Nanodetectionのリファレンス干渉計の実装

Summary

nanodetectionにとって望ましくないレーザジッタノイズを除去するように設計された基準干渉計技術は、超高品質係数マイクロキャビティをプロービングするために利用される。アセンブリ、セットアップ、およびデータ取得のための命令は、キャビティ品質係数を特定するための測定処理と並んで設けられている。

Abstract

超高品質係数マイクロキャビティを調べるのに適した熱的および機械的に安定化された光ファイバ干渉計は時代遅れである。その自由スペクトル領域（FSR）を評価した後、モジュールは、ファイバテーパマイクロキャビティシステムと並列に配置し、次いでレーザ周波数（ すなわち、レーザジッタノイズ）ランダムシフトを単離し、そして排除することを介して較正。テーパーマイクロキャビティ接合を実現するために、共振器に転送される光パワーを最大化するために、単一モード光ファイバ導波路が引っ張られる。ポリスチレンナノビーズを含有する溶液を調製し、次いで、マイクロキャビティの表面に結合する感知するシステムの能力を実証するために、マイクロキャビティに流入される。データは、高解像度の品質係数の測定ならびにこのような共振波長分割周波数シフトなどの時間依存パラメータの描画を可能にする適応曲線フィッティングを介して、後処理されている。慎重にすることによりタイム·ドメイン応答のステップを検査し、周波数領域応答にシフトし、この装置は、別々の結合事象を定量化することができます。

Introduction

研究に従事nanodetectionと^1-8バイオセンシングを目的としたウィスパリングギャラリーモード（WGM）マイクロキャビティの使用に大幅に上昇している。これは、超高品質係数（Q）単一タンパク質レベル²まで非常に小さい生物学的粒子を同定するのに精通している光学キャビティを含む。つまり^{、9月11日、}小さなモード体積内の光エネルギーの空洞の閉じ込めで有効にすることができ、特別な感度で共鳴し、送信用のスプリット周波数の変化を監視し、ある。共振器の光学特性の変化は、次に、個別の分子またはナノ粒子の結合を起源とし、これらのシフトの原因である。このような用途のための三次元構造のWGM少ない洗練された例は、単にCO ₂レーザを使用して線引きされた光ファイバをアブレーションすることによって近傍の原子的に平滑な表面で製造できるシリカ微小球である。知られているように、10 ⁹のオーダーで高いQ-因子は^、1を得ることができる。

微小空洞の共振周波数は、従来同時にオシロスコープで捕捉された光伝送を光検出しながら可変レーザ光源の光周波数を走査することによって監視される。この技術固有の欠点は、レーザー波長またはレーザ·ジッタ変動から生じる伝送における液滴の位置に関する不確実性である。この複雑さを克服するために、干渉計は、レーザジッタをキャンセルして観察された感度^を高めるために²基準信号を生成するためにマイクロキャビティと一緒に使用することができる。 （測定中過ぎたFSR周波数間隔のジッタリングからレーザを防止するのに十分大きい自由スペクトル範囲又はFSRを有する）int型干渉計と検出ビームを通過する参照光：光入力は、2つの光路に分割されるWGMの微小共振器とeracts。この機能は、分布帰還型レーザ（DFB）との組み合わせ周期分極反転ニオブ酸リチウム^{（PPLN）12と}ダブラーを伴うWGM感知と、より高度な構成と比較して実験を、合理化。この刊行物では、ナノスケール物質の超高品質係数マイクロキャビティベースの監視のための干渉計技術は^3に記載されている。これを達成するために必要な設定およびデータ取得手順は、空洞の品質係数は、基準干渉法により決定することができる方法を示す、概説されている。

