تنفيذ التداخل المرجعي لNanodetection

Summary

ويستخدم تقنية تداخل المرجعية، والتي صممت لإزالة الضوضاء غير المرغوب فيها غضب ليزر لnanodetection، لبحث عاملا microcavity جودة فائقة. وتقدم الإرشادات للتجميع، والإعداد، والحصول على البيانات، إلى جانب عملية القياس لتحديد عامل الجودة تجويف.

Abstract

هو الطراز وتداخل الألياف استقرت حراريا وميكانيكيا مناسبة لفحص عامل microcavities جودة فائقة. بعد تقييم مجموعتها الطيفية الحرة (FSR)، يتم وضع وحدة بالتوازي مع نظام تفتق-microcavity الألياف ثم معايرة من خلال عزل والقضاء على التحولات العشوائية في تردد الليزر (ليزر أي ضجيج غضب). لتحقيق تقاطع تفتق-microcavity وتعظيم الطاقة الضوئية التي يتم نقلها إلى مرنان، يتم سحبها واحد وضع الألياف البصرية الدليل الموجي. المحاليل المحتوية على nanobeads البوليسترين ثم يتم إعداد ونقل جوا إلى microcavity من أجل إثبات قدرة النظام على الشعور ملزمة لسطح microcavity. البيانات بعد معالجتها، عبر منحنى التكيف المناسب، والذي يسمح للقياسات عالية الدقة للعامل الجودة فضلا عن التآمر من المعلمات التي تعتمد على الوقت، مثل الطول الموجي والتردد الرنانة الانقسام التحولات. من قبل بعنايةتفتيش الخطوات في زمن الاستجابة المجال والتحول في استجابة التردد المجال، ويمكن قياس هذا الصك الأحداث ملزمة منفصلة.

Introduction

وقد ارتفعت الفائدة الأبحاث بشكل كبير على استخدام وضع يهمس-معرض (WGM) microcavities لغرض nanodetection وbiosensing ^1-8. وهذا ينطوي على عامل الجودة عالية جدا (س) تجاويف البصرية التي يجيدون في تحديد الجزيئات البيولوجية ضئيلة، وصولا الى مستوى بروتين واحد ^2. وهذا هو، ورصد التحولات في صدى وتردد الانقسام لنقل مع حساسية غير عادية ^9-11 يمكن تمكين حبسها تجويف من الطاقة الضوئية ضمن حجم صغير وضع. الاختلافات في الخصائص البصرية للمرنان هي السبب في هذه التحولات، والتي بدورها تأتي من الربط من جزيئات منفصلة أو النانوية. والمثال أقل تطورا من بنية WGM ثلاثية الأبعاد لمثل هذه التطبيقات هو المكروية السيليكا، والتي يمكن أن تكون ملفقة مع قرب سطح أملس بالذرة ببساطة عن طريق الذوبان الألياف البصرية رسمها باستخدام الليزر CO _2. كما هو معروف،عالية العوامل-Q على ترتيب 10 ^{9 1} لا يمكن أن يتحقق.

ويتم رصد تردد الرنين من microcavity تقليديا عن طريق مسح التردد البصرية من مصدر ليزر الانضباطي في وقت واحد في حين أن الصورة في الكشف عن انتقال البصرية التي يتم التقاطها على الذبذبات. والعيب المتأصلة في هذه التقنية هو عدم اليقين المرتبطة موقع قطرات في نقل الذي يطرح نفسه من تذبذب الليزر الطول الموجي أو غضب الليزر. للتغلب على هذه المضاعفات، وتداخل يمكن استخدامها جنبا إلى جنب مع microcavity لإنتاج إشارة مرجعية لإلغاء غضب الليزر وزيادة حساسية لاحظ ^2. يتم تقسيم المدخلات الضوء إلى مسارين البصرية: شعاع المرجع الذي يمر عبر تداخل (مع مجموعة الطيفية مجانا أو FSR كبيرة بما يكفي لمنع الليزر من النرفزة واحد تباعد تردد FSR الماضي خلال القياس) وشعاع كشف أن الباحثeracts مع ميكروريسوناتور WGM. هذه الميزة يبسط التجارب بالمقارنة مع تكوينات أكثر تقدما، مثل تلك التي من WGM الاستشعار تنطوي على مزيج من الليزر ردود الفعل وزعت للعبة (يويفا) وpoled دوري نيوبات الليثيوم (PPLN) مضاعف ^12. في هذا المنشور، يوصف أسلوب تداخل لرصد جودة فائقة عامل microcavity استنادا للمادة ³ النانو. وترد إجراءات الإعداد والحصول على البيانات المطلوبة لتحقيق ذلك، توضح كيف يمكن تحديد عامل الجودة من خلال تجويف التداخل المرجعية.

