diese Funktion optimiert die Experimente im Vergleich zu fortgeschrittenen Konfigurationen, wie die von WGM Erkundung BRINGT die Kombination einer Distributed-Feedback-Laser (DFB) und periodisch gepolten Lithiumniobat (PPLN) Doubler 12. In dieser Veröffentlichung wird ein Interferometer Technik für ultra-hohen Qualitätsfaktor Microcavity basierte Überwachung von nanoskaligen Frage 3 beschrieben. Die Setup-und Datenerfassungsverfahren, die erforderlich sind, um dies zu erreichen, werden skizziert, die zeigt, wie Hohlraum Qualitätsfaktor kann durch Referenz Interferometrie ermittelt werden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Referenz Interferometer Bau-und FSR Mess
- Bau
- Neues Open-Top-Acryl-Box. Diese Struktur sollte groß genug, um bequem in einem 16 x 16 in x 16 in Styropor-Box passen.
- Fertigen Sie ein 3-Stufen-Regal, um optische Komponenten, die in der Open-Top-Acryl-Box sitzen wird und wird vollständig von der Styropor-Box für die thermische Isolierung eingeschlossen werden beherbergen. Zwei erhöhte Löcher auf der Styropor-Box muss vorhanden sein, damit für Fasern zu betreten und das gesamte Gehäuse verlassen.
- Am 3. Stufe: eine Ausgangsfaser vom 3-dB-Richtungskopplers sollte zu einer Polarisationssteuerung, die wiederum zu einem Eingangsanschluss eines separaten 3-dB-Richtungskopplers eingespannt werden.
- Am 2. Stufe: eine Schleife mit etwa 16 Fuß von der optischen Faser von dem anderen Ausgangsanschluss des ersten 3dB-Richtkoppler Ursprung. Leiten diese Faser mit dem verbleibenden Eingangsanschluß des necond 3 dB-Richtkoppler am 3. Stufe.
- Füllen Sie den Acryl-Box mit 50% rasiert Eis mit 50% flüssiges Wasser gemischt, um eine Eisbad gestalten und damit die Temperatur der optischen Komponenten in der Nähe von 0 ° C zu halten
- FSR Mess
- Stellen Sie den Lasersonde bei der gewünschten Wellenlänge. Verwenden einen Funktionsgenerator, so daß sein Ausgang ist mit einem 3-dB-Leistungsteiler verbunden. Einer der Ausgänge von dem 3 dB-Splitter muss dem Oszilloskop zur Überwachung verbunden werden und verwendet werden, um direkt Abstimmung der Frequenz des Laser der andere Ausgang ist.
- Futtermittel die Laserausgabe als Eingang in die 1. 3-dB-Richtungskopplers.
- Die beiden Ausgänge des 2. 3 dB-Richtkoppler sind photomixed Signale an den symmetrischen Photodetektor (BPD) tragen. Schließlich die Ausgangskabel der BPD zu einem Kanal-Eingang des Oszilloskops.
- Linear Scan der Laserfrequenz von supplYing das Lasermodul mit einer von dem Wellenformgenerator (mit einer Spitze-zu-Spitze-Spannung von 1 V und Scan-Frequenz von 100 Hz) Rampensignal. Das Ausgangssignal von dem BPD wird auf dem Oszilloskop werden sinusförmig.
- Abstimmung der Polarisationssteuerung, um die Spitze-zu-Spitze-Spannung des Sinuswellenform zu maximieren.
- Um die FSR messen, konfigurieren Sie den Laser für Dauerwellen-Ausgang, indem Sie die Wellenform-Generator, um DC-Modus. Tune der Wellenformgenerator Spannung, so dass das übertragene Signal von der BPD schwankt um 0 V (dh. Des Quadratur-Punkt). Überprüfen Sie das Ausgangssignal mit Hilfe eines elektrischen Spektrumanalysator. Das überwachte Signal sollte als sinc-Quadratfunktion, wo sich der Ort des ersten Null nächsten globalen Maximum (bei Nullfrequenz) der FSR angezeigt. Um das Messrauschen zu minimieren, stellen Sie die elektrischen Spektrumanalysator Mittelmodus.
