Name: label-free single molecule detection using microtoroid optical resonators
Uploaded: 2015-12-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 53 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Label-free Single Molecule Detection Using Microtoroid Optical Resonators at JoVE.com

This research was supported in part by a National Research Service Award (T32GM07616) from the National Institute of General Medical Sciences.

1. الإعداد التجريبي وإعداد نموذج <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> افتعال microtoroids باستخدام الطباعة الحجرية والحفر، وإجراء ذوبان كما هو موضح سابقا 6. افتعال microtoroids على رأس رقاقة السيليكون (رقاقة) التي عادة ما يكون قطرها كبير من 80-100 ميكرون، وقطرها صغير من 2 ميكرون. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استرخاء ما يقرب من متر من الألياف البصرية أحادية النمط (125 ميكرون الكسوة، 4.3 ميكرون وضع قطر الميدان) من بكرة الألياف لها. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> في منتصف الجزء المساس بها من الألياف البصرية، تجريد شريحة صغيرة (2.5 سم) من طلاء البوليمر حول الألياف الضوئية باستخدام تقشير الأسلاك. ملاحظة: هذا هو جزء من الألياف الضوئية التي سيتم استخدامها لevanescently ضوء زوجين في microtoroid. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تنظيف الألياف جردت مع الكحول الأيزوبروبانول والوبر مجانا القضاء. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> عقد هذا الجزء من الألياف في مكانها باستخدام حامل الألياف المصنوعة من المشابك المغناطيسية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> رقيقة الألياف جردت إلى ~ 500 نانومتر meltinز وسحب باستخدام شعلة الهيدروجين واثنين من المحركات السائر تتحرك في اتجاهين متعاكسين في 60 ميكرون / دقيقة. ضع الألياف البصرية داخل الجزء العلوي من اللهب، التي ينبغي أن تكون ~ 10 مم طويل القامة. وقف سحب الألياف عندما انتقال العدوى عن طريق الألياف يتوقف المتقلبة، والتي يمكن رصدها إما بصريا (من خلال مشاهدة الضوء الذي تنتشر أفقيا من وميض الألياف داخل وخارج) أو عن طريق توصيل الألياف إلى الثنائي الضوئي وهو يعلق على الذبذبات . </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> يلتصق طرف واحد من الألياف الضوئية وأدخله محول الألياف العارية. ضع هذه الغاية من الألياف في مدخلات photoreceiver. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> زوجين من الألياف الطرف الآخر من بكرة الألياف ليزر باستخدام مقرنة الألياف البصرية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وضع رقاقة microtoroid على رأس صاحب العينة (الفولاذ المقاوم للصدأ، 37.8 مم × 6.4 مم × 3.2 مم) باستخدام الايبوكسي أو الشريط مزدوجة من جانب. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> جبل صاحب العينة على رأس مرحلة تحديد المواقع التي تضم من 3 محاور النانو لتحديد المواقع (نanocube) مرحلة (انظر قائمة المعدات) على رأس ميكرومتر 3 محاور. أداء جميع التجارب على طاولة البصرية معزولة بالهواء المضغوط لتقليل الاهتزازات. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> موقف خشن رقاقة عينة باستخدام ميكرومتر 3 محاور. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> محاذاة رقاقة بالتوازي التي تحتوي على microtoroid إلى الألياف الضوئية باستخدام النانو مناور. ملاحظة: محاذاة microtoroid على مسافة من طول موجي واحد من الضوء المدخلات (~ 633 نانومتر). لرؤية هذه العملية استخدام عمودين التصوير (أنبوب مع عدسة موضوعية وكاميرا، انظر قائمة المعدات) وضعه على رأس وعلى جانب من الشريحة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحسين استقطاب ضوء الليزر الموجهة من خلال الألياف البصرية باستخدام وحدة تحكم الاستقطاب في خط (انظر قائمة المعدات) مع مقبض لضبط الاستقطاب. ملاحظة: يتم تحقيق الاستقطاب الأمثل عندما يظهر تراجع ملموس في انتقال الألياف البصرية أضيق. ملاحظة هذا الانخفاض على الذبذبات (راجع الخطوة 2.2 لمزيد من التفاصيل). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> بناءغرفة العينة epoxying ساترة الزجاج على مرحلة العينة باستخدام شريحة المجهر والزجاج كفاصل. ملاحظة: A الضميمة زجاجي يغطي كامل الإعداد قد تكون مفيدة للتقليل من التيارات الهوائية. يجب أن تترك فتحة صغيرة للسماح الحل ليتم ضخها في استخدام الأنابيب. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تتوازن حراريا تعليق الجسيمات أو المحاليل المائية جزيء واحد ل≥ 1 ساعة في حمام مائي RT (~ 500 مل). ملاحظة: يتم تخفيفه عينات إلى التركيز المطلوب في أنابيب microcentrifuge باستخدام مخازن المرتبطة المحددة من الشركة المصنعة، على سبيل المثال، في برنامج تلفزيوني أو HEPES. إذا تم الكشف عن أية أحداث ملزمة، وزيادة تركيز الملح المخزن المؤقت. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> دوامة الجسيمات تحتوي على حلول (1 مل) لفترة وجيزة ل~ 2 ثانية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> حقن الجسيمات تحتوي على حلول في حجرة العينة في 1 مل / دقيقة باستخدام 1 مل ضخ حقنة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> بعد أن شغل حجرة العينة، إيقاف ضخ حقنة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> انتظر 30 ثانية قبل تسجيل البيانات للحد منآثار الاهتزازات الميكانيكية الناجمة عن تدفق السوائل التي يمكن أن تؤثر على القياس. </li></ol> 2. تردد قفل <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إعادة الزوجين حلقي إلى الألياف البصرية عن طريق تحريك صاحب العينة مع nanopositioner، لأنه سيتم بالانزعاج اقتران نظرا لحقن السائل. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحديد الطول الموجي صدى من microtoroid عن طريق مسح الكمبيوتر التي تسيطر عليها إدخال الليزر من خلال مجموعة متنوعة من الأطوال الموجية. تنفيذ هذه الخطوة عن طريق إرسال إشارة الثلاثي الموجي الجهد لعنصر كهرضغطية داخل وحدة تحكم الليزر الذي ينظم الطول الموجي لليزر. إجراء تجارب باستخدام الضوء المرئي (635 نانومتر ± 2.5 نانومتر) كما أن هناك انخفاض امتصاص الضوء في الماء عند هذا الطول الموجي. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> قياس انتقال الضوء من خلال الألياف البصرية عن طريق توصيل إخراج الألياف البصرية إلى photoreceiver السيارات متوازنة. سد العجز الناتج من photoreceiver إلى الذبذبات باستخدام كابل BNC. مراقبة سن الذبذبات أنه في الطول الموجي صدى من microtoroid، انتقال العدوى عن طريق الألياف البصرية قطرات. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إرفاق إخراج photoreceiver إلى المدخل الرئيسي للتردد قفل تحكم ردود الفعل (انظر قائمة المعدات) عن طريق كابل. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تشغيل التردد قفل تحكم ردود الفعل في وضع القفل الآلي باستخدام أعلى من الذروة قفل مع تردد ارتجف من 2 كيلو هرتز واتساع موجة التذبذب من 19 وزير الخارجية. ضبط تجريبيا الإعدادات يتناسب-يتجزأ المشتقة في إطار البرنامج باستخدام زيغلر-نيكولز ضبط القواعد 14. ملاحظة: هذه القيم تحتاج إلا أن تكون مجموعة مرة واحدة في بداية كل التجارب. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> لصناعة السيارات في قفل الطول الموجي لليزر لطول الموجة صدى من microtoroid. تنفيذ هذه الخطوة بعد ملء حجرة العينة. ملاحظة: إذا كان التحول الطول الموجي هو كبير جدا، ثم وحدة تحكم ردود الفعل سوف تفقد القفل وستتحول تلقائيا إلى وضع المسح الضوئي من أجل تحديد موقع صدى الطول الموجي. هذا OCالأوغاد لطول موجة التحولات أكبر من ما يقرب من linewidth (لا يقل عن 600 وزير الخارجية لجميع أنظمة التحقيق هنا). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تسجيل الإخراج من وحدة تحكم ردود الفعل في 20 كيلو هرتز باستخدام 24 بت بطاقة الحصول على البيانات. تصدير البيانات كملف نصي عبر برنامج الحصول على البيانات. </li></ol> 3. تجهيز وتحليل البيانات <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحويل فورييه البيانات في MATLAB. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> المنخفضة تمرير البيانات باستخدام &quot;الطوب الجدار&quot; مرشح مع قطع في 1 كيلو هرتز لإزالة التردد ارتجف المفروضة من 2 كيلو هرتز (انظر الرمز التكميلي ملف شاشة 1). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> الشق حسابيا تصفية البيانات باستخدام حجم نافذة 16 هرتز. ملاحظة: يتم ذلك لإزالة المصادر المعروفة للضجيج، في هذه الحالة، 60 هرتز الضوضاء خط الالكترونية والتوافقيات، وكذلك 100 هرتز (قادمة من سائق ليزر) والتوافقيات (انظر الرمز التكميلي ملف شاشة 1). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> فورييه العكسي تحويل البيانات مرة أخرى إلى المجال الزمني. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> مرشح متوسط ​​البيانات باستخدام نافذةحجم 1001 عينات (انظر الرمز التكميلي ملف لقطة 2). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحديد التغييرات خطوة في الطول الموجي صدى باستخدام خوارزمية تقصي خطوة من Kerssemakers وآخرون. 15. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> توليد رسوم بيانية للسعة كل خطوة ملزمة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> حساب حجم الجسيمات باستخدام المعادلة. (1) (انظر مناقشة). </li></ol>