Protocol

1. مرجع التداخل البناء وFSR القياس

1. إنشاءات
   1. إنشاء مربع الاكريليك مكشوفة. وينبغي أن يكون هذا الهيكل كبيرة بما يكفي لتناسب بشكل مريح إلى 16 × 16 في في × 16 في مربع الستايروفوم.
   2. افتعال وحدة رفوف 3 مراحل لإيواء المكونات البصرية، والتي سوف تجلس في مكشوفة مربع الاكريليك وسيتم المغلقة تماما من قبل مربع الستايروفوم لعزل الحراري. يجب أن يكون اثنين من الثقوب مرتفعة على مربع الستايروفوم الان للسماح للألياف للدخول والخروج من العلبة بأكملها.
   3. على المسرح 3 ^{الثالثة:} واحد من الألياف الإخراج من مقرنة اتجاهي 3 ديسيبل ينبغي فرضت على وحدة تحكم الاستقطاب الذي بدوره يؤدي إلى مدخل الميناء من 3 ديسيبل منفصلة مقرنة الاتجاه.
   4. على المسرح 2 ^{الثانية:} تشكيل لحلقة مع ما يقرب من 16 قدما من الألياف البصرية الناشئة عن غيرها من منفذ إخراج أول 3 ديسيبل الاتجاه مقرنة. توجيه هذه الألياف إلى مدخل الميناء المتبقية من لياليecond 3 ديسيبل الاتجاه مقرنة على المسرح 3 ^{الثالثة.}
   5. ملء مربع الاكريليك مع 50٪ حلق الجليد مختلطة مع 50٪ من المياه السائلة، كما أن الموضة حمام الثلج وبالتالي الحفاظ على درجة حرارة المكونات البصرية بالقرب من 0 درجة مئوية.
2. FSR القياس
   1. إعداد الليزر التحقيق في الطول الموجي المطلوب. توظيف وظيفة مولد بحيث يتم توصيل انتاجها إلى قوة الخائن 3 ديسيبل. يجب أن يكون متصلا واحدة من المخرجات من الخائن 3 ديسيبل إلى الذبذبات لأغراض الرصد وإخراج آخر لاستخدامه لمباشرة توليف تردد من الليزر.
   2. تغذية انتاج الليزر كإدخال إلى مقرنة اتجاهي 1 ^شارع 3 ديسيبل.
   3. النواتج اثنين من ^{الثانية} 2 3 ديسيبل مقرنة اتجاهي هي لحمل الإشارات photomixed إلى photodetector متوازنة (برميل يوميا). أخيرا، قم بتوصيل كابل خرج من برميل يوميا إلى مدخل القناة من الذبذبات.
   4. خطيا مسح تردد الليزر من قبل ملحقيينغ وحدة ليزر مع إشارة منحدر المتولدة من مولد الموجي (مع الجهد الذروة إلى الذروة من 1 V وتردد المسح من 100 هرتز). فإن إشارة خرج من برميل يوميا تصبح الجيبية على الذبذبات.
   5. ضبط تحكم الاستقطاب لتحقيق أقصى قدر من الجهد الذروة إلى الذروة من الموجي الجيبية.
   6. لقياس FSR، تكوين ليزر لإخراج موجة مستمرة من خلال وضع مولد الموجي إلى وضع العاصمة. لحن الموجي مولد الجهد من هذا القبيل أن الإشارة المرسلة من يتقلب في جميع أنحاء برميل يوميا 0 V (أي. نقطة التربيع). تفقد إشارة خرج باستخدام محلل الطيف الكهربائية. يجب أن تظهر إشارة رصدها بوصفها وظيفة سينك مربع، حيث موقع الصفر الأول أقرب الحد الأقصى العالمي (في تردد صفر) يتوافق مع FSR. للحد من الضوضاء القياس، تعيين محلل الطيف الكهربائي إلى وضع المتوسط.