2. Fiber Ziehen 13
Einleitung: Das Ziel dieses Verfahrens ist es, etwa die Phase der Photonen, die in der Verjüngung zu denen der Mikrohohlraum so dass eine effiziente Kopplung auftreten können, entsprechen. Wenn die Faser gezogen wird, wird der Mittelabschnitt, der zwischen den beiden Klemmen von der Unterstützung liegt eine einzelne Mode innerhalb eines regulären Faserübergang, um mehrere Moden in einem Wellenleiter durch das ursprüngliche Kieselsäure Mantel zum Kern und Luft wird der Mantel gebildet wird, und dann auf einen einzigen Modus. Das Siliciumdioxid Kern der Faser praktisch verschwinden im zentralen Abschnitt, wobei vorübergehend erfüllt Modenausbreitung Bedingungen werden durch die kontinuierliche Schrumpfen der Faserdurchmesser entgegengewirkt werden.
- Befestigen Sie die Halterung an der Faser motorisierten Translations Bühne.
- Connectorize zwei Abschnitte der optischen Faser mit FC / APC-Stecker an einem Ende jedes Abschnitts. Entfernen Sie die Puffer Beschichtung von den verbundenen Enden mit einem Faser Stripper, reinigen Sie sie mit Aceton ersten und then Isopropanol, spalten die Ende Facetten und Fusion splice sie zusammen.
- Um den Verlust in der Verjüngung zu überwachen, schließen eine Sonde Laser konstanter Leistung mit einem Ende der Faser, während das andere Ende der Faser ist mit einem Photodetektor (PD) verbunden ist. Die Ausgabe des PD ist an ein Oszilloskop angeschlossen. Anpassen der Einstellungen Oszilloskop, um die PD-Ausgangsspannung, die proportional zu der übertragenen Laserleistung zu messen.
- Aufzeichnung der Anfangswert des PD-Ausgangsspannung und weiter zu überwachen, bis der Schritt 2.9.
- Klemmen die Faser mit dem Faserhalter und Bild die Faser mit einem optischen Mikroskop.
- Wasserstoff freisetzen, so dass es zum Fließen in der Nähe der Verjüngung, wartet die Luftröhre zu beenden und den Druck des Kanals zu stabilisieren beginnt. Sobald die Flussrate für das Wasserstoffgas erreicht 110 ml / min, entzünden sie in der Nähe der Steckdose mit einem Feuerzeug, um die Faser zu erhitzen.
- Verwenden einer benutzerdefinierten LabVIEW-Programm, linear ziehen Sie die Faser. Beachten Sie, dass während der pulling Prozess, der Faserkern nach und nach verschwindet, während mehrere Mantelmoden dominant in die Führung des Lichts durch die Faser verjüngenden Abschnitt zu werden. Die übertragene Intensität durch die optische Faser sollte schwingen aufgrund Multimode-Interferenz.
- Weiter zieht die Faser auf die Fasertaper Breite zu verringern, bis es nur eine einzige Mantelmodus. Sobald die übertragene Intensität nicht mehr variieren läßt, ziehen die Faser.
- Lassen Sie die Faserhalter aus der Umrechnung der Bühne und sichern Sie sie in der Nähe des piezoelektrischen Bühne.
3. Vorbereitung und Lieferung von Lösungen
- Planen 22.00, 1 pM und 100 fM Lösungen von 50 nm Radius monodisperse Polystyrol-Mikrokügelchen in Dulbeccos phosphatgepufferter Salzlösung (DPBS) besteht. Zusätzlich erstellen Sie eine reine DPBS Lösung.
- Legen Sie die Lösungen in einer Zentrifuge, schwanken ihre Positionen innerhalb es für die Balance Zwecken und initiieren eine 30 min Schleudergang.
- Nach completion, sicher stellen die Lösungen in einem Exsikkator, evakuieren und bombardieren die Lösungen mit Ultraschallwellen für 30 Minuten.
- Entfernen Sie die Lösungen und legen Sie sie beiseite in der Nähe des Versuchsaufbaus.
- Bauen einen Stand für eine kleine Fluidfördersystem.
