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
Representative Results
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 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
فإن الكتاب أود أن أشكر شوان دو للبناء المخطط المفاهيمي في الشكل 1. وقد تم تمويل هذا العمل من المنح المقدمة من العلوم الطبيعية والهندسة مجلس البحوث (NSERC) من كندا.
Materials
| Polystyrene Microspheres | PolyScience | ||
| Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline (DPBS) | Life Technologies | 14190 | |
| Piezoelectric Nanopositioner System | Precision Instrument | P-611.3S | |
| Balanced Photodetector | Thorlabs | PDB120A | |
| Photo Detector | Newport | 1801-FC | |
| 2 x 3-dB Fiber Optical Directional Coupler | Thorlabs | FC632-50B | |
| 10-dB Fiber Optical Directional Coupler | Thorlabs | FC632-90B | |
| 2 x 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 | |
| 2 x 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 labs | ||
| Ultrasonics Cleaner | Crest Ultrasonics | Powersonic 1100D | |
| Mini Vortexer | VWR | VM-3000 | |
| Centrifuge | Beckman Coulter | Microfuge 22R |
References
- Vahala, K. J. Optical microcavities. Nature. 424 (6950), 839-846 (2003).
- Lu, T., et al. High sensitivity nanoparticle detection using optical microcavities. PNAS. 108 (15), 5976-5979 (2011).
- Vollmer, F., Arnold, S. Whispering-gallery-mode biosensing: label-free detection down to single molecules. Nat. Methods. 5 (7), 591-596 (2008).
- Vollmer, F., Braun, D., Libchaber, A., Khoshsima, M., Teraoka, I., Arnold, S. Protein detection by optical shift of a resonant microcavity. Appl. Phys. Lett. 80 (21), 4057-4059 (2002).
- Sun, Y., Fan, X. Optical ring resonators for biochemical and chemical sensing. Anal. Bioanal. Chem. 399 (1), 205-211 (2011).
- Shopova, S. I., Rajmangal, R., Nishida, Y., Arnold, S. Ultrasensitive nanoparticle detection using a portable whispering gallery mode biosensor driven by a periodically poled lithium-niobate frequency doubled distributed feedback laser. Rev. Sci. Instrum. 81 (10), 103-110 (2010).
- Santiago-Cordoba, M. A., Boriskina, S. V., Vollmer, F., Demirel, M. C. Nanoparticle-based protein detection by optical shift of a resonant microcavity. Appl. Phys. Lett. 99 (7), 073701 (2011).
- Swaim, J. D., Knittel, J., Bowen, W. P. Detection limits in whispering gallery biosensors with plasmonic enhancement. Appl. Phys. Lett. 99 (24), 243109 (2011).
- Gorodetsky, M. L., Pryamikov, A. D., Ilchenko, V. S. Rayleigh scattering in high-Q microspheres. J. Opt. Soc. Am. B. 17 (6), 1051-1057 (2000).
- Lu, T., Su, J., Fraser, S., Vahala, K. J. Split frequency sensing methods and systems. Patent granted on. , (2013).
- Zhu, J., et al. On-chip single nanoparticle detection and sizing by mode splitting in an ultrahigh-Q microresonator. Nat. Photonics. 4 (1), 46-49 (2010).
- Shopova, S. I., Rajmangal, R., Nishida, Y., Arnold, S. Ultrasensitive nanoparticle using a portable whispering gallery mode biosensor driven by a periodically poled lithium-niobate frequency doubled distributed feedback laser. Rev. Sci. Instrum. 81 (10), (2010).
- Cai, M., Painter, O., Vahala, K. J. Observation of critical coupling in a fiber taper to a silica-microsphere whispering-gallery mode system. Phys. Rev. Lett. 85 (1), 74-77 (2000).
- Li, J., Lee, H., Yang, K. Y., Vahala, K. J. Sideband spectroscopy and dispersion measurement in microcavities. Opt. Express. 20 (24), 26337-26344 (2012).
- Chow, J. H., et al. Critical coupling control of a microresonator by laser amplitude modulation. Opt Express. 20 (11), 12622-12630 (2012).
- Swaim, J. D., Knittel, J., Bowen, W. P. Detection of nanoparticles with a frequency locked whispering gallery mode microresonator. Appl. Phys. Lett. 102 (18), (2013).
- Knittel, J., Chow, J. H., Gray, M. B., Taylor, M. A., Bowen, W. P. Ultrasensitive real-time measurement of dissipation and dispersion in a whispering-gallery mode microresonator. Opt. Lett. 38 (11), 1915-1917 (2013).
- Shopova, S. I., Rajmangal, R., Holler, S., Arnold, S. Plasmonic enhancement of a whispering-gallery-mode biosensor for single nanoparticle detection. Appl. Phys. Lett. 98 (24), (2011).
- Santiago-Cordoba, M. A., Boriskina, S. V., Vollmer, F., Demirel, M. C. Nanoparticle-based protein detection by optical shift of a resonant microcavity. Appl. Phys. Lett. 99 (7), (2011).