Protocol

1。基準干渉計の構築およびFSR測定

1. 建設
   1. オープントップのアクリルボックスを作成します。この構造体は、発泡スチロールの箱にX 16×16で16にしっかりするのに十分な大きさでなければなりません。
   2. オープントップのアクリルボックスに座って、完全に熱分離のための発泡スチロールの箱で囲まれる光学部品を収容するために3段階の棚ユニットを製作。発泡スチロールの箱の2つの高架穴は繊維がエンクロージャ全体に入り、出ることを可能にするために存在している必要があります。
   3. ^第3段階：第3dB方向性結合器からの1つの出力ファイバは、次に、別個の3dB方向性結合器の入力ポートに導く偏波コントローラにクランプされるべきである。
   4. ^第 2 ^段階 ：第一3dB方向性結合器の他方の出力ポートに由来する光ファイバの約16フィートでループを形成する。複数の残りの入力ポートにこの繊維を導く^第3ステージ上econd 3dB方向性結合器。
   5. 氷浴を形作る、その結果、0℃付近の光学部品の温度を維持するように、50％の液体の水と混合し、50％かき氷アクリルボックスを塗りつぶし
2. FSR測定
   1. 所望の波長でプローブレーザーを設定します。その出力は3dBパワースプリッタに接続されるように関数発生器を使用する。 3dBのスプリッタからの出力の一方は、監視目的のためにオシロスコープに接続する必要があり、他方の出力を直接同調レーザの周波数に使用される。
   2. ^第 1 3dB方向性結合器への入力としてレーザ出力を供給する。
   3. ^第 2 3dB方向性結合器の2つの出力は、バランスト受光器（BPD）にphotomixed信号を運ぶことである。最後に、オシロスコープのチャネル入力にBPDの出力ケーブルを接続します。
   4. 直線的補遺によってレーザ周波数を走査する（V 1及び100Hzの走査周波数のピーク·ツー·ピーク電圧）の波形ジェネレータから生成されたランプ信号とレーザモジュール英。 BPDからの出力信号は、オシロスコープで正弦波となる。
   5. 正弦波形のピーク·ツー·ピーク電圧を最大化するように同調偏光コントローラ。
   6. FSRを測定するために、DCモードに波形発生器を設定することにより、連続波出力のレーザを構成する。同調波形発生器電圧BPDからの送信信号は、約0V（ すなわち 、□点）を変動するようにする。電気スペクトラムアナライザを使用して、出力信号を点検します。監視された信号は、グローバルな最大値（ゼロ周波数での）最も近い最初のゼロの位置はFSRに対応したsinc平方関数として表示されます。測定ノイズを最小化するために、平均化モードへの電気スペクトルアナライザを設定する。

^13を引っ張る2。ファイバ

プリアンブル：この手順の目的は、効率的なカップリングを行うことができるように、マイクロキャビティの略業者にテーパに進行する光子の位相を一致させることである。繊維が引っ張られるように、二つのクランプの間にある中央部分は、元のシリカクラッドにより形成された導波路内の複数のモードがコアとクラッ​​ドとなって大気になるため、定期的なファイバ内の単一モードを支持へ遷移しますシングルモードに。ファイバの石英コアは、実質的に一時的に満たされ、マルチモード伝播の条件は、繊維径の継続的な収縮によって相殺される、請求中央部に消える。

1. 電動並進ステージにファイバホルダを固定します。
2. 各セクションの一端にFC / APCコネクタ付き光ファイバの2つのセクションがConnectorize。ファイバーストリッパーと未接続端からバッファコーティングを除去、まずアセトンでそれらをきれいにし、目イソプロパノールエン、端面を切断し、融合は、それらを一緒にスプライス。
3. テーパの損失を監視ファイバの他端は光検出器（PD）に接続されているファイバの一端に定電力モードでのプローブレーザを接続する。 PDの出力をオシロスコープに接続する必要があります。透過したレーザパワーに比例したPDの出力電圧を測定するように、オシロスコープの設定を調整する。
4. PD出力電圧の初期値を記録し、ステップ2.9になるまで、それを監視し続ける。
5. ファイバホルダと画像を光学顕微鏡で繊維を繊維を固定。
6. それは、チューブを終了し、安定化するためのチャネルの圧力のための空気のを待って、テーパーの近くに流れ始めていることをこのような水素を放出。水素ガスの流速110 ml /分に達すると、繊維を加熱するために軽量化と出口の近くに点火する。
7. カスタムLabVIEWプログラムを使用して、直線的に光ファイバを引く。 PUの間にあることに注意複数のクラッドモードは、先細のファイバ部を介して光を導くのに支配的となる一方llingプロセスは、ファイバコアは徐々に消失する。光ファイバを介して伝送される強度は、マルチモード干渉により振動する必要があります。
8. それは、単一のクラッドモードをサポートするまで、ファイバテーパ幅を減少させるために繊維を引っ張る継続する。透過強度が変動しなくなったら、繊維を引っ張って停止します。
9. 移動ステージからファイバホルダを解放し、圧電ステージの近くで固定します。

