Abstract
नीचे एक अणु को सीमित करने के अणुओं के छोटे सांद्रता का पता लगाने के इस तरह के रोग का जल्दी पता लगाने, और अणुओं के व्यवहार पर मौलिक अध्ययन जैसे क्षेत्रों पर प्रभाव पड़ता है। एक अणु पता लगाने की तकनीक सामान्यतः हालांकि, लेबल लागत और जटिलता में वृद्धि, हमेशा उपलब्ध नहीं हैं, और घटनाओं का अध्ययन किया जा रहा उपद्रव कर सकते हैं जैसे फ्लोरोसेंट टैग या क्वांटम डॉट्स के रूप में लेबल का उपयोग। ऑप्टिकल resonators के लेबल के उपयोग के बिना एकल अणुओं का पता लगाने के लिए एक आशाजनक साधन के रूप में उभरा है। वर्तमान में समाधान में एक गैर plasmonically-बढ़ाया नंगे ऑप्टिकल गुंजयमान यंत्र प्रणाली द्वारा पता लगाया सबसे छोटा कण एक 25 एनएम पॉलीस्टीरिन क्षेत्र एक है। हम ऑप्टिकल फुसफुसा क्षणभंगुर गुंजयमान यंत्र जलीय समाधान 2 में लेबल मुक्त एक अणु का पता लगाने के लिए इस सीमा को पार करने और प्राप्त कर सकते हैं कि (फूल) ताला लगा आवृत्ति के रूप में जाना जाता है एक तकनीक विकसित की है। सिग्नल की शक्ति कण की मात्रा के साथ तराजू के रूप में, हमारे काम एक> 100x improveme का प्रतिनिधित्व करता हैNT कला की वर्तमान स्थिति पर शोर अनुपात (SNR) को संकेत में। यहाँ फूल के पीछे प्रक्रियाओं क्षेत्र में इसके उपयोग को बढ़ाने के प्रयास में प्रस्तुत कर रहे हैं।
Introduction
एकल अणु का पता लगाने के प्रयोगों रोग का जल्दी पता लगाने के लिए biosensors में इस्तेमाल विश्लेष्य की राशि को कम करने के लिए उपयोगी होते हैं, और अणुओं 3 के मौलिक गुणों की जांच के लिए। इस तरह के प्रयोगों को आम तौर पर लेबल, हालांकि, लेबल हमेशा की घटनाओं का अध्ययन किया जा रहा उपद्रव कर सकते हैं, लागत में वृद्धि, एक विशेष प्रोटीन के लिए प्राप्त करने के लिए संभव नहीं हैं, और विशेष रूप से साइट पर प्रयोगों या बिंदु के- वास्तविक समय के लिए असुविधाजनक हो सकता है का उपयोग करते हुए प्रदर्शन कर रहे हैं ध्यान निदान।
लेबल मुक्त biosensing के लिए वर्तमान सोने के मानक हालांकि वाणिज्यिक सतह plasmon अनुनाद प्रणाली आम तौर पर एनएम के आदेश पर पता लगाने के एक ठेठ निचली सीमा है, सतह plasmon अनुनाद 4 है। हाल ही में, ऑप्टिकल resonators के लेबल से मुक्त एक अणु biodetection 5 के लिए एक आशाजनक प्रौद्योगिकी के रूप में उभरा है। लंबी अवधि (एनएस) पर आधारित ऑप्टिकल resonators काम प्रकाश 6.7 का कारावास। लाइट evanescently हैआम तौर पर एक ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से इन उपकरणों में मिलकर। फाइबर के माध्यम से जा रहे प्रकाश की तरंग दैर्ध्य गुंजयमान यंत्र की गूंज तरंगदैर्ध्य से मेल खाता है, कुशलता से गुंजयमान यंत्र के लिए जोड़ों के प्रकाश। इस युग्मित प्रकाश पूरी तरह से आंतरिक रूप से गुंजयमान यंत्र की परिधि के आसपास के क्षेत्र में एक क्षणभंगुर क्षेत्र पैदा गुंजयमान यंत्र की गुहा के भीतर दर्शाता है। कणों गुंजयमान यंत्र, कण 8 की मात्रा के अनुपात में गुंजयमान यंत्र परिवर्तन की गूंज तरंग दैर्ध्य के क्षणभंगुर क्षेत्र और बाँध प्रवेश के रूप में।