<ol>
	<li>Lu, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+sensitivity+nanoparticle+detection+using+optical+microcavities.">High sensitivity nanoparticle detection using optical microcavities.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 108, 5976-5979 (2011).</li><li>Su, J., Goldberg, A. F. G., Stoltz, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Label-free+detection+of+single+nanoparticles+and+biological+molecules+using+microtoroid+optical+resonators.">Label-free detection of single nanoparticles and biological molecules using microtoroid optical resonators.</a> Light: Science and Applications. , (2016).</li><li>Knight, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Single molecule biology. , (2009).</li><li>Jonsson, U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+biospecific+interaction+analysis+using+surface+plasmon+resonance+and+a+sensor+chip+technology.">Real-time biospecific interaction analysis using surface plasmon resonance and a sensor chip technology.</a> BioTechniques. 11, 620-627 (1991).</li><li>Vollmer, F., Arnold, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Whispering-gallery-mode+biosensing:+label-free+detection+down+to+single+molecules.">Whispering-gallery-mode biosensing: label-free detection down to single molecules.</a> Nat. Methods. 5, 591-596 (2008).</li><li>Armani, D. K., Kippenberg, T. J., Spillane, S. M., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultra-high-Q+toroid+microcavity+on+a+chip.">Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip.</a> Nature. 421, 925-928 (2003).</li><li>Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+microcavities.">Optical microcavities.</a> Nature. 424, 839-846 (2003).</li><li>Arnold, S., Khoshsima, M., Teraoka, I., Holler, S., Vollmer, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shift+of+whispering-gallery+modes+in+microspheres+by+protein+adsorption.">Shift of whispering-gallery modes in microspheres by protein adsorption.</a> Opt. Lett. 28, 272-274 (2003).</li><li>Vollmer, F., Arnold, S., Keng, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single+virus+detection+from+the+reactive+shift+of+a+whispering-gallery+mode.">Single virus detection from the reactive shift of a whispering-gallery mode.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 105, 20701-20704 (2008).</li><li>He, L., Ozdemir, S. K., Zhu, J., Kim, W., Yang, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detecting+single+viruses+and+nanoparticles+using+whispering+gallery+microlasers.">Detecting single viruses and nanoparticles using whispering gallery microlasers.</a> Nat Nano. 6, 428-432 (2011).</li><li>Dantham, V. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Label-free+detection+of+single+protein+using+a+nanoplasmonic-photonic+hybrid+microcavity.">Label-free detection of single protein using a nanoplasmonic-photonic hybrid microcavity.</a> Nano Lett. 13, 3347-3351 (2013).</li><li>Baaske, M. D., Foreman, M. R., Vollmer, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-molecule+nucleic+acid+interactions+monitored+on+a+label-free+microcavity+biosensor+platform.">Single-molecule nucleic acid interactions monitored on a label-free microcavity biosensor platform.</a> Nat Nanotechnol. 9, 933-939 (2014).</li><li>Su, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Label-Free+Single+Exosome+Detection+Using+Frequency-Locked+Microtoroid+Optical+Resonators.">Label-Free Single Exosome Detection Using Frequency-Locked Microtoroid Optical Resonators.</a> ACS Photonics. (9), 1241-1245 (2015).</li><li>&#197;str&#246;m, K. J., Murray, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Feedback systems : an introduction for scientists and engineers. , (2008).</li><li>Kerssemakers, J. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assembly+dynamics+of+microtubules+at+molecular+resolution.">Assembly dynamics of microtubules at molecular resolution.</a> Nature. 442, 709-712 (2006).</li><li>Su, T. -. T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Label-free detection of single biological molecules using microtoroid optical resonators. , (2014).</li></ol>