- Nach der Reinigung zwei Hülsen, legen Spritzenaufsätze an beiden Enden der Mikrotubuli-Segment und schrauben Sie die Aderendhülsen mit den Kanülen. Individuell verbinden eine der Ferrulen in eine dritte Spritzenspitze und der andere mit dem Luer-Lock-Anschluss für ein Barrel-Kolbenanordnung.
- Befestigen Sie den Spritzenspitze ausgesetzt, um den Stand und stützen sie hinter der Probe. Die Flüssigkeiten sollten auf die Probe fließen ohne nennens verschüttet wird.
- Im Sinne des § 5 des Protokolls, laden Sie das Fass mit einer geeigneten Lösung und manuell injizieren sie durch den mikrofluidischen System während Experiment.
4. Systemkonfiguration und Verschaltungen
- Schließen Sie die Sonde lase r auf einen 10 dB-Richtkoppler. Der gekoppelte Anschluss mit dem Eingang des Referenz-Interferometer angeschlossen ist, während das übertragene Port ist mit einem Polarisations-Controller, gefolgt von der sich verjüngenden Faser verbunden.
- Neuausrichtung der Mikroskop-Objektive, zwei scharfe Bilder aus dem Fasertaper zu erwerben.
- Den Ausgang des verjüngten Faser auf eine PD. Die Ausgabe dieses PD sollte auf einen anderen Kanal-Eingang des Oszilloskops verbunden werden.
- Montieren Sie die Probe auf die Nanopositionierers und machen Grobeinstellungen, um es zu verdrängen, so dass es in der Nähe der Mitte der Faser Verjüngung.
- Injizieren DPBS auf die Probe. Grobeinstellungen vornehmen, so daß die Fasertaper in Anbetracht der zwei CCD-Kameras kommt. Stellen Sie die Nanopositionierers, um die Kopplung von der Faser an die Kegel Microcavity etablieren.
- Scannen Sie die Laserwellenlänge, um eine geeignete Resonanz-Dip auf dem Oszilloskop zu erhalten.
5. Nanopartikel-Erkennung
NHALT "> Zur Erfassung der Daten: Konfigurieren Trigger-Einstellungen des Oszilloskops und mit hausgemachten Software, sammeln Oszilloskopspuren zur weiteren Verarbeitung.- Aufzeichnen der Daten für den Puffer-Lösung als Referenz.
- Aufzeichnen der Daten für die Nanopartikellösungen von der niedrigsten zur höchsten Konzentration.
- Beachten Sie die Frequenzverschiebungen, die statt durch Nanopartikel nehmen Bindung auf dem Mikrohohlraum.
6. Post-Verarbeitung von Daten
Die gesammelten Daten können von einem selbst geschriebenen MATLAB-Programm verarbeitet werden. Das Programm sollte:
- Lesen Sie die Referenz-Interferometers Spuren und führen eine der kleinsten Quadrate an die Sinuskurven. Die Phasen der angepassten Sinus werden verwendet, um den Laser Jitter on the fly zu schätzen.
- Lesen Sie die Übertragung Hohlraum Spuren und führen eine der kleinsten Quadrate an die Doppel-Lorentz-Funktion. Optische Frequenzen, die den Resonanzeinbrüche (ν 1,ν 2) und deren volle Breite bei halbem Maximum (FWHM, durch δν 1 dargestellt, δν 2) durch Vergleichen des Übertragungssignals an das Interferometer-Signals bestimmt.
- Besorgen Sie sich die Güte der einzelnen Dip aus Q i = ν i / δν i, wobei i kann entweder 1 (links Resonanz) oder 2 (rechts Resonanz).
- Zu berechnen, wie es üblich ist, sind die optischen Frequenzen der Resonanzeinbrüche mittels der Laser-Scan-Spannung, wobei die Laser Jitter Ausbeuten größeren Messrauschen.