2. الألياف سحب ¹³

الديباجة: إن الهدف من هذا الإجراء هو لمطابقة تقريبا مرحلة من الفوتونات السفر في تفتق لتلك التي microcavity بحيث يمكن أن يحدث اقتران كفاءة. كما يتم سحب الألياف، فإن القسم المركزي التي تقع بين اثنين من المشابك الانتقال من دعم وضع واحد داخل الألياف العادية، إلى وسائط متعددة ضمن الدليل الموجي التي شكلتها الكسوة السيليكا الأصلي يصبح جوهر والهواء يصبح الكسوة، ثم إلى وضع واحد. وجوهر السيليكا من الألياف تختفي تقريبا في الجزء الأوسط، حيث سيتم مؤقتا تصدى راض ظروف الانتشار المتعدد من تقلص مستمر من قطر الألياف.

1. تحديد صاحب الألياف إلى مرحلة متعدية الآلية.
2. Connectorize قسمين من الألياف الضوئية مع موصلات FC / APC واحدة على نهاية كل قسم. إزالة طلاء عازلة من نهايات غير مترابطة مع متجرد الألياف، تنظيفها مع الأسيتون الأولى والرابعةأون الأيزوبروبانول، يلتصق الأوجه نهاية، والانصهار لصق بعضهم البعض.
3. لمراقبة الخسارة في تفتق، وربط ليزر التحقيق في وضع الطاقة المستمر إلى نهاية واحدة من الألياف في حين يتم توصيل الطرف الآخر من الألياف إلى photodetector (PD). يجب أن تكون متصلا الناتج من PD إلى الذبذبات. ضبط إعدادات الذبذبات لقياس PD انتاج التيار الكهربائي، والذي يتناسب مع قوة الليزر المرسلة.
4. تسجيل القيمة الأولية للناتج PD الجهد ومواصلة رصد حتى الخطوة 2.9.
5. المشبك الألياف إلى حامل الألياف والألياف مع صورة المجهر الضوئي.
6. الافراج عن الهيدروجين من النوع الذي يبدأ في التدفق بالقرب من تفتق، في انتظار الهواء للخروج من أنبوب وللضغط من القناة لتحقيق الاستقرار. مرة واحدة في معدل تدفق للغاز الهيدروجين تصل إلى 110 مل / دقيقة، إشعال ذلك بالقرب من مخرج مع أخف وزنا لتسخين الألياف.
7. باستخدام برنامج ابفيف العرف، وسحب خطيا الألياف. نلاحظ أنه خلال بوعملية lling، جوهر الألياف يختفي تدريجيا بينما سائط متعددة الكسوة أصبح المهيمن في توجيه الضوء من خلال قسم الألياف مدبب. كثافة تنتقل عن طريق الألياف البصرية يجب أن تتذبذب بسبب التدخل المتعدد.
8. مواصلة سحب الألياف للحد من عرض الألياف تفتق حتى أنها تدعم وضع الكسوة واحد فقط. بعد توقف شدة تنتقل إلى تختلف، ووقف سحب الألياف.
9. تحرير حامل الألياف من مرحلة الترجمة وضمان الحصول عليها بالقرب من المسرح كهرضغطية.

3. إعداد وتسليم حلول

1. إعداد 22:00، 13:00، و 100 حلول وزير الخارجية تتكون من 50 دائرة نصف قطرها نانومتر المجهرية البوليسترين monodisperse في الفوسفات مخزنة المالحة Dulbecco و(DPBS). بالإضافة إلى ذلك، إيجاد حل DPBS النقي.
2. وضع الحلول في جهاز للطرد المركزي، ارباك مواقفها داخلها لأغراض التوازن، وبدء دورة الغزل 30 دقيقة.
3. على completioن، ومكان آمن الحلول في مجفف، بإخلاء ذلك، وقصف الحلول مع موجات فوق الصوتية لمدة 30 دقيقة.
4. إزالة الحلول ووضعها جانبا بالقرب من الإعداد التجربة.
5. بناء موقف لنظام التسليم السائل الصغيرة.
   1. عند تنظيف اثنين من الحلقات، إدراج نصائح حقنة على طرفي شريحة أنيبيب والمسمار على الحلقات إلى نصائح حقنة. اتصال فردي واحدة من الحلقات إلى طرف الحقنة الثالثة والآخر إلى يور قفل المناسب لتجميع برميل المكبس.
   2. ربط طرف الحقنة تتعرض لموقف ودعم من وراء العينة. وينبغي أن تكون قادرة على التدفق على عينة من دون انسكاب السوائل كبيرة.
6. من حيث المادة 5 من البروتوكول، تحميل برميل مع حل مناسب ويدويا حقنه من خلال نظام ميكروفلويديك خلال التجربة.