3。準備とソリューションの提供

1. 10 PM、1 PM、およびダルベッコのリン酸緩衝生理食塩水（DPBS）での半径50nmの単分散ポリスチレン微小球で構成される100のFMソリューションを準備します。さらに、純粋なDPBSソリューションを作成します。
2. 、遠心機でソリューションを置き、バランスのために、その中で自分の位置をずらして、30分の紡糸サイクルを開始。
3. completio時にnは、確実に、デシケーター中に溶液を置き、それを排気し、30分間超音波の溶液に衝突する。
4. ソリューションを削除し、実験のセットアップの近くでそれらを脇に置きます。
5. 小さな流体供給システム用のスタンドを構築する。
   1. 2つのフェルールを清掃する際に、微小管セグメントの両端にシリンジ先端を挿入し、注射器の先端にフェルールのネジ。個別に第三の注射器の先端にフェルールの1を接続し、ルアーの他には、バレルプランジャアセンブリの取り付け、ロックします。
   2. スタンドにさらさ注射器の先端を固定し、サンプルの後ろにそれを支える。流体は、かなりのこぼれずに試料に流れることができるはずです。
6. 議定書の第5の観点から、適切な解決策でバレルをロードして、手動で実験中にマイクロ流体システムを介して注入する。

4。システム構成および相互接続

1. プローブLASEを接続 10デシベル方向性結合器からR。送信されたポートがテーパ状ファイバ、続いて偏光コントローラに接続されている間に結合されたポートは、基準干渉計の入力ポートに接続されている。
2. ファイバテーパ二つのシャープな画像を取得する顕微鏡対物レンズに再び焦点を合わせる。
3. PDにテーパーファイバの出力を接続します。このPDの出力は、オシロスコープの異なるチャネル入力に接続する必要があります。
4. ナノポジショナー上のサンプルをマウントして、ファイバテーパの中心に近接しているように、それを移動させる粗調整を行う。
5. サンプルにDPBSを注入。ファイバテーパは、2台のCCDカメラの視野に入ってくるような粗調整を行います。マイクロキャビティへのファイバテーパからカップリングを確立するためにナノポジショナーを調整します。
6. オシロスコープ上の適切な共振ディップが得られるように、レーザーの波長をスキャンします。

5。ナノ粒子検出

ontent ">のデータを取得するには、次のように、自家製のソフトウェアを使用して、オシロスコープのトリガ設定を設定し、さらなる処理のためにオシロスコープのトレースを収集。

1. 参照として、緩衝液用のデータを記録します。
2. 最低から最高濃度のナノ粒子溶液のためのデータを記録します。
3. マイクロキャビティを拘束により、ナノ粒子に行われる周波数シフトを観察します。

データの6。後処理

収集されたデータは更なる自己形成MATLABプログラムによって処理することができる。プログラムは、必要があります：

1. 基準干渉計のトレースを読んで、正弦曲線に最小二乗フィットを行っています。近似​​正弦波の位相をオンザフライレーザジッタを推定するために使用される。
2. 空洞伝送トレースを読んで、ダブルローレンツ関数に最小二乗フィットを行っています。光周波数は_、ν1（共振ディップに対応_ν2）及びそれらの半値全幅（FWHMの_、δν1で表される_{、δν2）は} 、干渉信号と送信信号とを比較することによって決定される。
3. 私は 1（左共鳴）または2（右共鳴）のいずれかであり得る、Q _{I =νI /δνI}からの個々のディップの品質係数を得る。
4. 従来のように、計算する、レーザスキャン電圧、レーザジッタ収率大きな測定ノイズを介して共振ディップの光周波数。
5. 平均共振周波数を集めるν _{平均=（ν1 +ν2）/} 2と分割周波数_Δν=ν2 - _ν1、各測定のための時間の関数としてプロットします。ナノ粒子は、マイクロキャビティの表面上に、平均共振周波数分割周波数証両方の突然のシフトを結合する場合ULDを観察すること。