- Sammeln Sie die mittlere Resonanzfrequenz ν avg = (1 + ν ν 2) / 2 und Split-Frequenz Δν = ν 2 - ν 1 für jede Messung und zeichnen sie als eine Funktion der Zeit. Wenn ein Nanopartikel bindet an die Oberfläche der Mikrohohlraum, plötzliche Verschiebungen sowohl durchschnittliche Resonanzfrequenz-und Zwischenfrequenz-should beobachtet werden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Nach dem folgenden Protokoll, können die Spuren zusammengestellt und montiert werden. 3a zeigt die typische Resonanzstruktur der Mikrokugel als im Video, für die Frequenzaufspaltung in einem DPBS Medium beobachtet dargestellt. Eine Methode der kleinsten Quadrate an die Doppel Lorentz-Funktion zeigt an, daß der Qualitätsfaktor der linken und rechten Resonanzeinbrüche jeweils 2,1 x 10 8 bis 3,8 x 10 8 in einer wässrigen Umgebung. Die optischen Frequenzen der FWHM werden durch Vergleich der Hohlraum Spektrum mit dem Interferometersignal in Fig. 3b, die eine hochauflösende Messung des Q Hinweis, dass das Resonanzspektrum erhalten wird, wenn die Laserwellenlänge ist blau verschoben Ausbeuten erhalten, während ein rotes Verschiebungsmessung führt zu ähnlichen Q-Werte. Abbildung 4 zeigt die Resonanzspektrogramme, die hergestellt werden können, wobei ein Doppel Lorentz-Fit der Transmissionskurven berechnet wurde. In Bezug auf die Kalibrierung, the Laserzitterrauschen wird aus dem ursprünglichen Referenz-Interferometer extrahiert und anschließend sowohl dem Interferometer und der Mikrokugel Signale entfernt. In Abwesenheit von Laser Jitter Storno, 4a zeigt einfach ein Spektrogramm von Triggern auf Resonanz Täler erzeugt. Thermische Drift tritt bei Kalibrierung, wie in Fig. 4c zu sehen. Im Gegensatz zu-Speicherplatz frei Interferometrie, hat das aufgeklärt Messansatz Verluste verringert und kann möglicherweise auf einem System-on-Chip-Plattform integriert werden. Quantitativ lässt FSR-Messungen für Freiraum-Interferometrie-Systeme eine RMS-Fehler von 180 kHz für einen Hohlraum zu erreichen Q = 1,5 x 10 8, die Übersetzung zu einer relativen Genauigkeit von 5,5 x 10 -6 für einen FSR = 32,9382 GHz 14.
Figur 5 zeigt kontinuierliche Verfolgung des durchschnittlichen Resonanzwellenlänge des Mikrohohlraum für eine Zeitdauer von zwei Drittel einer Minute in dem FallDPBS Immersion. Die graue Kurve zeigt, daß, wenn die Resonanzwellenlänge durch das herkömmliche Laserscanspannungs-Verfahren erhalten und die Laser Jitter nicht kalibriert, gibt es ein Messwellenlängenschwankung in der Größenordnung von einigen zehn Femtometern. Mit einer Referenz-Interferometer (grüne Kurve), wird das Rauschen auf den subfemtometer Regime reduziert. Verbesserungen durch thermische Stabilisierung gebracht sind ebenfalls in Fig. 5a vorgesehen, um die subfemtometer Rauschbeiträge von einem ungekühlten Äquivalent (rote Linie) zu messen. Unterdessen liefert eine Messung des geteilten Frequenz eine ähnliche Grundrauschen zu der der Durchschnittsresonanzkurve. Bewertungen der Laserfrequenz Scanrate als dienen ein Nebenprodukt der übertragenen Referenzschema Interferometrie. Wie in Fig. 5c dargestellt, sind die Laser-Scan-Schwankungen in der Größenordnung von 10 GHz / sec. Dies kann weiter zu dem Messrauschen mit dem herkömmlichen Verfahren verbundenen zurückzuführen; jedoch wird dies suppresse werdend durch die Referenz-Interferometers. Ereignisse, die die Bindung von 50 nm Polystyrolkügelchen können ferner unter Verwendung einer Mikrokügelchen eingefangen werden, wie in der beigefügten Video katalogisiert. Die Schritte sowohl für durchschnittliche Resonanz und Split-Frequenzverschiebungen sind deutlich sichtbar.