पता लगाने की क्षमता के संदर्भ में, microsphere resonators के पहले एकल इन्फ्लूएंजा ए वायरस कणों (100 एनएम) 9,10 पता लगाने के लिए इस्तेमाल किया गया है। हाल ही में, plasmonically-बढ़ाया microsphere ऑप्टिकल resonators हालांकि इस दृष्टिकोण डे प्रति 0.3 माइक्रोन से 2 कण कब्जा क्षेत्र को सीमित करता है, अणुओं 11 और 8 मेर oligonucleotides 12 एल्बुमिन एकल गोजातीय सीरम पता लगाने के लिए इस्तेमाल किया गया हैउपाध्यक्ष। बड़ी कब्जा क्षेत्र biosensors के कण का पता लगाने का मौका अधिकतम करने के लिए आदर्श होते हैं। बड़े (> 100 माइक्रोन 2) पर कब्जा क्षेत्रों के साथ मौजूदा समाधान आधारित लेबल मुक्त biosensing प्रौद्योगिकियों polystyrene कणों ≥ 25 एनएम का पता लगाने के लिए सीमित कर दिया गया है।
हम समाधान में एकल अणुओं का समय हल का पता लगाने में सक्षम है कि ऑप्टिकल फुसफुसा क्षणभंगुर गुंजयमान यंत्र (फूल) 13 (चित्रा 1) ताला लगा आवृत्ति के रूप में जाना ऑप्टिकल गुंजयमान यंत्र प्रौद्योगिकी पर आधारित एक लेबल मुक्त biosensing प्रणाली विकसित की है। फूल आवृत्ति ताला लगा प्रतिक्रिया नियंत्रण, संतुलित का पता लगाने, और एकल प्रोटीन अणुओं के लिए नीचे छोटे कणों का पता लगाने के कम्प्यूटेशनल छानने के साथ संयुक्त microtoroid ऑप्टिकल resonators की लंबी फोटॉन जीवनकाल का उपयोग करता है। आवृत्ति लॉकिंग का उपयोग झाडू या लेजर तरंगदैर्ध्य से अधिक स्कैन करने के लिए आवश्यकता के बिना, कण बाँध के रूप में सिस्टम हमेशा microtoroid के स्थानांतरण प्रतिध्वनि को ट्रैक करने की अनुमति देता हैबड़ी पर्वतमाला। फूल के सिद्धांतों plasmonic वृद्धि सहित अन्य तकनीकों का पता लगाने क्षमताओं को बढ़ाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। क्या इस प्रकार में, फूल प्रदर्शन करने के लिए प्रक्रियाओं वर्णित हैं।
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Protocol
1. प्रायोगिक सेटअप और नमूना तैयार
- , लिथोग्राफी का उपयोग नक़्क़ाशी, और पहले 6 के रूप में वर्णित प्रक्रिया के पिघलने microtoroids बनाना। आम तौर पर 80-100 माइक्रोन का एक प्रमुख व्यास, और 2 माइक्रोन की एक नाबालिग व्यास है कि एक सिलिकॉन वेफर (चिप) के शीर्ष पर microtoroids बनाना।
- मोटे तौर पर इसका फाइबर स्पूल से एकल मोड ऑप्टिकल फाइबर (125 माइक्रोन आवरण, 4.3 माइक्रोन मोड क्षेत्र व्यास) की एक मीटर खोलना।
- ऑप्टिकल फाइबर का खुला हुआ भाग के बीच में, तार strippers का उपयोग ऑप्टिकल फाइबर के आसपास बहुलक कोटिंग के एक छोटे से क्षेत्र (2.5 सेमी) पट्टी। नोट: इस microtoroid में evanescently युगल प्रकाश करने के लिए इस्तेमाल किया जाएगा कि ऑप्टिकल फाइबर का हिस्सा है।
- Isopropanol शराब और मुक्त पोंछ एक प्रकार का वृक्ष के साथ छीन फाइबर साफ करें।
- चुंबकीय अकड़न से बना एक फाइबर धारक का उपयोग जगह में फाइबर के इस हिस्से को पकड़ो।
- Meltin द्वारा ~ 500 एनएम के लिए पतला छीन फाइबरजी और एक हाइड्रोजन मशाल और 60 माइक्रोन / मिनट पर विपरीत दिशाओं में आगे बढ़ दो stepper मोटर्स का उपयोग कर खींच रहा है। ~ 10 मिमी लंबा होना चाहिए जो लौ के शीर्ष भाग, अंदर ऑप्टिकल फाइबर स्थिति। फाइबर के माध्यम से संचरण (बंद पर फाइबर झपकी से laterally बिखरे हुए हैं और है कि प्रकाश को देख कर) या एक आस्टसीलस्कप से जुड़ा हुआ है जो एक photodiode के लिए फाइबर जोड़ने के द्वारा या तो नेत्रहीन नजर रखी जा सकती है, जो अस्थिर बंद हो जाता है जब फाइबर खींच रोक ।
