Method Article

Nanodetection için bir referans Interferometer Uygulanması

DOI:

10.3791/51133

⸱

April 26th, 2014

 ,  , 
1Department of Electrical and Computer Engineering, University of Victoria

* These authors contributed equally

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nanodetection için istenmeyen lazer seğirme gürültü çıkarmak için tasarlanmış bir referans interferometresi tekniği, ultra-yüksek kalite faktörü microcavity tarama için kullanılır. Montajı, kurulumu ve veri toplama için Talimatları kavite kalite faktörünü belirlemek için ölçüm işlemi yanında, sağlanmaktadır.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ultra-yüksek kalite faktörü mikro boşluklara incelenmesi için uygun bir termal ve mekanik stabilize lif girisimölçer şekillendirilmiştir. Serbest spektral aralığını (FR) değerlendirdikten sonra, modül fiber konik-microcavity sistemi ile paralel olarak konur ve sonra lazer frekansına (yani lazer seğirme gürültü) rastgele vardiya izole ve ortadan kaldırılması yoluyla kalibre. Konik-microcavity kavşak gerçekleştirmek ve rezonatör aktarılır optik gücünü maksimize etmek, bir tek modlu fiber optik dalga çekilir. Polistiren nanobeads içeren çözeltiler daha sonra hazırlanmış ve microcavity yüzeyine bağlanma anlamda sistem yeteneğini göstermek için microcavity için gitmiştir. Veri yüksek çözünürlüklü kalite faktörü ölçümleri yanı sıra rezonans dalga boyu ve frekansı bölme vardiya olarak zamana bağlı parametrelerin komplo sağlar uydurma adaptif eğrisi aracılığıyla sonrası işlenmiş olduğunu. Dikkatli tarafındanzaman-etki tepki adımları teftiş ve frekans etki tepki değişen, bu alet ayrık bağlanma olayları ölçmek olabilir.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Araştırma faiz nanodetection ve 1-8 Biyoalgılayıcı amacıyla fısıldayan galeri modunda (WGM) mikro boşlukların kullanımı üzerinde önemli ölçüde arttı. Bu ultra-yüksek kalite faktörü (Q) tek protein düzeyinde 2 aşağı minik biyolojik parçacıkları, belirlenmesinde yetkin optik boşluklar içerir. Bu olağanüstü duyarlılığı ile iletim 9-11 küçük bir mod hacim içinde ışık enerjisi boşluktaki hapsi ile etkin olabilir için rezonans ve bölünmüş frekans değişimleri izleme, olduğunu. Bir rezonatör optik özellikleri varyasyonlar da ayrık molekül ya da nanopartiküllerin bağlama kaynaklanan bu kaymaların nedeni vardır. Bu tür uygulamalar için üç boyutlu bir yapının bir WGM daha az karmaşık, örneğin, sadece bir CO2 lazer kullanılarak çekilmiş bir fiber optik ablasyonu ile yakın bir atomik olarak pürüzsüz bir yüzeye sahip imal edilebilir bir silis mikrosfer olduğu. Bilindiği gibi,10 9 sipariş üzerine yüksek Q-faktörler 1 elde edilebilir.

Bir microcavity ait rezonans frekansı aynı zamanda, geleneksel olarak, bir osiloskopta yakalanır optik iletim foto-tespit ederken, ayarlanabilir bir lazer kaynağının optik tarama frekansı ile izlenir. Bu tekniğin doğal bir dezavantajı lazer dalga boyu veya lazer titremesini dalgalanan kaynaklanan iletim damla konumu ile ilgili belirsizlik olduğunu. Bu komplikasyon üstesinden gelmek için, girişimölçer lazer jitter iptal ve gözlenen hassasiyeti 2 artırmak için bir referans sinyali üretmek için bir microcavity birlikte kullanılabilir. (Ölçüm esnasında son bir FSR frekans aralığı titreşimi gelen lazer önlemek için yeterince büyük bir serbest spektral aralığının veya FSR ile) interferometre ve int bulgulama ışın geçer referans ışını: Işık giriş iki optik yolları ayrılmıştırWGM microresonator ile eracts. Bu özellik, bir dağıtılmış geribildirim lazer (DFB) kombinasyonu ve periyodik kutuplu lityum niyobat (PPLN) 12 DoubleR gerektiren WGM algılama gibi daha gelişmiş yapılandırmaları göre deneyler, akıcılık. Bu yayında, nano madde ultra-yüksek kalite faktörü microcavity tabanlı izlenmesi için girişimölçer tekniktir 3 tarif edilir. Bunu gerçekleştirmek için gerekli kurulum ve veri toplama işlemleri kavite kalite faktörü referans interferometri ile tespit edilebilir nasıl gösteren, özetlenmiştir.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1.. Referans Interferometre İnşaat ve AYH Ölçme