The authors declare that they have no competing financial interests.

كما يربط جسيم، والطول الموجي صدى (λ) للزيادات حلقي. إذا unbinds جسيم، والطول الموجي صدى النقصان تبعا ل(أ الحدث خطوة لأسفل). يمكن تحديد قطرها الجسيمات (د) عن طريق رسوم بيانية للسعة كل خطوة الطول الموجي. يختلف ارتفاع كل خطوة الطول الموجي نظرا لاختلاف حجم الجسيمات مل...

واحدة من التجارب الكشف عن جزيء مفيدة لتقليل كمية الحليلة المستخدمة في أجهزة الاستشعار، للكشف المبكر عن المرض، ودراسة الخصائص الأساسية للجزيئات 3. وعادة ما يتم إجراء مثل هذه التجارب باستخدام تسميات، ولكن التسميات ليست دائما ممكنة للحصول على بروتين معين، وزيادة التكاليف، ويمكن التشويش على الأحداث التي تجري دراستها، ويمكن أن تكون مزعجة، خاصة في الوقت الحقيقي في الموقع تجارب أو نقطة من- التشخيص الرعاية. المعيار الذهبي الحالي لتسمية خالية biosensing هو سطح مأكل بالرنين 4، ولكن النظم التجارية مأكل سطح الرنين وعادة ما يكون الحد الأدنى نموذجي للكشف على ترتيب نانومتر. في الآونة الأخيرة، ظهرت المرنانات البصرية وتكنولوجيا واعدة لتسمية خالية جزيء واحد biodetection 5. العمل مرنانات بصري على أساس طويل الأجل (م) الحبس الضوء 6،7. الضوء هو evanescentlyبالإضافة إلى هذه الأجهزة عادة عن طريق الألياف البصرية. عندما الطول الموجي للضوء يمر الألياف يطابق الطول الموجي صدى مرنان، وعلى ضوء كفاءة الأزواج إلى مرنان. على ضوء هذا بالإضافة يعكس داخليا تماما داخل تجويف مرنان لتوليد حقل زائل في المنطقة المجاورة للمحيط مرنان. كما جزيئات تدخل مجال زائل وربط للمرنان، والطول الموجي صدى التغييرات مرنان بما يتناسب مع حجم الجسيمات 8. من حيث القدرة على الكشف، وقد استخدمت في وقت سابق المرنانات microsphere للكشف عن أنفلونزا A احد جزيئات الفيروس (100 نانومتر) 9،10. في الآونة الأخيرة، وقد استخدمت المرنانات البصرية المحسنة plasmonically-microsphere للكشف عن المصل البقري واحد الألبومين جزيئات 11 و [أليغنوكليوتيد 8 مير 12، ولكن هذا النهج يحد من مجال التقاط الجسيمات إلى 0.3 ميكرون 2 في دينائب. أكبر أجهزة الاستشعار التقاط منطقة مثالية لتحقيق أقصى قدر من فرصة للكشف عن الجسيمات. تم التكنولوجيات القائمة على حل الحالية خالية من التسمية biosensing مع (&gt; 100 ميكرون 2) المناطق القبض كبيرة تقتصر على الكشف عن جزيئات البوليستيرين ≥ 25 نانومتر. قمنا بتطوير نظام biosensing خالية من التسمية على أساس تكنولوجيا مرنان البصرية المعروفة باسم التردد قفل البصرية يهمس زائل الرنان (زهرة) 13 (الشكل 1) التي هي قادرة على الكشف عن وقت حل للجزيئات واحدة في الحل. يستخدم FLOWER عمر الفوتون طويل من المرنانات البصرية microtoroid جنبا إلى جنب مع تردد تأمين مراقبة ردود الفعل، والكشف عن متوازن، والتصفية الحسابية للكشف عن جزيئات صغيرة وصولا الى جزيئات البروتين واحدة. استخدام قفل تردد يسمح للنظام لتتبع دائما صدى التحول من microtoroid كما ربط جزيئات، من دون الحاجة إلى كنس أو مسح الليزر الطول الموجي أكثرنطاقات واسعة. مبادئ FLOWER يمكن أن تستخدم لتعزيز قدرات الكشف عن تقنيات أخرى بما في ذلك تعزيز plasmonic. في ما يلي، ووصف الإجراءات لأداء FLOWER.

<table><tbody><tr><td>Tunable diode laser</td><td>Newport</td><td>TLB-6300</td><td></td></tr><tr><td>Laser controller</td><td>Newport</td><td>TLB-6300-LN</td><td></td></tr><tr><td>Frequency locking feedback controller</td><td>Toptica Photonics</td><td>Digilock 110</td><td></td></tr><tr><td>Auto-balanced photoreceiver</td><td>Newport</td><td>Model 2007</td><td></td></tr><tr><td>In-line polarization controller</td><td>General Photonics</td><td>PLC-003-S-90</td><td></td></tr><tr><td>24-bit data acquisition card</td><td>National Instruments</td><td>NI-PCI-4461</td><td></td></tr><tr><td>Recombinant human interleukin-2</td><td>Pierce Biotechnology</td><td>R201520</td><td></td></tr><tr><td>20 nm polystyrene beads</td><td>Thermo Scientific</td><td>3020A</td><td></td></tr><tr><td>NanoCube XYZ Piezo Stage</td><td>Physik Instrumente</td><td>P-611.3</td><td></td></tr><tr><td>Optical table</td><td>Newport</td><td>VH3660W-OPT</td><td></td></tr><tr><td>Objective lens for imaging column</td><td>Navitar Machine Vision</td><td>1-60228</td><td></td></tr><tr><td>Imaging column (adaptor tube)</td><td>Navitar Machine Vision</td><td>1-60228</td><td></td></tr><tr><td>High-Res CCD camera for imaging column</td><td>Edmund Industrial Optics</td><td>NT39244</td><td></td></tr></tbody></table>

label-free single molecule detection using microtoroid optical resonators

الكشف عن تركيزات صغيرة من الجزيئات وصولا الى حد جزيء واحد له تأثير على مجالات مثل الكشف المبكر عن المرض، والدراسات الأساسية على سلوك الجزيئات. تقنيات الكشف عن جزيء واحد تستخدم عادة تسميات مثل العلامات الفلورية أو النقاط الكمومية، ومع ذلك، والعلامات غير متوفرة دائما، وزيادة التكلفة والتعقيد، ويمكن التشويش على الأحداث التي تجري دراستها. ظهرت المرنانات البصرية كوسيلة واعدة للكشف عن جزيئات واحدة دون استخدام التسميات. حاليا أصغر الجسيمات الكشف عنها بواسطة المحسن plasmonically وعدم العارية نظام مرنان البصرية في حل هو 25 نانومتر البوليسترين المجال 1. قمنا بتطوير تقنية تعرف باسم التردد قفل البصرية يهمس زائل الرنان (زهرة) التي يمكن تجاوز هذا الحد وتحقيق الكشف عن جزيء واحد خالية من التسمية في محلول مائي 2. كما موازين قوة الإشارة مع حجم الجسيمات، يمثل عملنا ل&gt; 100X تحسينهالإقليم الشمالي في إشارة إلى نسبة الضوضاء (SNR) على الدولة الراهنة للفن. هنا يتم عرض الإجراءات وراء FLOWER في محاولة لزيادة استخدامه في هذا المجال.