- ऑप्टिकल फाइबर के एक छोर फोड़ना और एक नंगे फाइबर अनुकूलक में डालें। Photoreceiver के इनपुट में फाइबर की यह अंत रखें।
- फाइबर जोड़े को एक फाइबर ऑप्टिक युग्मक का उपयोग करके लेजर के लिए फाइबर स्पूल के दूसरे छोर।
- Epoxy या दो तरफा टेप का उपयोग कर एक नमूना धारक के शीर्ष पर microtoroid चिप (स्टेनलेस स्टील, 37.8 मिमी x 6.4 मिमी x 3.2 मिमी) रखें।
- (एक 3 अक्ष नैनो स्थिति की शामिल है एक पोजीशनिंग मंच के शीर्ष पर नमूना धारक माउंट nएक 3 अक्ष माइक्रोमीटर के शीर्ष पर anocube) मंच (उपकरणों की सूची देखें)। कंपन कम से कम एक साँस पृथक ऑप्टिकल मेज पर सभी प्रयोगों को पूरा करें।
- मोटे स्थिति 3 अक्ष माइक्रोमीटर का उपयोग नमूना चिप।
- नैनो positioner का उपयोग कर ऑप्टिकल फाइबर के लिए microtoroid युक्त चिप समानांतर संरेखित करें। नोट: इनपुट प्रकाश (~ 633 एनएम) की एक तरंग दैर्ध्य की दूरी के भीतर microtoroid संरेखित करें। इस प्रक्रिया के दृश्य के लिए दो इमेजिंग स्तंभों का उपयोग शीर्ष पर है और चिप के पक्ष पर तैनात (ऑब्जेक्टिव लेंस और कैमरे के साथ ट्यूब, उपकरणों की सूची देखें)।
- एक लाइन में ध्रुवीकरण नियंत्रक का उपयोग करने के लिए ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से निर्देशित लेजर प्रकाश का ध्रुवीकरण का अनुकूलन ध्रुवीकरण को समायोजित करने के लिए एक दस्ता के साथ (उपकरणों की सूची देखें)। नोट: ऑप्टिकल फाइबर के संचरण में मापा डुबकी सबसेसंकरेमें प्रकट होता है जब इष्टतम ध्रुवीकरण हासिल की है। एक आस्टसीलस्कप (अधिक जानकारी के लिए कदम 2.2 देखें) पर इस डुबकी का निरीक्षण करें।
- निर्माणएक स्पेसर के रूप में एक गिलास खुर्दबीन स्लाइड का उपयोग नमूना मंच पर एक गिलास coverslip epoxying द्वारा एक नमूना कक्ष। नोट: पूरे सेटअप को कवर एक Plexiglas बाड़े हवा के बहाव को कम करने के लिए उपयोगी हो सकता है। एक छोटे से खोलने ट्यूबिंग का उपयोग करने में पंप किया जा करने के लिए समाधान के लिए अनुमति देने के लिए छोड़ दिया जाना चाहिए।
- Thermally एक आर टी पानी स्नान (~ 500 मिलीलीटर) में ≥ 1 घंटे के लिए कण निलंबन या एकल अणु जलीय समाधान संतुलित करना। नोट: नमूने निर्माता, जैसे, पीबीएस या HEPES से निर्दिष्ट संबद्ध buffers का उपयोग microcentrifuge ट्यूबों में वांछित एकाग्रता के लिए पतला कर रहे हैं। कोई बाध्यकारी घटनाओं का पता चला रहे हैं, तो बफर के नमक एकाग्रता में वृद्धि।
- ~ 2 सेकंड के लिए समाधान (1 मिलीलीटर) संक्षिप्त युक्त भंवर कण।
- 1 मिलीलीटर पर नमूना कक्ष में कण युक्त समाधान इंजेक्षन / 1 मिलीलीटर सिरिंज पंप का उपयोग मिनट।
- नमूना कक्ष भरे जाने के बाद, सिरिंज पंप बंद कर देते हैं।
- रिकॉर्डिंग डेटा को कम करने से पहले 30 मिनट रुकोमाप को प्रभावित कर सकते हैं कि द्रव का प्रवाह से उत्पन्न यांत्रिक कंपन के प्रभाव।
2. आवृत्ति ताला
- युग्मन तरल पदार्थ का इंजेक्शन के कारण परेशान किया जाएगा, क्योंकि nanopositioner के साथ नमूना धारक को ले जाकर ऑप्टिकल फाइबर के लिए toroid-युगल पुन।