4. لتكوين النظام وسائل الربط

1. ربط عالج بالليزر التحقيق ص إلى الاتجاه مقرنة 10 ديسيبل. ويرتبط الميناء إلى جانب مدخل الميناء من تداخل الإشارة أثناء توصيل منفذ تنتقل إلى وحدة تحكم الاستقطاب تليها الألياف مدبب.
2. إعادة تركيز الأهداف المجهر للحصول على اثنين من صور حادة من تفتق الألياف.
3. وصل الناتج من الألياف مدبب إلى PD. يجب أن يرفق إخراج هذا PD إلى مدخلات قناة مختلفة من الذبذبات.
4. جبل العينة على nanopositioner وإجراء تعديلات الخشنة لتهجير عليه بحيث يكون قريب من وسط تفتق الألياف.
5. حقن DPBS للعينة. إجراء تعديلات الخشنة أن هذه تفتق الألياف يأتي في طريقة العرض من الكاميرات CCD اثنين. ضبط nanopositioner لإنشاء اقتران تفتق من الألياف إلى microcavity.
6. مسح الليزر الطول الموجي كما تراجع للحصول على الرنين المناسبة على الذبذبات.

5. الكشف عن جسيمات متناهية الصغر

ontent "> للحصول على البيانات: تكوين إعدادات الزناد الذبذبات، واستخدام البرمجيات ومحلية الصنع، وجمع آثار الذبذبات لمزيد من المعالجة.

1. تسجيل البيانات لحل العازلة كمرجع.
2. تسجيل البيانات لحلول جسيمات متناهية الصغر من الأدنى إلى الأعلى التركيز.
3. مراقبة التحولات التردد التي تحدث بسبب جسيمات متناهية الصغر ملزمة للmicrocavity.

6. بعد تجهيز البيانات

البيانات التي تم جمعها يمكن معالجتها مزيد باستخدام برنامج MATLAB الذاتي مكتوب. ينبغي البرنامج:

1. قراءة آثار تداخل الإشارة وإجراء مناسبا الأقل مربع لمنحنيات جيبية. وتستخدم مراحل الجيبية المجهزة لتقدير غضب الليزر على الطاير.
2. قراءة آثار انتقال تجويف وإجراء مناسبا الأقل مربع إلى وظيفة مزدوجة Lorentzian. الترددات الضوئية المقابلة لالانخفاضات الرنين (ν _1،ν ₂₎ وعرض بشكل كامل في نصف كحد أقصى (FWHM للممثلة δν _1، δν ₂₎ يتم تحديد بمقارنة إشارة انتقال إلى إشارة تداخل.
3. الحصول على عامل الجودة من كل فرد من تراجع س _ط = ν _ط / _ط δν، حيث i يمكن أن تكون إما 1 (صدى اليسار) أو 2 (صدى الحق).
4. حساب، كما هو التقليدية، الترددات الضوئية من الانخفاضات صدى عبر الليزر فحص الجهد، حيث غلة غضب الليزر أكبر الضوضاء القياس.
5. جمع متوسط ​​تردد صدى ν _متوسط ​​= ₍₁ + ν ν ₂₎ / 2 وتردد الانقسام Δν = ν ₂ - ₁ ν لكل قياس ورسم لهم بوصفها وظيفة من الوقت. عندما تربط جسيمات متناهية الصغر على سطح microcavity، والتحولات المفاجئة من التردد على حد سواء صدى المتوسط ​​والانقسام شو تردديونيتبول يتعين مراعاتها.

النتائج

بعد اتباع البروتوكول، آثار يمكن تجميعها وتركيبها. الشكل 3A يظهر هيكل صدى نموذجية من المكروية كما وردت في شريط الفيديو، الذي لوحظ تردد تقسيم في وسط DPBS. تناسب الأقل مربع إلى وظيفة مزدوجة Lorentzian يشير إلى أن عامل الجودة من الانخفاضات صدى اليمنى واليسرى على التوال?...

Discussion

هذا الإعداد الحالية قادرة على تحقيق مجموعة متنوعة من microcavities WGM، مثل microdisks، المجهرية، وmicrotoroids، دون الحاجة إلى أي مراقبة ردود الفعل لمصدر الليزر التحقيق. وهناك نسبة كبيرة إشارة إلى الضوضاء (SNR) للكشف ويمكن الحصول على ويرجع ذلك إلى التحسينات خطوة التحول التي تقدمها طول ...

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