  1. İnşaat
    1. Üstü açık bir akrilik kutusu oluşturun. Bu yapı Strafor kutu içinde x 16 x 16 bir 16 içine rahatça sığacak kadar büyük olmalıdır.
    2. Üstü açık akrilik kutusunda oturmak ve tamamen ısı yalıtımı için strafor kutu ile kapalı olacak optik bileşenleri, evine 3 aşamalı bir rafı imal. Strafor kutusunda bulunan iki yüksek delik lifler tüm kasayı girmek ve çıkmak için izin vermek için mevcut olması gerekir.
    3. 3. aşamada: 3 dB yönlü bir bağlayıcı One çıkışı elyaf da ayrı bir 3 dB yönlü bir bağlayıcı bir giriş portuna yol açan bir polarizasyon kontrolöre klemplenmelidir.
    4. 2. aşamada: İlk 3 dB yönlü kuplör diğer çıkış bağlantı kaynaklanan optik elyafın yaklaşık 16 metre olan bir döngü oluşturur. S kalan giriş bağlantı bu fiber Doğrudan3. sahnede econd 3 dB yönlü elemanı.
    5. Bir buz banyosu moda olarak,% 50 sıvı, su ile karıştırılarak% 50 traş buz ile akrilik kutusunu doldurmak ve buna bağlı olarak 0 ° C civarındaki optik bileşenlerin sıcaklığını korumak
  2. AYH Ölçme
    1. İstenilen dalga boyunda lazer probu kurmak. Onun çıkış 3 dB güç splitter bağlı olduğundan böyle bir fonksiyon jeneratörü çalıştırmak. 3 dB ayırıcıya gelen çıktıların bir izleme amacıyla osiloskop bağlı olmalıdır ve diğer çıkış doğrudan ayar lazer frekansı kullanılacak.
    2. 1 st 3 dB yönlü bir bağlayıcı için girdi olarak lazer çıkış besleyin.
    3. 2. 3 dB yönlü bağlaçta iki çıkışları dengeli Fotodedektör (BPD) photomixed sinyallerini taşımak için vardır. Son olarak, osiloskop bir kanal girişine BPD çıkış kablosunu bağlayın.
    4. Lineer Sayı ile lazer tarama frekansı(1 V ve 100 Hz arasında bir frekans tarama tepe-tepe voltaj ile) dalga biçimi üreteci üretilen bir rampa sinyali ile laser modülünü ying. BPD gelen çıkış sinyali osiloskop sinüs olacak.
    5. Dinle polarizasyon kontrolör sinüs dalga tepe-tepe gerilimi maksimize etmek gibi.
    6. , FSR'ye ölçmek DC moduna dalga jeneratörü ayarlayarak sürekli dalga çıkışı için lazer yapılandırmak için. Dinle dalga jeneratör gerilim BPD'den iletilen sinyal etrafında 0 V (yani. Karesel noktası) dalgalandığı böyle. Bir elektrik spektrum analizör kullanılarak çıkış sinyalini kontrol edin. Izlenen sinyal küresel maksimum (sıfır frekansında) en yakın ilk sıfır konumu FSR karşılık gelen bir basınç-kare fonksiyonu olarak görünmelidir. Ölçüm gürültüsünü en aza indirmek için, ortalama moduna elektrik spektrum analizörü ayarlayın.