- तरंग दैर्ध्य की एक किस्म के माध्यम से कंप्यूटर नियंत्रित इनपुट लेजर स्कैनिंग द्वारा microtoroid की गूंज तरंग दैर्ध्य का पता लगा। लेजर की तरंग दैर्ध्य को नियंत्रित करता है कि लेजर नियंत्रक के भीतर एक पीजोइलेक्ट्रिक तत्व को एक त्रिकोणीय तरंग वोल्टेज संकेत भेजकर इस कदम प्रदर्शन। इस तरंग दैर्ध्य में पानी में प्रकाश की कम अवशोषण के रूप में वहाँ दृश्य प्रकाश (2.5 एनएम ± 635 एनएम) का उपयोग कर प्रयोगों प्रदर्शन करना।
- एक ऑटो संतुलित photoreceiver में ऑप्टिकल फाइबर का उत्पादन plugging द्वारा ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से प्रकाश संचरण उपाय। एक BNC केबल का उपयोग कर एक आस्टसीलस्कप में photoreceiver के उत्पादन में प्लग। ओ का निरीक्षणएन आस्टसीलस्कप microtoroid की गूंज तरंग दैर्ध्य में, ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से प्रसारण चला जाता है।
- एक केबल के माध्यम से प्रतिक्रिया नियंत्रक (उपकरणों की सूची देखें) ताला लगा आवृत्ति के मुख्य निवेश करने के लिए photoreceiver के उत्पादन में संलग्न।
- 2 kHz के एक तड़पना आवृत्ति और 19 एफएम की तरंग दैर्ध्य दोलन की एक आयाम के साथ ताला लगा शीर्ष के शिखर का उपयोग कर autolock मोड में आवृत्ति ताला लगा प्रतिक्रिया नियंत्रक चलाएँ। अनुभव से ज़ेग्लेर-निकोल्स ट्यूनिंग नियम 14 का उपयोग सॉफ्टवेयर विंडो में आनुपातिक-अभिन्न-व्युत्पन्न रूपरेखा तय। नोट: इन मूल्यों सभी प्रयोगों की शुरुआत में एक बार सेट किया जा केवल जरूरत है।
- Microtoroid की गूंज तरंगदैर्ध्य के लिए लेजर की तरंग दैर्ध्य ऑटो लॉक। नमूना कक्ष भरने के बाद इस कदम को पूरा करें। नोट: तरंगदैर्ध्य पारी बहुत बड़ी है, तो प्रतिक्रिया नियंत्रक ताला खो देंगे और स्वचालित रूप से गूंज तरंगदैर्ध्य स्थान का पता लगाने के क्रम में स्कैनिंग मोड के लिए स्विच। इस OCतरंग दैर्ध्य के लिए curs लगभग एक linewidth (यहां जांच की सभी प्रणालियों के लिए कम से कम 600 एफएम) की तुलना में बड़ा बदलाव।
- एक 24-बिट डेटा अधिग्रहण कार्ड का उपयोग कर 20 kHz पर प्रतिक्रिया नियंत्रक के उत्पादन में रिकार्ड। डाटा अधिग्रहण सॉफ्टवेयर के माध्यम से एक पाठ फ़ाइल के रूप में डेटा निर्यात करें।
3. डाटा प्रोसेसिंग और विश्लेषण
- फूरियर MATLAB में डेटा को बदलने।
- कम 2 किलो हर्ट्ज का लगाया तड़पना आवृत्ति को दूर करने के लिए 1 kHz पर एक कटऑफ के साथ एक ईंट "दीवार" फिल्टर का उपयोग कर डेटा पास (पूरक संहिता स्क्रीनशॉट 1 फ़ाइल देखें)।
- Computationally पायदान 16 हर्ट्ज की एक खिड़की के आकार का उपयोग कर डेटा फिल्टर। नोट: यह इस मामले में, शोर के ज्ञात स्रोतों को दूर करने के लिए किया जाता है, 60 हर्ट्ज इलेक्ट्रॉनिक लाइन शोर और उसके harmonics, (लेजर चालक से आ रहा है) के रूप में अच्छी तरह से 100 हर्ट्ज और उसके harmonics (पूरक संहिता स्क्रीनशॉट 1 फ़ाइल देखें)।
- उलटा फूरियर समय डोमेन में वापस डेटा बदलना।
- मंझला फिल्टर एक खिड़की का उपयोग कर डेटा1,001 नमूने का आकार (पूरक संहिता स्क्रीनशॉट 2 फ़ाइल देखें)।