الجسيمات الأحداث ملزم يتم رؤيتها بوضوح عن التغيرات خطوة تشبه في الطول الموجي صدى من microtoroid على مر الزمن (الشكل 2A). وتظهر مرتفعات الخطوات كما رسم بياني في الشكل 2B. أرقام 2-4 تظهر آثار تمثيلية من الربط من exosomes (nanovesicles)، وحبات السيليكا 5 ?...

Watch this Scientific Journal Video about Label-free Single Molecule Detection Using Microtoroid Optical Resonators at JoVE.com

Label-free Single Molecule Detection Using Microtoroid Optical Resonators

We have developed a label-free biosensing system based on optical resonator technology known as Frequency Locking Optical Whispering Evanescent Resonator (FLOWER) that is capable of detecting single molecules in solution. Here the procedures behind this work are described and presented.

تسمية خالية واحدة كشف الجزيئة عن طريق Microtoroid البصرية الرنين

Detecting small concentrations of molecules down to the single molecule limit has impact on areas such as early detection of disease, and fundamental ...

label-free-single-molecule-detection-using-microtoroid-optical

Research

JoVE Journal

Bioengineering

9.2K Views.  California Institute of Technology. We have developed a label-free biosensing system based on optical resonator technology known as Frequency Locking Optical Whispering Evanescent Resonator (FLOWER) that is capable of detecting single molecules in solution. Here the procedures behind this work are described and presented. 

Video: Label-free Single Molecule Detection Using Microtoroid Optical Resonators

Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the quality factor (Q) of the cavity, can be in excess of 500ns for cavities with Q factors above 100 million. As a result of their low material losses, silica microcavities have demonstrated some of the longest photon lifetimes to date1-2. Since a portion of the circulating light extends outside the resonator, these devices can also be used to probe the surroundings. This interaction has enabled numerous experiments in biology, such as single molecule biodetection and antibody-antigen kinetics, as well as discoveries in other fields, such as development of ultra-low-threshold microlasers, characterization of thin films, and cavity quantum electrodynamics studies.3-7
The two primary silica resonant cavity geometries are the microsphere and the microtoroid. Both devices rely on a carbon dioxide laser reflow step to achieve their ultra-high-Q factors (Q&gt;100 million).1-2,8-9 However, there are several notable differences between the two structures. Silica microspheres are free-standing, supported by a single optical fiber, whereas silica microtoroids can be fabricated on a silicon wafer in large arrays using a combination of lithography and etching steps. These differences influence which device is optimal for a given experiment.
Here, we present detailed fabrication protocols for both types of resonant cavities. While the fabrication of microsphere resonant cavities is fairly straightforward, the fabrication of microtoroid resonant cavities requires additional specialized equipment and facilities (cleanroom). Therefore, this additional requirement may also influence which device is selected for a given experiment.
Introduction
An optical resonator efficiently confines light at specific wavelengths, known as the resonant wavelengths of the device. 1-2 The common figure of merit for these optical resonators is the quality factor or Q. This term describes the photon lifetime (&tau;o) within the resonator, which is directly related to the resonator's optical losses. Therefore, an optical resonator with a high Q factor has low optical losses, long photon lifetimes, and very low photon decay rates (1/&tau;o). As a result of the long photon lifetimes, it is possible to build-up extremely large circulating optical field intensities in these devices. This very unique property has allowed these devices to be used as laser sources and integrated biosensors.10
A unique sub-class of resonators is the whispering gallery mode optical microcavity. In these devices, the light is confined in circular orbits at the periphery. Therefore, the field is not completely confined within the device, but evanesces into the environment. Whispering gallery mode optical cavities have demonstrated some of the highest quality factors of any optical resonant cavity to date.9,11 Therefore, these devices are used throughout science and engineering, including in fundamental physics studies and in telecommunications as well as in biodetection experiments. 3-7,12
Optical microcavities can be fabricated from a wide range of materials and in a wide variety of geometries. A few examples include silica and silicon microtoroids, silicon, silicon nitride, and silica microdisks, micropillars, and silica and polymer microrings.13-17 The range in quality factor (Q) varies as dramatically as the geometry. Although both geometry and high Q are important considerations in any field, in many applications, there is far greater leverage in boosting device performance through Q enhancement. Among the numerous options detailed previously, the silica microsphere and the silica microtoroid resonator have achieved some of the highest Q factors to date.1,9 Additionally, as a result of the extremely low optical loss of silica from the visible through the near-IR, both microspheres and microtoroids are able to maintain their Q factors over a wide range of testing wavelengths.18 Finally, because silica is inherently biocompatible, it is routinely used in biodetection experiments.
In addition to high material absorption, there are several other potential loss mechanisms, including surface roughness, radiation loss, and contamination loss.2 Through an optimization of the device size, it is possible to eliminate radiation losses, which arise from poor optical field confinement within the device. Similarly, by storing a device in an appropriately clean environment, contamination of the surface can be minimized. Therefore, in addition to material loss, surface scattering is the primary loss mechanism of concern.2,8
In silica devices, surface scattering is minimized by using a laser reflow technique, which melts the silica through surface tension induced reflow. While spherical optical resonators have been studied for many years, it is only with recent advances in fabrication technologies that researchers been able to fabricate high quality silica optical toroidal microresonators (Q&gt;100 million) on a silicon substrate, thus paving the way for integration with microfluidics.1
The present series of protocols details how to fabricate both silica microsphere and microtoroid resonant cavities. While silica microsphere resonant cavities are well-established, microtoroid resonant cavities were only recently invented.1 As many of the fundamental methods used to fabricate the microsphere are also used in the more complex microtoroid fabrication procedure, by including both in a single protocol it will enable researchers to more easily trouble-shoot their experiments.

