Name: implementation of a reference interferometer for nanodetection
Uploaded: 2014-04-26T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Implementation of a Reference Interferometer for Nanodetection at JoVE.com

Forfatterne ønsker å takke Xuan Du for å konstruere den skisserte i figur 1. Dette arbeidet ble finansiert med tilskudd fra Natural Science and Engineering Research Council (NSERC) i Canada.

En. Reference Interferometer Bygg og FSR Måling <ol><li> Konstruksjon <ol><li> Lag en åpen akryl boks. Denne strukturen skal være stor nok til å passe godt inn i en 16 cm x 16 cm x 16 i isoporeske. </li><li> Dikte opp en tre-trinns hylle for å huse optiske komponenter, som vil sitte i åpen-top akryl boks og vil bli helt omsluttet av isoporboks for termisk isolasjon. To forhøyede hull på isoporboksen må være tilstede for å gi rom for fiber å gå inn og ut hele kabinettet. </li><li> I 3. stadium: ...

<ol>
	<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 (6950), 839-846 (2003).</li><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> PNAS. 108 (15), 5976-5979 (2011).</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 (7), 591-596 (2008).</li><li>Vollmer, F., Braun, D., Libchaber, A., Khoshsima, M., Teraoka, I., 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=Protein+detection+by+optical+shift+of+a+resonant+microcavity.">Protein detection by optical shift of a resonant microcavity.</a> Appl. Phys. Lett. 80 (21), 4057-4059 (2002).</li><li>Sun, Y., Fan, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+ring+resonators+for+biochemical+and+chemical+sensing.">Optical ring resonators for biochemical and chemical sensing.</a> Anal. Bioanal. Chem. 399 (1), 205-211 (2011).</li><li>Shopova, S. I., Rajmangal, R., Nishida, Y., 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=Ultrasensitive+nanoparticle+detection+using+a+portable+whispering+gallery+mode+biosensor+driven+by+a+periodically+poled+lithium-niobate+frequency+doubled+distributed+feedback+laser.">Ultrasensitive nanoparticle detection using a portable whispering gallery mode biosensor driven by a periodically poled lithium-niobate frequency doubled distributed feedback laser.</a> Rev. Sci. Instrum. 81 (10), 103-110 (2010).</li><li>Santiago-Cordoba, M. A., Boriskina, S. V., Vollmer, F., Demirel, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoparticle-based+protein+detection+by+optical+shift+of+a+resonant+microcavity.">Nanoparticle-based protein detection by optical shift of a resonant microcavity.</a> Appl. Phys. Lett. 99 (7), 073701 (2011).</li><li>Swaim, J. D., Knittel, J., Bowen, W. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detection+limits+in+whispering+gallery+biosensors+with+plasmonic+enhancement.">Detection limits in whispering gallery biosensors with plasmonic enhancement.</a> Appl. Phys. Lett. 99 (24), 243109 (2011).</li><li>Gorodetsky, M. L., Pryamikov, A. D., Ilchenko, V. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rayleigh+scattering+in+high-Q+microspheres.">Rayleigh scattering in high-Q microspheres.</a> J. Opt. Soc. Am. B. 17 (6), 1051-1057 (2000).</li><li>Lu, T., Su, J., Fraser, S., 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=Split+frequency+sensing+methods+and+systems.">Split frequency sensing methods and systems.</a> Patent granted on. , (2013).</li><li>Zhu, J., 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=On-chip+single+nanoparticle+detection+and+sizing+by+mode+splitting+in+an+ultrahigh-Q+microresonator.">On-chip single nanoparticle detection and sizing by mode splitting in an ultrahigh-Q microresonator.</a> Nat. Photonics. 4 (1), 46-49 (2010).</li><li>Shopova, S. I., Rajmangal, R., Nishida, Y., 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=Ultrasensitive+nanoparticle+using+a+portable+whispering+gallery+mode+biosensor+driven+by+a+periodically+poled+lithium-niobate+frequency+doubled+distributed+feedback+laser.">Ultrasensitive nanoparticle using a portable whispering gallery mode biosensor driven by a periodically poled lithium-niobate frequency doubled distributed feedback laser.</a> Rev. Sci. Instrum. 81 (10), (2010).</li><li>Cai, M., Painter, O., 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=Observation+of+critical+coupling+in+a+fiber+taper+to+a+silica-microsphere+whispering-gallery+mode+system.">Observation of critical coupling in a fiber taper to a silica-microsphere whispering-gallery mode system.</a> Phys. Rev. Lett. 85 (1), 74-77 (2000).</li><li>Li, J., Lee, H., Yang, K. Y., 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=Sideband+spectroscopy+and+dispersion+measurement+in+microcavities.">Sideband spectroscopy and dispersion measurement in microcavities.</a> Opt. Express. 20 (24), 26337-26344 (2012).</li><li>Chow, J. H., 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=Critical+coupling+control+of+a+microresonator+by+laser+amplitude+modulation.">Critical coupling control of a microresonator by laser amplitude modulation.</a> Opt Express. 20 (11), 12622-12630 (2012).</li><li>Swaim, J. D., Knittel, J., Bowen, W. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detection+of+nanoparticles+with+a+frequency+locked+whispering+gallery+mode+microresonator.">Detection of nanoparticles with a frequency locked whispering gallery mode microresonator.</a> Appl. Phys. Lett. 102 (18), (2013).</li><li>Knittel, J., Chow, J. H., Gray, M. B., Taylor, M. A., Bowen, W. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasensitive+real-time+measurement+of+dissipation+and+dispersion+in+a+whispering-gallery+mode+microresonator.">Ultrasensitive real-time measurement of dissipation and dispersion in a whispering-gallery mode microresonator.</a> Opt. Lett. 38 (11), 1915-1917 (2013).</li><li>Shopova, S. I., Rajmangal, R., Holler, S., 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=Plasmonic+enhancement+of+a+whispering-gallery-mode+biosensor+for+single+nanoparticle+detection.">Plasmonic enhancement of a whispering-gallery-mode biosensor for single nanoparticle detection.</a> Appl. Phys. Lett. 98 (24), (2011).</li><li>Santiago-Cordoba, M. A., Boriskina, S. V., Vollmer, F., Demirel, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoparticle-based+protein+detection+by+optical+shift+of+a+resonant+microcavity.">Nanoparticle-based protein detection by optical shift of a resonant microcavity.</a> Appl. Phys. Lett. 99 (7), (2011).</li></ol>