- Kerssemakers एट अल। 15 के कदम को खोजने के कलन विधि का उपयोग गूंज तरंग दैर्ध्य में कदम परिवर्तन का पता लगा।
- प्रत्येक बाध्यकारी कदम के आयाम के histograms उत्पन्न करता है।
- समीकरण का उपयोग कर कण आकार की गणना। (1) (चर्चा देखें)।
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Representative Results
घटनाओं बाध्यकारी कण स्पष्ट रूप से समय (2A चित्रा) से अधिक microtoroid की गूंज तरंग दैर्ध्य में कदम की तरह परिवर्तन के रूप में देखा जाता है। इन कदमों से ऊंचाइयों। चित्रा 2 बी में एक हिस्टोग्राम के रूप में दिखाया 2-4 क्रमशः, प्रतिनिधि exosomes के बंधन से निशान (nanovesicles), 5 एनएम सिलिका मोती, और एकल मानव इंटरल्यूकिन -2 अणुओं दिखाने के आंकड़े हैं। कदम-तरह की घटनाओं के कण आकार के साथ पैमाने पर तथ्य यह है कि तकनीक का सही ढंग से प्रदर्शन किया गया है कि पता चलता है। नीचे चर्चा की है, क्योंकि यह कदम हाइट्स (चित्रा 2 बी) के एक हिस्टोग्राम पैदा करने और सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के लिए मनाया अधिकतम कदम ऊंचाई की तुलना द्वारा विश्लेषण किया जा सकता है।
एक tunable डायोड लेजर से चित्रा 1. ब्लॉक toroid संवेदन प्रणाली के चित्र। प्रकाश डब्ल्यू विभाजन है जोड़ों toroid और एक ऑटो संतुलित photoreceiver में से एक इनपुट में सीधे भेजा अन्य हिस्से में प्रकाश है कि ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से भेजे गए एक भाग के ith। ऑप्टिकल फाइबर का उत्पादन ऑटो संतुलित photoreceiver के दूसरे इनपुट में भेज दिया जाता है। photoreceiver का उत्पादन microtoroid की गूंज तरंगदैर्ध्य के मूल्य का पता लगाने के लिए लेजर प्रकाश modulates जो प्रतिक्रिया नियंत्रक करने के लिए भेजा जाता है। कणों toroid, अनुनाद आवृत्ति पारियों करने के लिए बाध्य है। लेजर की तरंग दैर्ध्य और microtoroid की गूंज तरंगदैर्ध्य के बीच अंतर लेजर के रूप में सुचारू रूप से जितनी जल्दी संभव हो toroid की तरंग दैर्ध्य मैच और करने के लिए अनुमति देता है कि एक आनुपातिक-अभिन्न-व्युत्पन्न नियंत्रक करने के लिए भेजा जाता है। एक बड़ा देखने के लिए यहां क्लिक करें इस आंकड़े के संस्करण।
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20 एनएम मोती microtoroid की सतह के लिए बाध्य के रूप में समय के साथ चित्रा 2. अनुनाद तरंग दैर्ध्य बदल जाते हैं। 20 एनएम मोती के रूप में समय के साथ microtoroid की गूंज तरंग दैर्ध्य में (ए) शिफ्ट सतह के लिए बाध्य। ऊंचाइयों प्रत्येक प्रतिध्वनि तरंगदैर्ध्य कदम घटना की (आयाम) (बी) हिस्टोग्राम। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
समय के साथ चित्रा 3. अनुनाद तरंगदैर्ध्य परिवर्तन व्यक्ति exosomes microtoroid की सतह के लिए बाध्य करते हैं। व्यक्तिगत रूप से बाध्यकारी घटनाओं समय के साथ गूंज तरंग दैर्ध्य में असतत परिवर्तन (कदम) के रूप में देखा जाता है।"> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
5 एनएम सिलिका मोती के रूप में समय के साथ चित्रा 4. अनुनाद तरंगदैर्ध्य परिवर्तन microtoroid की सतह से बँधे। कणों निष्क्रिय सोखना के माध्यम से toroid की सतह का पालन करें। कण बाध्यकारी घटनाओं समय के साथ toroid की गूंज तरंग दैर्ध्य में असतत कदम के रूप में देखा जाता है। एक कण की Desorption एक नीचे कदम के रूप में देखा जाता है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