We describe the use of a carbon dioxide laser reflow technique to fabricate silica resonant cavities, including free-standing microspheres and on-chip microtoroids. The reflow method removes surface imperfections, allowing long photon lifetimes within both devices. The resulting devices have ultra high quality factors, enabling applications ranging from telecommunications to biodetection.

تلفيق من السيليكا عالية جدا Microresonators عامل الجودة

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the ...

Engineering

Optical Trapping of Nanoparticles

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping and manipulating small biological particles. Ashkin and co-workers first demonstrated optical tweezers using a single focused beam1. The single beam trap can be described accurately using the perturbative gradient force formulation in the case of small Rayleigh regime particles1. In the perturbative regime, the optical power required for trapping a particle scales as the inverse fourth power of the particle size. High optical powers can damage dielectric particles and cause heating. For instance, trapped latex spheres of 109 nm in diameter were destroyed by a 15 mW beam in 25 sec1, which has serious implications for biological matter2,3.
A self-induced back-action (SIBA) optical trapping was proposed to trap 50 nm polystyrene spheres in the non-perturbative regime4. In a non-perturbative regime, even a small particle with little permittivity contrast to the background can influence significantly the ambient electromagnetic field and induce a large optical force. As a particle enters an illuminated aperture, light transmission increases dramatically because of dielectric loading. If the particle attempts to leave the aperture, decreased transmission causes a change in momentum outwards from the hole and, by Newton's Third Law, results in a force on the particle inwards into the hole, trapping the particle. The light transmission can be monitored; hence, the trap can become a sensor. The SIBA trapping technique can be further improved by using a double-nanohole structure.
The double-nanohole structure has been shown to give a strong local field enhancement5,6. Between the two sharp tips of the double-nanohole, a small particle can cause a large change in optical transmission, thereby inducing a large optical force. As a result, smaller nanoparticles can be trapped, such as 12 nm silicate spheres7 and 3.4 nm hydrodynamic radius bovine serum albumin proteins8. In this work, the experimental configuration used for nanoparticle trapping is outlined. First, we detail the assembly of the trapping setup which is based on a Thorlabs Optical Tweezer Kit. Next, we explain the nanofabrication procedure of the double-nanohole in a metal film, the fabrication of the microfluidic chamber and the sample preparation. Finally, we detail the data acquisition procedure and provide typical results for trapping 20 nm polystyrene nanospheres.

The following setup approach details low power optical trapping of dielectric nanoparticles using a double-nanohole in metal film.

البصرية محاصرة من الجسيمات النانوية

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping ...

Synthesis and Operation of Fluorescent-core Microcavities for Refractometric Sensing

This paper discusses fluorescent core microcavity-based sensors that can operate in a microfluidic analysis setup. These structures are based on the formation of a fluorescent quantum-dot (QD) coating on the channel surface of a conventional microcapillary. Silicon QDs are especially attractive for this application, owing in part to their negligible toxicity compared to the II-VI and II-VI compound QDs, which are legislatively controlled substances in many countries. While the ensemble emission spectrum is broad and featureless, an Si-QD film on the channel wall of a capillary features a set of sharp, narrow peaks in the fluorescence spectrum, corresponding to the electromagnetic resonances for light trapped within the film. The peak wavelength of these resonances is sensitive to the external medium, thus permitting the device to function as a refractometric sensor in which the QDs never come into physical contact with the analyte. The experimental methods associated with the fabrication of the fluorescent-core microcapillaries are discussed in detail, as well as the analysis methods. Finally, a comparison is made between these structures and the more widely investigated liquid-core optical ring resonators, in terms of microfluidic sensing capabilities.

Fluorescent-core microcavity sensors employ a high-index quantum-dot coating in the channel of silica microcapillaries. Changes in the refractive index of fluids pumped into the capillary channel cause shifts in the microcavity fluorescence spectrum that can be used to analyze the channel medium.

تجميع وتشغيل نيون الأساسية للاستشعار عن Microcavities Refractometric

This paper discusses  fluorescent core microcavity-based sensors that can operate in a microfluidic  analysis setup. These structures are based on the ...

Implementation of a Reference Interferometer for Nanodetection

A thermally and mechanically stabilized fiber interferometer suited for examining ultra-high quality factor microcavities is fashioned. After assessing its free spectral range (FSR), the module is put in parallel with a fiber taper-microcavity system and then calibrated through isolating and eliminating random shifts in the laser frequency (i.e. laser jitter noise). To realize the taper-microcavity junction and to maximize the optical power that is transferred to the resonator, a single-mode optical fiber waveguide is pulled. Solutions containing polystyrene nanobeads are then prepared and flown to the microcavity in order to demonstrate the system&#8217;s ability to sense binding to the surface of the microcavity. Data is post-processed via adaptive curve fitting, which allows for high-resolution measurements of the quality factor as well as the plotting of time-dependent parameters, such as resonant wavelength and split frequency shifts. By carefully inspecting steps in the time-domain response and shifting in the frequency-domain response, this instrument can quantify discrete binding events.