In einer weiteren Demonstration veröffentlicht 2, 6a zeigt die Bindung von 12,5 nm, 25 nm und 50 nm Radius Polystyrol-Kügelchen in DPBS auf einer Silica-Mikrotoroid verdünnt. Wie man sehen kann, liefert diese Technik ähnlich Empfindlichkeit Verbesserungen. Weitere konsequente Schritte für die durchschnittliche Resonanz und Split-Frequenzen sind in Abbildung 6b für 12,5 nm Radius Wulst Bindung auf einem Mikrotoroid Oberfläche beobachtet.
Abbildung 1. Konzeptionelle DiagRAm der parallelen Faser-Interferometer Konfiguration, teilweise bestehend aus Bilder von Kieselsäure Mikrokügelchen, Mikrotoroid und microdisk Strukturen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
. 2 Whispering-Gallery-Mode Erfassungsmechanismus: a) Photonen werden innerhalb des Mikrohohlraums, die in der Abwesenheit von Nanopartikel Bindung, b) Nanopartikel adsorbiert an die Oberfläche und wird anschließend durch die Photonen abgetastet, wodurch wahrnehmbare Änderung in den optischen Eigenschaften, c) Frequenzaufspaltung auftritt aufgrund der Rückstreuung erfüllt und Hohlraumverlust Bedingungen eine zusätzliche Dimension zu dem Nanopartikel det bschnitt Methodik. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
. Abbildung 3 a) Ein Beispiel für einen Hohlraum Transmissionsspektrum, welches Qualitätsfaktoren von 2,1 × 10 8 für die Resonanz links und 3,8 × 10 8 für die Resonanz nach rechts; b) Interferometer-Signal verwendet, um die Halbwertsbreite bestimmen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
ftp_upload/51133/51133fig4.jpg "/>
Abbildung 4. Erwartete roh und Empfindlichkeit verbesserte Signal-Spektrogramme für die Pufferlösung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
. Abbildung 5 a) Auftragung der Resonanzwellenlängenverschiebung gegen die Zeit sowie die Diskrepanzen zwischen ausgenommen (rotes Signal) und darunter (grünes Signal) thermische Stabilisierung; b) Verwandte zeitabhängige Split-Frequenz, c) Verwandte zeitabhängigen Scan-Rate. Der erste Teilfigur zeigt eine graue Spur, auf die Daten für die herkömmliche Kippspannung Verfahren entspricht, während die grüne Kurve für die Referenz Interferometrie gewonnen. Siee, die roten und grünen Kurven oberhalb wurden auf separaten Daten aufgezeichnet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
. Abbildung 6 a) Gesammelte durchschnittliche Resonanzschaltstufen für 50 nm (rote Kurve), 25 nm (blaue Kurve) und 12,5 nm (grüne Kurve) Radius Perlen Bindung an Silica Mikrotoroide; b) Konsequente durchschnittliche Resonanzverschiebung (obere Einschub) und Split-Frequenzverschiebung Schritte (untere Kasten), die für 12,5 nm Polystyrol-Kügelchen Bindung an eine Mikrotoroid Oberfläche beobachtet werden. Diese Zahl wurde von Lu et al abgeleitet. 2 Bitte klickenhier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Das aktuelle Setup ist in der Lage eine Vielzahl von Sondierungs WGM Mikrohohlräume, wie Mikroplatten, Mikrosphären, und Mikrotoroide, ohne jede Regelung für die Sonde Laserquelle benötigen. Eine beträchtliche Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zur Erkennung kann durch den Schrittschalt Verbesserungen durch Weglänge und partikelinduzierte Rückstreuungseffekte vorgesehen erhalten werden. Angesichts der Einfachheit und der geringen Kosten des Referenz-Interferometers selbst, ist diese Methode eine effiziente Technik zum Studium oder zur Nutzung der Eigenschaften von WGM Kavitäten.