Denne nåværende oppsett er i stand til sondering en rekke WGM microcavities, for eksempel microdisks, sfærer, og microtoroids, uten å kreve noen tilbakemeldinger kontroll for sonden laserkilden. En betydelig signal-til-støy-forhold (SNR) for deteksjon kan oppnås på grunn av den trinnskift forbedringer som leveres av banelengden, og partikkel-fremkalt tilbakespredning effekter. På grunn av enkelhet og lav kostnad av referansen interferometer i seg selv, er denne metoden en effektiv teknikk for å studere eller ut...

Forskningsinteresse har økt betydelig på bruk av hviske-gallery-modus (WGM) microcavities i den hensikt å nanodetection og biosensing 1-8. Dette innebærer meget kvalitetsfaktor (Q) optiske hulrom som er dyktige i å identifisere ørsmå biologiske partikler, ned til enkelt protein nivå to. Det vil si, overvåke endringer i resonans og delt frekvens for overføring med ekstraordinær følsomhet 9-11 kan aktiveres av hulrommet er innesperring av lys energi innenfor en liten modus volum. Variasjoner i de optiske egenskapene til en resonator som er årsaken til disse forskyvninger, som igjen stammer fra binding av adskilte molekyler eller nanopartikler. En mindre sofistikerte eksempel på en tre-dimensjonal WGM struktur for slike anvendelser er en silikamikrokule, som kan fremstilles med en i nærheten av atomically glatt overflate ved ganske enkelt å ablating en trukne optisk fiber ved hjelp av en CO2-laser. Som kjenthøye Q-faktorer på størrelsesorden 10 9 kan oppnås en. Den resonante frekvensen til en microcavity blir konvensjonelt overvåket ved å skanne den optiske frekvensen til en avstembar laserkilde, samtidig som foto-detektering av optisk overføring som fanges på et oscilloskop. En iboende ulempen med denne teknikken er det usikkerhet knyttet til plasseringen av dråper i overføringen som oppstår fra varierende laser bølgelengde eller laser jitter. For å overvinne denne komplikasjon, kan et interferometer anvendes sammen med en microcavity å produsere et referansesignal for å avbryte den laser jitter og øke følsomheten observert to. Svak inngang er delt i to optiske baner: referansestrålen som passerer gjennom interferometeret (med et fritt spektralområde eller FSR stor nok til å hindre at laseren fra jittering forbi en FSR frekvens avstand under målingen) og deteksjons strålen som interacts med WGM microresonator. Denne funksjonen effektiviserer eksperimenter i forhold til mer avanserte konfigurasjoner, som for eksempel at av WGM sensing som innebærer en kombinasjon av et distribuert tilbakemeldinger laser (DFB) og periodisk polet litium niobate (PPLN) dobbler 12. I denne publikasjonen er et interferometer teknikk for ultra-høy kvalitetsfaktor microcavity basert overvåking av nanoskala saken beskrevet tre. Oppsett og datainnsamling prosedyrer som er nødvendige for å oppnå dette er skissert, illustrerer hvordan hulrom kvalitetsfaktor kan bestemmes gjennom henvisning interferometri.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="645">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Polystyrene&#160; Microspheres</td>
			<td style="width:143px;">PolyScience</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Dulbecco&#8217;s Phosphate Buffered Saline (DPBS)</td>
			<td style="width:143px;">Life Technologies</td>
			<td style="width:119px;">14190</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Piezoelectric Nanopositioner System</td>
			<td style="width:143px;">Precision Instrument</td>
			<td style="width:119px;">P-611.3S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Balanced Photodetector</td>
			<td style="width:143px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:119px;">PDB120A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Photo Detector</td>
			<td style="width:143px;">Newport</td>