Representative Results

プロトコルに従った後、トレースは、コンパイルされ、装着することができる。周波数分割がDPBS培地において観察されたビデオで示されたように、図3aは、マイクロスフェアの典型的な共鳴構造を示す。ダブルローレンツ関数にA最小二乗適合は、左右の共振ディップの品質係数は、それぞれ2.1×10 ⁸であり、水性環境中で3.8×10 ⁸ことを示している。 FWHMの光周波数は、赤色ながらレーザ波長は、青色シフトされるときに共鳴スペクトルが得られることQ.注用の高分解能測定をもたらすもの、図3bにおける干渉信号と空洞スペクトルを比較することによって得られる。シフト測定収量同様のQ値。 図4は、透過曲線の二重ローレンツ当てはめが計算された、請求項製造することができる共振スペクトログラムを示す。キャリブレーションの面では、目電子レーザジッタノイズは、元の基準干渉計から抽出し、続いて、干渉計およびマイクロスフェア信号の両方から除去される。レーザジッタキャンセルの非存在下で、 図4aは、単に共振谷にトリガすることにより生成されたスペクトログラムを示す。 図4cに示すように、熱ドリフトは、キャリブレーション時に現れる。自由空間干渉計とは対照的に、明らかに測定アプローチは、損失が減少していると考えられるシステムオンチッププラットフォームに統合することができる。定量的には、自由空間干渉計システム用のFSR測定は空洞のQのために180 kHzでRMS誤差に到達することができます= = 32.9382 GHzの¹⁴のFSRのための5.5×10 ^-6の相対精度に変換する1.5×10 ^8、。

図5は、の場合には分の3分の2の期間の平均値をマイクロキャビティ共振波長の連続的な追跡を示すDPBS浸漬。灰色の曲線は、共振波長が従来のレーザー走査電圧法により得られ、レーザジッタ較正が行われていない場合には、数十フェムトメートルのオーダーの測定波長変動があることを示している。参照干渉計（緑色の曲線）を用いて、ノイズがsubfemtometerレジームに低減される。熱安定化によってもたらされた改善はまた、非冷却同等（赤線）からsubfemtometerノイズの寄与を評価するために、図5aに提供されています。一方、分割周波数の測定は、平均共振曲線と同様のノイズフロアをもたらす。レーザー周波数スキャン率の評価は、副生成物授与の基準干渉スキームのように機能します。 図5cに示すように、レーザスキャンレートの変動は、10ギガヘルツ/秒のオーダーである。これにより、従来の方法に関連する測定ノイズに起因する可能性がある;しかし、これはsuppresseされます基準干渉計によるD。接続されたビデオにカタログさ50nmのポリスチレンビーズの結合を示す事象は、さらに、マイクロスフェアを使用してキャプチャすることができる。平均共振や分割周波数シフトの両方のための手順は、はっきりと見える。

別の公開されたデモ²では、 図6aは、12.5ナノメートル、25ナノメートル、シリカマイクロトロイドにDPBSで希釈した半径50nmのポリスチレンビーズの結合を表示する。図から分かるように、この技術は、同様の感度の強化をもたらす。平均共振や分割周波数については、さらに一貫性のステップはマイクロトロイド表面に結合12.5 nmの半径ビーズに図6bに観察される。

図1。概念diagra平行線維干渉計構成のmは、部分的にシリカ微小球、マイクロトロイド、そしてマイクロディスク構造の画像を備える。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図2ウィスパリングギャラリーモードセンシング機構は、a）光子結合ナノ粒子の非存在下でマイクロキャビティ内を循環していると、b）ナノ粒子が表面に吸着し、続いて光学特性の知覚可能な変化を引き起こす、光子によってサンプリングされると、c）。周波数分割は、ナノ粒子detは、追加の次元を提供し、満足後方キャビティ損失条件による起こる ECTION手法。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図3の右側に共振用の左および3.8×10 ^8個の共振のために2.1×10 ⁸の品質係数を示す共振器の透過スペクトルのa）の例; B）半値幅を決定するために使用される干渉信号。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