A reference interferometer technique, which is designed to remove undesirable laser jitter noise for nanodetection, is utilized for probing an ultra-high quality factor microcavity. Instructions for assembly, setup, and data acquisition are provided, alongside the measurement process for specifying the cavity quality factor.

تنفيذ التداخل المرجعي لNanodetection

A thermally and mechanically stabilized fiber interferometer suited for examining ultra-high quality factor microcavities is fashioned. After assessing ...

Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including microresonators. However, because of the increased acoustic radiative losses during direct liquid immersion of optomechanical devices, almost all published optomechanical experiments have been performed in solid phase. This paper discusses a recently introduced hollow microfluidic optomechanical resonator. Detailed methodology is provided to fabricate these ultra-high-Q microfluidic resonators, perform optomechanical testing, and measure radiation pressure-driven breathing mode and SBS-driven whispering gallery mode parametric vibrations. By confining liquids inside the capillary resonator, high mechanical- and optical- quality factors are simultaneously maintained.

Parametric optomechanical excitations have recently been experimentally demonstrated in microfluidic optomechanical resonators by means of optical radiation pressure and stimulated Brillouin scattering. This paper describes the fabrication of these microfluidic resonators along with methodologies for generating and verifying optomechanical oscillations.

تصنيع واختبار ميكروفلويديك الميكانيكية المذبذبات

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including ...

Attaching Biological Probes to Silica Optical Biosensors Using Silane Coupling Agents

In order to interface with biological environments, biosensor platforms, such as the popular Biacore system (based on the Surface Plasmon Resonance (SPR) technique), make use of various surface modification techniques, that can, for example, prevent surface fouling, tune the hydrophobicity / hydrophilicity of the surface, adapt to a variety of electronic environments, and most frequently, induce specificity towards a target of interest.1-5 These techniques extend the functionality of otherwise highly sensitive biosensors to real-world applications in complex environments, such as blood, urine, and wastewater analysis.2,6-7 While commercial biosensing platforms, such as Biacore, have well-understood, standard techniques for performing such surface modifications, these techniques have not been translated in a standardized fashion to other label-free biosensing platforms, such as Whispering Gallery Mode (WGM) optical resonators.8-9
WGM optical resonators represent a promising technology for performing label-free detection of a wide variety of species at ultra-low concentrations.6,10-12 The high sensitivity of these platforms is a result of their unique geometric optics: WGM optical resonators confine circulating light at specific, integral resonance frequencies.13 Like the SPR platforms, the optical field is not totally confined to the sensor device, but evanesces; this "evanescent tail" can then interact with species in the surrounding environment. This interaction causes the effective refractive index of the optical field to change, resulting in a slight, but detectable, shift in the resonance frequency of the device. Because the optical field circulates, it can interact many times with the environment, resulting in an inherent amplification of the signal, and very high sensitivities to minor changes in the environment.2,14-15
To perform targeted detection in complex environments, these platforms must be paired with a probe molecule (usually one half of a binding pair, e.g. antibodies / antigens) through surface modification.2 Although WGM optical resonators can be fabricated in several geometries from a variety of material systems, the silica microsphere is the most common. These microspheres are generally fabricated on the end of an optical fiber, which provides a "stem" by which the microspheres can be handled during functionalization and detection experiments. Silica surface chemistries may be applied to attach probe molecules to their surfaces; however, traditional techniques generated for planar substrates are often not adequate for these three-dimensional structures, as any changes to the surface of the microspheres (dust, contamination, surface defects, and uneven coatings) can have severe, negative consequences on their detection capabilities. Here, we demonstrate a facile approach for the surface functionalization of silica microsphere WGM optical resonators using silane coupling agents to bridge the inorganic surface and the biological environment, by attaching biotin to the silica surface.8,16 Although we use silica microsphere WGM resonators as the sensor system in this report, the protocols are general and can be used to functionalize the surface of any silica device with biotin.

Biosensors interface with complex, biological environments and perform targeted detection by combining highly sensitive sensors with highly specific probes attached to the sensor via surface modification. Here, we demonstrate the surface functionalization of silica optical sensors with biotin using silane coupling agents to bridge the sensor and the biological environment.

ربط المسابر البيولوجي لأجهزة الاستشعار البصرية عن طريق وكلاء السيليكا اقتران silane

In order to interface with biological environments, biosensor platforms, such as the popular Biacore system (based on the Surface Plasmon Resonance (SPR) ...