Alternativ kann die Strom, die in der Mikrohohlraum optimiert und Resonanz effektiver über die Annahme Phasenmodulation (PM) auf der Grundlage Pound-Drever-Hall (PDH) Frequenzverriegelung und Amplitudenmodulation (AM) auf Basis kritische Rückkopplungs 15 aufrechterhalten werden. Das aber geht auf Kosten der Einführung von nennenswerten Aufwand und Ausgaben. Lärm floors für die PDH-Ansatz haben auch vor kurzem rund 7 fm 16 gelogen, die Erhöhung der Rauschzahl um mindestens eine Größenordnung im Vergleich zu dem Entwurf in diesem Protokoll aufgeführt. Die Nanopartikel-Streuquerschnitte könnten, wie in Studien gezeigt, durch Interferometer Verlust Informationen Hohlraum verbesserte Amplitudenmodulation Laserabsorptionsspektroskopie (CEAMLAS) 17 angegeben gemessen werden.
Es ist zu beachten, dass nicht ordnungsgemäß entgast Lösungen können Luftblasen in vergleichbaren Durchmesser dem der Nanopartikelproben enthalten. Genauer gesagt, wird die Adsorption von solchen Blasen zu der Oberfläche der Mikrohohlraum die zu Fehlalarmen geben in Form von Frequenzverschiebung. Solche Artefakte sind schwer von den erwarteten Signalantworten, die sich aus Nanobead Bindung unterscheiden. Andere Überlegungen sind die stabile Strömung von Flüssigkeiten in der Nähe der Kegel zu Trennung zu vermeiden, sowie establishing wiederholbare Fasertaper Ziehbedingungen als zuverlässig erreichen vernünftigen Integrität und Einfügungsdämpfung (≈ 0,5 dB).
In der Vergangenheit wurden die Biosensor-Fähigkeiten dieser Versuchsanlage durch Messung unmarkierter Bindungs für Influenza-Virionen in DPBS getestet. Der SNR für diesem speziellen Szenario wurde berichtet, 38:1 sein. Potenzial des Systems zu Polystyrol Nanopartikel mit Radien so klein wie 12,5 nm zu erkennen ist zusätzlich nachgewiesen wurde 2. Insgesamt ist der Hauptvorteil des Referenz-Interferometers basiert Nachweisverfahren liegt in seiner Fähigkeit, Wellenlängenverschiebungen in Echtzeit zu überwachen, während die Minimierung von Fehlerbeiträgen von Jitter und Laserscanspannungssteuerung. Zum Beispiel wird das Entfernen des Jitters Rauschen allein das SNR erhöht um einen Faktor von 10. Die Platzierung von Plasmonen Hot-Spots (dh gebunden Plasmonen Nanopartikel, wie z. B. Gold-Nanohüllen) auf dem Äquator der WGM cavity im Bereich des evaneszenten Feldes ist ein weiteres Mittel, um das Erfassungssignal von etwas mehr als eine Grßenordnung zu verbessern, ohne Verschlechterung der Qualität stark Faktor 18,19.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Die Autoren möchten Xuan Du für den Bau der Konzeptdarstellung der 1 danken. Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse aus dem Natural Science and Engineering Research Council (NSERC) von Kanada finanziert.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Polystyrene Microspheres | PolyScience | ||
| Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline (DPBS) | Life Technologies | 14190 | |
| Piezoelectric Nanopositioner System | Physik Instrumente | P-611.3S | |
| Balanced Photodetector | Thorlabs | PDB120A | |
| Photodetector | Newport | 1801-FC | |
| 3 dB Fiber Optical Directional Coupler | Thorlabs | FC632-50B | |
| 10 dB Fiber Optical Directional Coupler | Thorlabs | FC632-90B | |
| Drop-In Polarization Controller | General Photonics | PLC-003-S-25 | |
| Function Generator | Hewlett-Packard | 33120A | |
| Fusion Splicer | Ericsson | FSU-925 | |
| High-Speed Oscilloscope | Agilent | DS09404A | |
| Motorized Translation Stage with Controller | Thorlabs | MTS25-Z8E | |
| Single Mode Optical Fiber, 600-800 nm, Ø125 μm Cladding | Thorlabs | SM600 | |
| Real-Time Electrical Spectrum Analyzer | Tektronix | RSA3408B | |
| Optical Spectrum Analyzer | Agilent | 70951A | |
| 632.5 – 637 nm Tunable Laser | New Focus | TLB-6304 | |
| Filtration Pump | KNF | ||
| Ultrasonic Cleaner | Crest Ultrasonics | Powersonic 1100D | |
| Mini Vortexer | VWR | VM-3000 | |
| Centrifuge | Beckman Coulter | Microfuge 22R |
References
- Vahala, K. J.