			<td style="width:119px;">1801-FC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">2 x 3-dB Fiber Optical Directional Coupler</td>
			<td style="width:143px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:119px;">FC632-50B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">10-dB Fiber Optical Directional Coupler</td>
			<td style="width:143px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:119px;">FC632-90B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">2 x Drop In Polarization Controller</td>
			<td style="width:143px;">General Photonics</td>
			<td style="width:119px;">PLC-003-S-25</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Function Generator</td>
			<td style="width:143px;">Hewlett Packard</td>
			<td style="width:119px;">33120A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Fusion Splicer</td>
			<td style="width:143px;">Ericsson</td>
			<td style="width:119px;">FSU-925</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">High-Speed Oscilloscope&#160;</td>
			<td style="width:143px;">Agilent</td>
			<td style="width:119px;">DS09404A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">2 x Motorized Translation Stage with Controller</td>
			<td style="width:143px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:119px;">MTS25-Z8E</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Single Mode Optical Fiber, 600-800 nm, &#216;125 &#956;m Cladding</td>
			<td style="width:143px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:119px;">SM600</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Real-Time Electrical Spectrum Analyzer</td>
			<td style="width:143px;">Tektronix</td>
			<td style="width:119px;">RSA3408B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Optical Spectrum Analyzer</td>
			<td style="width:143px;">Agilent</td>
			<td style="width:119px;">70951A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">632.5 &#8211; 637 nm Tunable Laser</td>
			<td style="width:143px;">New Focus</td>
			<td style="width:119px;">TLB-6304</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Filtration Pump</td>
			<td style="width:143px;">KNF labs</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Ultrasonics Cleaner</td>
			<td style="width:143px;">Crest Ultrasonics</td>
			<td style="width:119px;">Powersonic 1100D</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Mini Vortexer</td>
			<td style="width:143px;">VWR</td>
			<td style="width:119px;">VM-3000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Centrifuge</td>
			<td style="width:143px;">Beckman Coulter</td>
			<td style="width:119px;">Microfuge 22R</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

implementation of a reference interferometer for nanodetection

En termisk og mekanisk stabilisert fiberinterferometer egnet for å undersøke ultra-høy kvalitetsfaktor microcavities er formet. Etter å ha vurdert den frie spektrale området (FSR), er modulen settes i parallell med en fiber konus-microcavity systemet og deretter kalibrert ved å isolere og å eliminere tilfeldige endringer i laserfrekvensen (dvs. laser jitter). For å realisere den koniske-microcavity knutepunkt og for å maksimere den optiske energien som blir overført til resonatoren, er en enkelt-modus optisk fiberbølgeleder trekkes. Løsninger inneholdende polystyren nanobeads blir deretter preparert og fløyet til microcavity for å demonstrere systemets evne til å sanse binding til overflaten av microcavity. Data er post-prosessert via adaptive kurvetilpasning, noe som gjør det mulig for høyoppløselige målinger av kvaliteten faktor samt plotting av tidsavhengige parametere, slik som resonans bølgelengde og delt frekvens skift. Ved å nøyeinspeksjon av trinnene i tidsdomeneresponsen og giring i frekvens-domenet respons, kan dette instrument kvantifisere adskilte bindingsbegivenheter.