2.. Fiber 13 Çekme

Başlangıç: Bu prosedürün bir hedefi, yaklaşık verimli kavrama meydana böylece microcavity kişilerce konik seyahat fotonların faz maç için. Fiber çekildiğinde, iki kelepçe arasında kalan merkezi bölüm daha sonra, kaplama haline çekirdek ve hava hale orijinal silis kaplama ile oluşturulan bir dalga kılavuzu içinde birden modları için, normal bir elyaf içindeki tek modunu destekleyen geçiş olacak ve Tek bir moda. Memnun modlu yayılma koşullar elyaf çapının sürekli daralma ile etkisiz olacak olup, burada, geçici olarak lifin silika çekirdek hemen hemen merkezi bölümünde kaybolur.

  1. Motorlu translasyonel aşamasına fiber sabitleyin.
  2. Her bölümün bir ucunda FC / APC bağlantı optik lif iki bölümleri Connectorize. Fiber striptizci ile bağlantısız uçlarından ara kaplamayı çıkarın, ilk aseton ile temizleyin ve inciizopropanol tr, uç yönleriyle tutunmaya, füzyon ve onları bir araya splice.
  3. , Konik kaybını en izlenmesi diğer fiberin ucu, bir fotodetektör (PD) bağlı iken, fiberin bir ucuna sabit bir güç modunda bir sonda lazer bağlamak için. PD'nin çıkışı, bir osiloskopa bağlanmalıdır. Iletilen lazer gücü ile orantılı olan PD çıkış voltajı ölçmek için osiloskop ayarları yapılır.
  4. PD çıkış geriliminin başlangıç ​​değeri kaydedin ve adım 2.9 kadar izlemeye devam.
  5. Fiber tutma düzeninin ve görüntü bir optik mikroskop ile fiber için fiber sıkıştırın.
  6. Bu hava borusunu çıkmak ve stabilize etmek için kanalın basıncı için bekleyen, konik yakın akmaya başlar, öyle ki, hidrojeni serbest bırakın. , Hidrojen gazı için akış hızı 110 ml / dak ulaştığında, elyaf ısı ile daha hafif bir çıkışa yakın bir tutuşturmak.
  7. Özel bir LabVIEW programı kullanılarak, doğrusal fiber çekin. Pu sırasında unutmayınBirden fazla kaplama modları şevli fiber bölüm yoluyla ışık kılavuz baskın hale iken lling işlem olup, elyaf çekirdek yavaş yavaş kaybolur. Fiber optik vasıtası ile iletilen çok modlu yoğunluğu girişimi nedeniyle salınım gerekir.
  8. Sadece tek bir kaplama modunu destekler kadar fiber konik genişliğini azaltmak için fiber çekerek devam edin. Işık şiddeti değişir durduğunda, lif çekerek durdurmak.
  9. Çeviri aşamasında gelen lif tutucu bırakın ve piezoelektrik sahne yakınındaki sabitleyin.

3.. Hazırlama ve Çözümleri Teslim

  1. 22:00, 13:00 ve Dulbecco fosfat tamponlu salin (DPBS) içinde 50 nm yarıçap Tek dağılımlı polistiren mikro oluşan 100 fM çözelti hazırlayın. Ayrıca, saf DPBS çözüm oluşturmak.
  2. , Bir santrifüjde çözüm yerleştirin denge amacıyla içindeki konumlarını sersemleme ve bir 30 dakika eğirme döngüsü başlatmak.
  3. Completio Uponn, güvenli bir şekilde, bir kurutucuda çözüm yer bunu tahliye ve 30 dakika boyunca ultrason dalgaları ile çözüm bombardıman.
  4. Çözüm çıkarın ve deneme kurulumunun yakın bunları bir kenara koyun.
  5. Küçük bir sıvı dağıtım sistemi için bir stand oluşturun.
    1. Iki bileziğin temizlik üzerine, bir mikrotübül segmentinin iki ucundan üzerine şırınga ipuçları eklemek ve şırınga ipuçları ferülü vida. Bireysel üçüncü bir şırınga ucu yüksüklerdeki birini bağlayın ve Luer için diğer bir varil-piston montaj uydurma kilitleyin.
    2. Stand maruz şırınga ucu sabitleyin ve numune arkasında pervane. Sıvılar önemli dökülme olmaksızın numune üzerine akmasına gerekir.
  6. Protokol Bölüm 5 bakımından uygun bir çözüm ile namluyu yük ve elle deney sırasında mikroakışkan sistemi aracılığıyla enjekte.