- Lu, T., et al. High sensitivity nanoparticle detection using optical microcavities. PNAS. 108 (15), 5976-5979 (2011).
- Vollmer, F., Arnold, S. Whispering-gallery-mode biosensing: label-free detection down to single molecules. Nat. Methods. 5 (7), 591-596 (2008).
- Vollmer, F., Braun, D., Libchaber, A., Khoshsima, M., Teraoka, I., Arnold, S. Protein detection by optical shift of a resonant microcavity. Appl. Phys. Lett. 80 (21), 4057-4059 (2002).
- Sun, Y., Fan, X. Optical ring resonators for biochemical and chemical sensing. Anal. Bioanal. Chem. 399 (1), 205-211 (2011).
- Shopova, S. I., Rajmangal, R., Nishida, Y., Arnold, S. Ultrasensitive nanoparticle detection using a portable whispering gallery mode biosensor driven by a periodically poled lithium-niobate frequency doubled distributed feedback laser. Rev. Sci. Instrum. 81 (10), 103-110 (2010).
- Santiago-Cordoba, M. A., Boriskina, S. V., Vollmer, F., Demirel, M. C. Nanoparticle-based protein detection by optical shift of a resonant microcavity. Appl. Phys. Lett. 99 (7), 073701 (2011).
- Swaim, J. D., Knittel, J., Bowen, W. P. Detection limits in whispering gallery biosensors with plasmonic enhancement. Appl. Phys. Lett. 99 (24), 243109 (2011).
- Gorodetsky, M. L., Pryamikov, A. D., Ilchenko, V. S.
- Lu, T., Su, J., Fraser, S., Vahala, K. J. Split frequency sensing methods and systems. Patent granted on. , (2013).
- Zhu, J., et al. On-chip single nanoparticle detection and sizing by mode splitting in an ultrahigh-Q microresonator. Nat. Photonics. 4 (1), 46-49 (2010).
- Shopova, S. I., Rajmangal, R., Nishida, Y., Arnold, S. Ultrasensitive nanoparticle using a portable whispering gallery mode biosensor driven by a periodically poled lithium-niobate frequency doubled distributed feedback laser. Rev. Sci. Instrum. 81 (10), (2010).
- Cai, M., Painter, O., Vahala, K. J. Observation of critical coupling in a fiber taper to a silica-microsphere whispering-gallery mode system. Phys. Rev. Lett. 85 (1), 74-77 (2000).
- Li, J., Lee, H., Yang, K. Y., Vahala, K. J. Sideband spectroscopy and dispersion measurement in microcavities. Opt. Express. 20 (24), 26337-26344 (2012).
- Chow, J. H., et al. Critical coupling control of a microresonator by laser amplitude modulation. Opt Express. 20 (11), 12622-12630 (2012).
- Swaim, J. D., Knittel, J., Bowen, W. P. Detection of nanoparticles with a frequency locked whispering gallery mode microresonator. Appl. Phys. Lett. 102 (18), (2013).
- Knittel, J., Chow, J. H., Gray, M. B., Taylor, M. A., Bowen, W. P. Ultrasensitive real-time measurement of dissipation and dispersion in a whispering-gallery mode microresonator. Opt. Lett. 38 (11), 1915-1917 (2013).
- Shopova, S. I., Rajmangal, R., Holler, S., Arnold, S. Plasmonic enhancement of a whispering-gallery-mode biosensor for single nanoparticle detection. Appl. Phys. Lett. 98 (24), (2011).
- Santiago-Cordoba, M. A., Boriskina, S. V., Vollmer, F., Demirel, M. C. Nanoparticle-based protein detection by optical shift of a resonant microcavity. Appl. Phys. Lett. 99 (7), (2011).