Etter å følge protokollen, kan sporene være sammensatt og montert. Figur 3a viser den typiske resonans struktur av mikrosfære som fremstilt i videoen, hvor frekvens splitting er observert i en DPBS medium. En minste kvadraters tilpasning til dobbelt Lorentzian funksjon indikerer at kvaliteten faktor på venstre og høyre resonans dips er henholdsvis 2,1 x 10 8 og 3,8 x 10 8 i et vandig miljø. De optiske frekvenser av FWHM blir oppnådd ved å sammenligne hulrommet spektrum med...

Watch this Scientific Journal Video about Implementation of a Reference Interferometer for Nanodetection at JoVE.com

Implementation of a Reference Interferometer for Nanodetection

En referanse interferometer teknikk, som er konstruert for å fjerne uønsket laser jitter for nanodetection, utnyttes for sondering en ultra-høy kvalitetsfaktor microcavity. Instruksjoner for montering, oppsett, og datainnsamling er gitt, sammen med prosessmåling for å spesifisere hulrom kvalitetsfaktor.

Implementering av et referanse Interferometer for Nanodetection

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Analysis of Contact Interfaces for Single GaN Nanowire Devices

Analyse av kontaktlinser grensesnitt for Single Gan nanowire Devices

Single GaN nanowire (NW) devices fabricated on SiO2 can exhibit  a strong degradation after annealing due to the  occurrence of void formation at the ...

Preparation and Use of Photocatalytically Active Segmented Ag|ZnO and Coaxial TiO2-Ag Nanowires Made by Templated Electrodeposition

Preparation and Use of Photocatalytically Active Segmented Ag|ZnO and Coaxial TiO2-Ag Nanowires Made by Templated Electrodeposition

Utarbeidelse og bruk av Photocatalytically Aktiv segmentert Ag | ZnO og koaksial TiO<sub&gt; 2</sub&gt;-Ag Nanowires Made by templated Electrodeposition

Photocatalytically active nanostructures require a large specific surface area with the presence of many catalytically active sites for the oxidation and ...

Energy Dispersive X-ray Tomography for 3D Elemental Mapping of Individual Nanoparticles

Energi dispersive X-ray Tomografi for 3D Elemental Kartlegging av individuelle Nanopartikler

Energy dispersive X-ray spectroscopy within the scanning transmission electron microscope (STEM) provides accurate elemental analysis with high spatial ...

Detection and Recovery of Palladium, Gold and Cobalt Metals from the Urban Mine Using Novel Sensors/Adsorbents Designated with Nanoscale Wagon-wheel-shaped Pores

Påvisning og utvinning av Palladium, Gull og Cobalt Metals fra Urban Mine Bruke Novel Sensorer / adsorbenter Eget med nanoskala Wagon-hjulformede Porer

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in ...

Fabrication Process of Silicone-based Dielectric Elastomer Actuators

Fabrikasjon Process av silikon-baserte Transformator Elastomer Aktuatorer

This contribution demonstrates the fabrication process of dielectric elastomer transducers (DETs). DETs are stretchable capacitors consisting of an ...

Advanced Experimental Methods for Low-temperature Magnetotransport Measurement of Novel Materials

Avanserte Eksperimentelle metoder for lav temperatur Magnetotransport Måling av nye materialer

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film ...

Spark Plasma Sintering Apparatus Used for the Formation of Strontium Titanate Bicrystals

Spark Plasma Sintring apparatet som brukes for dannelsen av strontium titanate Bicrystals

A spark plasma sintering apparatus was used as a novel method for diffusion bonding of two single crystals of strontium titanate to form bicrystals with ...

Experimental Implementation of a New Composite Fabrication Method: Exposing Bare Fibers on the Composite Surface by the Soft Layer Method

Eksperimentell gjennomføringen av en ny sammensatt fabrikasjon metode: utsette nakne fiber på sammensatte overflaten av myke lag metoden

The bipolar plate is a key component in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) and vanadium redox flow batteries (VRFBs). It is a multi-functional ...

Fabrication of Refractive-index-matched Devices for Biomedical Microfluidics

Fabrikasjon av refraktiv-indeks-matchet enheter for biomedisinsk Microfluidics

The use of microfluidic devices has emerged as a defining tool for biomedical applications. When combined with modern microscopy techniques, these devices ...

Design and Implementation of a Bespoke Robotic Manipulator for Extra-corporeal Ultrasound

Design og implementering av en skreddersydd robot Manipulator for ekstra kroppslige ultralyd

With the potential for high precision, dexterity, and repeatability, a self-tracked robotic system can be employed to assist the acquisition of real-time ...