आईएल -2 अणुओं के रूप में समय के साथ चित्रा 5. अनुनाद तरंगदैर्ध्य परिवर्तन microtoroid की सतह से बँधे। Macromolecular बाध्यकारी घटनाओंसमय के साथ गूंज तरंग दैर्ध्य में असतत कदम के रूप में देखा जाता है। ये कदम कणों के दो प्रकार मोटे तौर पर इसी तरह के आकार के होते हैं के रूप में चित्रा 4 में उन लोगों के लिए समान लग रही है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
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Discussion
एक कण बांधता के रूप में, toroid बढ़ जाती है की प्रतिध्वनि तरंगदैर्ध्य (λ)। एक कण unbinds हैं, तो प्रतिध्वनि तरंगदैर्ध्य तदनुसार (एक कदम नीचे घटना) कम हो जाती है। कण व्यास (घ) तरंग दैर्ध्य प्रत्येक कदम के आयाम के histograms के माध्यम से निर्धारित किया जा सकता है। तरंग दैर्ध्य प्रत्येक कदम की ऊंचाई बाध्य कण के आकार के बदलाव के लिए और कारण कण बांधता है जहां microtoroid पर स्थान की वजह से भिन्न होता है। कणों बिजली के क्षेत्र (ई 0, अधिकतम) एक अधिकतम है जहां microtoroid की भूमध्य रेखा पर बाँध जब प्रतिध्वनि तरंगदैर्ध्य (कदम ऊंचाई) में अधिकतम परिवर्तन होता है। यह अधिकतम कदम ऊंचाई (Δλ) समीकरण के माध्यम से कण व्यास से संबंधित है। एक कण त्रिज्या है, जहां (1) 8, डी बाध्य कण के अपवर्तन और उसके आसपास के मीडिया के सूचकांक पर आधारित एक निरंतर ढांकता हुआ है, वी एम ligh की विधा मात्रा हैmicrotoroid भीतर टी परिमित तत्व सिमुलेशन 2 के माध्यम से निर्धारित होता है, और ई 0 (आर एस) ने भी परिमित तत्व सिमुलेशन के माध्यम से निर्धारित कण भूमध्य रेखा पर बिजली के क्षेत्र के आयाम है:
समीकरण inverting। (1) सिग्नल की शक्ति (Δλ) कण की मात्रा (3) के साथ तराजू कि इंगित करता है। हमारे अचालक कारक के रूप में परिभाषित किया गया है:
जहां आसपास के मीडिया के अपवर्तन के सूचकांक है, और कण के सूचकांक अपवर्तन है। समीकरण (1) के रूप में अच्छी तरह के रूप में अतिरिक्त histograms और आकार काल के आधार पर कण आकार के लिए सैद्धांतिक अनुमानोंculations, 16 2 में प्रस्तुत कर रहे हैं।
फूल प्रतिक्रिया नियंत्रक ताला लगा आवृत्ति microtoroid की तरंग दैर्ध्य जो पटरियों पर आवृत्ति में वृद्धि से तेजी से ट्रैकिंग के लिए संशोधित किया जा सकता है। हालांकि मंझला फिल्टर कदम किनारों बेहतर संरक्षित होने का कारण बनता, डाटा प्रोसेसिंग प्रक्रिया के बजाय एक मंझला फिल्टर की एक चलती औसत का उपयोग करके संशोधित किया जा सकता है, और बाध्यकारी घटनाओं अभी भी ठीक किया जा सकता है। इस तकनीक की सीमाओं बाध्यकारी कण पर microtoroid की तरंग दैर्ध्य पारी जहां गुंजयमान यंत्र पर कण भूमि पर निर्भर करता है इस तथ्य शामिल हैं। इस प्रकार, एक भी कण के बंधन की पुष्टि कई असतत बाध्यकारी घटनाओं की एक हिस्टोग्राम की पीढ़ी पर निर्भर करता है। कोई अलग से बाध्यकारी घटनाओं का पता चला रहे हैं, तो विलायक के नमक एकाग्रता बढ़ाने में मदद करता है।