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図4。緩衝液の原料と感度強調信号スペクトログラムを予想した。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図5 A）対時間の共振波長シフトのプロットだけでなく、熱安定化を（赤信号を除く）、）（緑信号を含む間の不一致。 B）時間依存の分割周波数を関連し、c）関連時間依存スキャン速度。緑のトレースは、基準干渉法のために取得される一方、第副図は、従来の掃引電圧方式のデータに対応する灰色のトレースを示す。彼女のE、上方に位置する赤と緑の曲線は、別々の日に記録した。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

。図6のA）を50nm（赤線）、25ナノメートル（青線）、および12.5 nmのシリカ微小トロイドへの結合（緑色の曲線）半径ビーズの平均共鳴シフトステップを収集した。マイクロトロイド表面に結合する12.5 nmのポリスチレンビーズについて観察されたb）に一致して平均的な共鳴シフト（上部挿入図）および分割周波数シフト工程（下側挿入図）。この図は、Lu らから派生してきた^。2 をクリックしてくださいここで、この図の拡大版を表示します。

Discussion

この電流設定は、プローブレーザ源のための任意のフィードバック制御を必要とせずに、このようなマイクロディスク、マイクロスフェア、及び、微小トロイドとしてWGMマイクロキャビティ、様々なプロービングすることが可能である。検出のためにかなりの信号対雑音比（SNR）は経路長及び粒子によって誘導される後方散乱効果によって設けられた段差シフトの強化を得ることができる。基準干渉計自体のシンプルさと低コストを考えると、この方法では、WGM空洞の性質を研究するか、活用するための効率的な手法である。

あるいは、マイクロキャビティ内を循環する電力を最適化することができ、共振をより効果的に位相変調（PM）ベースのパウンド-ド·ホール（PDH）周波数ロック及び振幅変調（AM）ベースの臨界結合フィードバック^15を採用することを介して永続化することができる。しかし、これはかなりの複雑さと支出を導入するコストがかかります。ノイズfPDHのアプローチのためのloorsも最近、このプロトコルでは詳細設計と比較して、少なくとも一桁で雑音指数を上げ、7 FM ¹⁶の周りに嘘をついている。ナノ粒子の散乱断面積は、臨床試験において示されるように、空洞増強振幅変調レーザ吸収分光法^{（CEAMLAS）17}によって与えられた干渉計の消費情報を介して測定することができる。

これは、不適切に脱気溶液は、ナノ粒子試料のそれに匹敵する気泡径の気泡を含み得ることに留意することが重要である。具体的には、マイクロキャビティの表面にこのような気泡の吸着は、周波数シフトの形で偽陽性を生じさせるであろう。このような人工物は結合ナノビーズから生じる予想される信号の応答と区別することが困難である。その他の考慮事項は、安定した切断を回避するために、テーパーの近くに液体の流れだけでなく、を含むestablishingの反復可能なファイバテーパを確実に合理的な完全性および挿入損失（≈0.5デシベル）を達成するための条件を引っ張る。

過去には、この実験系のバイオセンシング機能はDPBSで非標識のインフルエンザAビリオンのための結合を測定することによって試験された。この特定のシナリオのSNRが38:1であることが報告された。 12.5 nmと小さい半径を有するポリスチレンナノビーズを検出するためのシステムの電位はさらに²実証され^ている。全体的に、参照干渉計ベースの検出方法の主な利点は、周波数ジッタとレーザ走査電圧制御からの誤差寄与を最小にしながら、即座に波長シフトを監視する能力にある。例えば、ジッタノイズを除去して単独で10倍にSNRを増加させる。WGM cの赤道上（例えば、金ナノシェルとして、すなわち結合したナノ粒子のプラズモン）プラズモニックホットスポットの配置をエバネッセント場の近傍におけるavityは重く品質係数^18,19を劣化させることなく、一桁強による検出シグナルを増強するための別の手段である。

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