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological and physical sciences over the past few decades. The progress made in this field invites further study of even smaller systems and at a larger scale, with tools that could be distributed more easily and made more widely available. Unfortunately, the fundamental laws of diffraction limit the minimum size of the focal spot of a laser beam, which makes particles smaller than a half-wavelength in diameter hard to trap and generally prevents an operator from discriminating between particles which are closer together than one half-wavelength. This precludes the optical manipulation of many closely-spaced nanoparticles and&#160;limits the&#160;resolution of optical-mechanical systems. Furthermore, manipulation using focused beams requires beam-forming or steering optics, which can be very bulky and expensive. To address these limitations in the system scalability of conventional optical trapping our lab has devised an alternative technique which utilizes near-field optics to move particles across a chip. Instead of focusing laser beams in the far-field, the optical near field of plasmonic resonators produces the necessary local optical intensity enhancement to overcome the restrictions of diffraction and manipulate particles at higher resolution. Closely-spaced resonators produce strong optical traps which can be addressed to mediate the hand-off of particles from one to the next in a conveyor-belt-like fashion. Here, we describe how to design and produce a conveyor belt using a gold surface patterned with plasmonic C-shaped resonators and how to operate it with polarized laser light to achieve super-resolution nanoparticle manipulation and transport. The nano-optical conveyor belt chip can be produced using lithography techniques and easily packaged and distributed.

The scalability and resolution of conventional optical manipulation techniques are limited by diffraction. We circumvent the diffraction limit and describe a method of optically transporting nanoparticles across a chip using a gold surface patterned with a path of closely spaced C-shaped plasmonic resonators.

تصنيع وتشغيل الحزام الناقل النانو البصرية

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological ...

Multicolor Fluorescence Detection for Droplet Microfluidics Using Optical Fibers

Fluorescence assays are the most common readouts used in droplet microfluidics due to their bright signals and fast time response. Applications such as multiplex assays, enzyme evolution, and molecular biology enhanced cell sorting require the detection of two or more colors of fluorescence. Standard multicolor detection systems that couple free space lasers to epifluorescence microscopes are bulky, expensive, and difficult to maintain. In this paper, we describe a scheme to perform multicolor detection by exciting discrete regions of a microfluidic channel with lasers coupled to optical fibers. Emitted light is collected by an optical fiber coupled to a single photodetector. Because the excitation occurs at different spatial locations, the identity of emitted light can be encoded as a temporal shift, eliminating the need for more complicated light filtering schemes. The system has been used to detect droplet populations containing four unique combinations of dyes and to detect sub-nanomolar concentrations of fluorescein.

Multicolor fluorescence detection in droplet microfluidics typically involves bulky and complex epifluorescence microscope-based detection systems. Here we describe a compact and modular multicolor detection scheme that utilizes an array of optical fibers to temporally encode multicolor data collected by a single photodetector.

متعدد الألوان كشف الإسفار عن القطرة على microfluidics عن طريق الألياف البصرية

Fluorescence assays are the most common readouts used in droplet microfluidics due to their bright signals and fast time response. Applications such as ...

Use of Dual Optical Tweezers and Microfluidics for Single-Molecule Studies

Visual biochemistry is a powerful technique for observing the stochastic properties of single enzymes or enzyme complexes that are obscured in the averaging that takes place in bulk-phase studies. To achieve visualization, dual optical tweezers, where one trap is fixed and the other is mobile, are focused into one channel of a multi-stream microfluidic chamber positioned on the stage of an inverted fluorescence microscope. The optical tweezers trap single molecules of fluorescently labeled DNA and fluid flow through the chamber and past the trapped beads, stretches the DNA to B-form (under minimal force, i.e., 0 pN) with the nucleic acid being observed as a white string against a black background. DNA molecules are moved from one stream to the next, by translating the stage perpendicular to the flow to enable the initiation of reactions in a controlled manner. To achieve success, microfluidic devices with optically clear channels are mated to glass syringes held in place in a syringe pump. Optimal results use connectors permanently bonded to the flow cell, tubing that is mechanically rigid and chemically resistant, and which is connected to switching valves that eliminate bubbles that prohibit laminar flow.

Visual, single-molecule biochemistry studied through microfluidic chambers is greatly facilitated using glass barrel, gas-tight syringes, stable connections of tubing to flow cells, and elimination of bubbles by placing switching valves between the syringes and tubing. The protocol describes dual optical traps that enable visualization of DNA transactions and intermolecular interactions.

استخدام الملقط البصري المزدوج والموائع الدقيقة للدراسات أحادية الجزيء

Visual biochemistry is a powerful technique for observing the stochastic properties of single enzymes or enzyme complexes that are obscured in the ...

Biochemistry

Optical Biosensing

Optical biosensors utilize light to detect the binding of a target molecule. These sensors can utilize a label molecule, which produces a measurable signal such as fluorescence,&#160;or these sensors can be label-free&#160;and use the changes in optical properties, such as refractive index, to sense for the binding of the target molecule. This video introduces both label and label-free optical biosensors, demonstrates their use in the laboratory, and shows some applications of the technology.

Types of Optical Biosensing; Surface Plasmon Resonance SPR

Optical biosensors utilize light to detect the binding of a target molecule. These sensors can utilize a label molecule, which produces a measurable signal such as fluorescence, or these sensors can be label-free&#160;and use the changes in optical properties, such as refractive index, to sense for the binding of the target molecule. This video introduces both label and label-free optical biosensors, demonstrates their use in the laboratory, and shows some applications of the technology.

Optical biosensors utilize light to detect the binding of a target molecule. These sensors can utilize a label molecule, which produces a measurable ...