4. Sistem Yapılandırması ve Interconnections

  1. Prob Lase bağlayın 10 dB yönlü coupler'e r. Iletilen bağlantı konik lif ardından polarizasyon denetleyiciye bağlıyken birleştiğinde noktası referans interferometrenin giriş portuna bağlanır.
  2. Lif daralmasının iki keskin görüntüler elde etmek için mikroskop hedefleri yönlendirmesi.
  3. Bir Emniyeti'ne konik fiber çıkışını bağlayın. Bu PD çıktısı osiloskop farklı bir kanal girişine bağlı olmalıdır.
  4. Nanopositioner üzerinde numuneyi monte edin ve elyaf konik merkezine yakın olduğu, böylece bu yer değiştirmesi için kaba ayarlamaları yapın.
  5. Numuneye DPBS enjekte edilir. Kaba ayarlamaları gibi fiber konik iki CCD kamera görünümüne girer emin olun. Microcavity için fiber konik ikinci kuplaj kurmak için nanopositioner ayarlayın.
  6. Osiloskopta uygun bir rezonans daldırma elde etmek için lazer dalga boyu tarayın.

5.. Nanoparçacık Algılama

ontent "> veri elde etmek için:, ev yapımı yazılımı kullanarak, osiloskobun tetik ayarlarını yapılandırın ve daha fazla işlem için osiloskop izlerini toplamak.

  1. Bir referans olarak tampon çözeltisi için veri kaydedin.
  2. Düşükten en yüksek konsantrasyonuna nanopartikül çözümler için kaydedilmektedir.
  3. Microcavity bağlayıcı nedeniyle nanopartikülüne gerçekleşecek frekans değişimleri gözlemleyin.

Verilerin 6. Sonişleme

Toplanan veriler ayrıca bir öz-yazılı MATLAB programı tarafından işlenebilir. Program gerekir:

  1. Referans interferometre izlerini okumak ve sinüzoidal eğriler için en az bir-kare uyum yapmak. Gömme sinüzoidal Fazlar anında lazer titremeyi tahmin etmek için kullanılır.
  2. Kavite iletim izlerini okuyun ve çift-Lorentz fonksiyonu için en az bir-kare uyum yapmak. Optik frekansları, 1 ν (rezonans dips tekabülν 2) ve δν 1 ile temsil edilen yarı maksimum (FWHM ait, önceki tam genişlikleri, δν 2) interferometre sinyal iletim sinyalinin karşılaştırılması ile belirlenir.
  3. I 1 (sol rezonans) veya 2 (sağ rezonans) olabilir, ya da Q i = ν i / δν i ve her bir daldırma kalite faktörünün elde edilir.
  4. Geleneksel olarak, hesaplamak, lazer tarama gerilim, lazer seğirme verimleri daha büyük ölçüm gürültü yoluyla rezonans dips optik frekansları.
  5. Ortalama rezonans frekansı ν ort toplayın = (ν 1 + ν 2) / 2 ve ayrık frekans Δν = ν 2 - ν 1 her bir ölçüm için ve zamanın bir fonksiyonu olarak çizmek. Bir nanoparçacık microcavity, ortalama rezonans frekansı ve iki frekans sho hem ani değişimler yüzeyine bağlandığındaULD gözlenebilir.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Protokolü aşağıdaki sonra izleri derlenmiş ve monte edilebilir. Frekans bölme DPBS bir ortam içinde görülen olduğu için video, sunulan Şekil 3a da, mikro kürenin tipik rezonans yapısını göstermektedir. Çift Lorentzian işlevine bir en küçük kare fit sol ve sağ rezonans eğim kalite faktörü sırasıyla 10 x 8 2.1 olan ve sulu bir ortamda 3.8 x 10 8 gösterir. Kırmızı bir süre FWHM optik frekanslar, lazer dalga boyu kaymıştır mavi olduğunda rezonans tayfı elde edilir S. Not yüksek çözünür...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu akım ayar prob lazer kaynağı için herhangi bir geri besleme kontrolü gerektirmeden, örneğin microdisks, mikro kürecikler ve mikro boşluklara WGM microtoroids gibi, bir dizi tarama özelliğine sahiptir. Tespiti için hatırı sayılır bir sinyal-gürültü oranı (SNR) nedeniyle yol uzunluğu ve partikül kaynaklı geri saçılma etkiler sağladığı adım kaydırma donanımlar için elde edilebilir. Sadelik ve referans interferometrenin kendisinin düşük maliyeti göz önüne alındığında, bu yöntem WGM boşlukların özelliklerini inceleyerek v...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar Şekil 1 kavramsal şemasını oluşturmak için Xuan Du teşekkür etmek istiyorum. Bu çalışma Kanada Doğal Bilim ve Mühendislik Araştırma Konseyi (NSERC) hibe tarafından finanse edildi.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Polistiren  Mikro kürelerPolyScience
Dulbecco' s Fosfat Tamponlu Tuzlu Su (DPBS)Life Technologies14190
Piezoelektrik Nano Konumlandırıcı SistemPhysik InstrumenteP-611.3S
Dengeli FotodedektörThorlabsPDB120A
FotodedektörüNewport1801-FC
3 dB Fiber Optik Yönlü BağlayıcıThorlabsFC632-50B
10 dB Fiber Optik Yönlü BağlayıcıThorlabsFC632-90B
Drop-In Polarizasyon Kontrol CihazıGenel FotonikPLC-003-S-25
Fonksiyon JeneratörüHewlett-Packard33120A
Füzyon BirleştiriciEricssonFSU-925
Yüksek Hızlı Osiloskop AgilentDS09404A
Denetleyicili Motorlu Çeviri AşamasıThorlabsMTS25-Z8E
Tek Modlu Optik Fiber, 600-800 nm, & Oslash; 125 μ m KaplamaThorlabsSM600
Gerçek Zamanlı Elektrik Spektrum AnalizörüTektronixRSA3408B
Optik Spektrum AnalizörüAgilent70951A
632.5 – 637 nm Ayarlanabilir LazerYeni OdakTLB-6304
Filtrasyon PompasıKNF
Ultrasonik TemizleyiciCrest UltrasonikPowersonic 1100D
Mini VortekserVWRVM-3000
SantrifüjBeckman CoulterMikrofüj 22R

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Vahala, K. J. Optical microcavities. Nature. 424 (6950), 839-846 (2003).
  2. Lu, T., et al. High sensitivity nanoparticle detection using optical microcavities. PNAS. 108 (15), 5976-5979 (2011).
  3. Vollmer, F., Arnold, S. Whispering-gallery-mode biosensing: label-free detection down to single molecules. Nat. Methods. 5 (7), 591-596 (2008).
  4. 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).
  5. Sun, Y., Fan, X. Optical ring resonators for biochemical and chemical sensing. Anal. Bioanal. Chem. 399 (1), 205-211 (2011).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Swaim, J. D., Knittel, J., Bowen, W. P. Detection limits in whispering gallery biosensors with plasmonic enhancement. Appl. Phys. Lett. 99 (24), 243109(2011).
  9. Gorodetsky, M. L., Pryamikov, A. D., Ilchenko, V. S. Rayleigh scattering in high-Q microspheres. J. Opt. Soc. Am. B. 17 (6), 1051-1057 (2000).
  10. Lu, T., Su, J., Fraser, S., Vahala, K. J. Split frequency sensing methods and systems. Patent granted on. , (2013).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Li, J., Lee, H., Yang, K. Y., Vahala, K. J. Sideband spectroscopy and dispersion measurement in microcavities. Opt. Express. 20 (24), 26337-26344 (2012).
  15. Chow, J. H., et al. Critical coupling control of a microresonator by laser amplitude modulation. Opt Express. 20 (11), 12622-12630 (2012).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Reference InterferometerWhispering Gallery ModeNanoparticle DetectionFiber Taper MicrocavityLaser Jitter Noise SuppressionAdaptive Curve FittingQuality Factor MeasurementResonant Wavelength ShiftFrequency Splitting AnalysisPolystyrene Nanobeads Sensing

Related Articles