मौजूदा तरीकों के संबंध में इस तकनीक का महत्व कोई लेबल लक्ष्य अणु पूछताछ करने के लिए आवश्यक हैं।चयनात्मक बाध्यकारी हालांकि एंटीबॉडी के साथ सेंसर functionalizing की आवश्यकता है। अन्य लाभ microtoroid resonators उच्च संवेदनशीलता सतह plasmon अनुनाद तरीकों की तुलना में बड़ा कब्जा क्षेत्रों में है, के बाद से कण बाध्यकारी घटनाओं के होने की ज्यादा संभावना है कि इस तथ्य शामिल हैं। फूल photobleach हो सकता है कि फ्लोरोसेंट टैग की आवश्यकता नहीं है क्योंकि इसके अलावा, फूल तेजी से (मिलीसेकंड) समय संकल्प के साथ लंबे समय तक (> 10 सेकंड) मापन करने में सक्षम है।
प्रोटोकॉल के भीतर महत्वपूर्ण कदम microtoroid के साथ ऑप्टिकल फाइबर शंकु aligning शामिल हैं। Toroid तरल के माध्यम से फाइबर का तरल, बहुत ज्यादा आंदोलन में डूब जाता है एक बार इस प्रकार प्रयोग समाप्त, शंकु तोड़ने के लिए पैदा कर सकता है। अपनी मौजूदा निर्माण में फूल घंटे के समय के पैमाने पर प्रयोग के लिए इसलिए अनुपयुक्त है। Microtoroid तरल में डूब और कणों के लिए बाध्य किया गया है एक बार इसके अलावा, गुणवत्ता कारक (क्यू) के निराशाजनक घंटे और चोटी एल के एक समय के पैमाने से अधिक बूँदेंocking अंततः अस्थिर हो सकता है। इस स्थिति में एक नई डिवाइस की आवश्यकता है। हम गूंज चोटी के चारों ओर एक बहुत छोटे रेंज में हमारे लेजर आवृत्ति घबराहट की वजह से, फूल एक साथ कणों बाँध के रूप में वास्तविक समय में गुणवत्ता का पहलू में परिवर्तन उपाय नहीं है इसलिए पूरे गूंज स्पेक्ट्रम भर में स्कैन और नहीं है। पहले और केवल कुछ कणों के बंधन के बाद गुणवत्ता कारक को देखते हुए, हम महत्वपूर्ण क्यू कारक गिरावट नहीं दिख रहा है। हम मूल प्राचीन toroids (~ 1x10 5 -5x10 6 के पानी में लोड क्यू) अपेक्षाकृत कम क्यू कारक है क्योंकि यह है कि उम्मीद है।
हम लेजर प्रेरित अस्थिरता शोर ऑटो संतुलित photoreceiver का उपयोग कर बाहर घटाया जाता है कि ध्यान दें। हम सीधे संपर्क में microtoroid फाइबर रखकर toroid के खिलाफ ऑप्टिकल फाइबर के उतार चढ़ाव को कम। पीआईडी मानकों को सही ढंग से स्थापित नहीं कर रहे हैं, साथ ही, उतार-चढ़ाव, यानी दिखाई देगा, सिस्टम नहीं होगा तेजी से और accuratइली ट्रैक तरंगदैर्ध्य पाली। ज़ेग्लेर-निकोल्स ट्यूनिंग नियमों को सही ढंग से पीआईडी 14 सेटिंग सेट करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। यहां उल्लिखित प्रक्रियाओं का पालन करके, यह पता लगाने के लिए और नैनोमीटर के सैकड़ों से ही जैविक अणुओं सहित कुछ नैनोमीटर, के नीचे से लेकर आकार नैनोकणों के लिए संभव होना चाहिए।
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Tunable diode laser | Newport | TLB-6300 | |
| Laser controller | Newport | TLB-6300-LN | |
| Frequency locking feedback controller | Toptica Photonics | Digilock 110 | |
| Auto-balanced photoreceiver | Newport | Model 2007 | |
| In-line polarization controller | General Photonics | PLC-003-S-90 | |
| 24-bit data acquisition card | National Instruments | NI-PCI-4461 | |
| Recombinant human interleukin-2 | Pierce Biotechnology | R201520 | |
| 20 nm polystyrene beads | Thermo Scientific | 3020A | |
| NanoCube XYZ Piezo Stage | Physik Instrumente | P-611.3 | |
| Optical table | Newport | VH3660W-OPT | |
| Objective lens for imaging column | Navitar Machine Vision | 1-60228 | |
| Imaging column (adaptor tube) | Navitar Machine Vision | 1-60228 | |
| High-Res CCD camera for imaging column | Edmund Industrial Optics | NT39244 |
References
- Lu, T., et al. High sensitivity nanoparticle detection using optical microcavities. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 108, 5976-5979 (2011).
- Su, J., Goldberg, A. F. G., Stoltz, B. Label-free detection of single nanoparticles and biological molecules using microtoroid optical resonators. Light: Science and Applications. , (2016).
- Knight, A. Single molecule biology. , Elsevier/Academic. (2009).
- Jonsson, U., et al. Real-time biospecific interaction analysis using surface plasmon resonance and a sensor chip technology. BioTechniques. 11, 620-627 (1991).
- Vollmer, F., Arnold, S. Whispering-gallery-mode biosensing: label-free detection down to single molecules. Nat. Methods. 5, 591-596 (2008).
- Armani, D. K., Kippenberg, T. J., Spillane, S. M., Vahala, K. J. Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip. Nature. 421, 925-928 (2003).
- Vahala, K. J.
- Arnold, S., Khoshsima, M., Teraoka, I., Holler, S., Vollmer, F. Shift of whispering-gallery modes in microspheres by protein adsorption. Opt. Lett. 28, 272-274 (2003).
- Vollmer, F., Arnold, S., Keng, D. Single virus detection from the reactive shift of a whispering-gallery mode. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 105, 20701-20704 (2008).
- He, L., Ozdemir, S. K., Zhu, J., Kim, W., Yang, L. Detecting single viruses and nanoparticles using whispering gallery microlasers. Nat Nano. 6, 428-432 (2011).
- Dantham, V. R., et al. Label-free detection of single protein using a nanoplasmonic-photonic hybrid microcavity. Nano Lett. 13, 3347-3351 (2013).
- Baaske, M. D., Foreman, M. R., Vollmer, F. Single-molecule nucleic acid interactions monitored on a label-free microcavity biosensor platform. Nat Nanotechnol. 9, 933-939 (2014).
- Su, J. Label-Free Single Exosome Detection Using Frequency-Locked Microtoroid Optical Resonators. ACS Photonics. (9), 1241-1245 (2015).
- Åström, K. J., Murray, R. M. Feedback systems : an introduction for scientists and engineers. , Princeton University Press. (2008).
- Kerssemakers, J. W., et al. Assembly dynamics of microtubules at molecular resolution. Nature. 442, 709-712 (2006).
- Su, T. -T. J. Label-free detection of single biological molecules using microtoroid optical resonators. , California Institute of Technology. (2014).
