Диссертация (Моды шепчущей галереи в неидеальных оптических микрорезонаторах. Методы аппроксимации), страница 10

Этот метод позволяет различать молекулы ДНК, отличающиеся на один нуклеотид, с соотношением сигнал шум равным54.Однако, очень высокая добротность резонатора значительно усложняет спектр, появляется очень много мод, и наблюдать какую-то одну становится проблематично.В 2008 году этой же группе [93] удается детектировать единичные частицы, причем меньших масс, по сравнению с детектируемыми раньше.

В эксперименте использовался микрорезонатор с не очень большой добротностью 6 × 105, но зато с малым радиусом (до 30 мкм.). Вэксперименте удалось детектировать единичные вирусы гриппа, диаметр молекулы которыхвсего 47 нм..Достаточно сложные эксперименты, но дающие хорошую точность измерения для слояводы, учитывают изменение температуры микрорезонатора при появлении адсобрированного слоя на поверхности [101]. Эксперимент 2014 года проводился с микрорезонатором изплавленного кварца радиуса 300 мкм. с добротностью 3 × 106 . При медленной, с частотойнесколько мегагерц в секунду, перестройке частоты лазера в сторону увеличения частотыи в сторону уменьшения частоты появляется температурная бистабильность.

В этом случаепри сканировании в область увеличения частоты при приближении к резонансу увеличивается адсорбированная энергия, и ширина линии уменьшается. При обратной перестройке51частоты ширина увеличивается. Используя этот эффект, зависящий от толщины адсорбированного слоя, можно получить его толщину, зная коэффициент поглощения в нем. Точность,с которой получается измерить толщину слоя воды на поверхности резонатора, составляетоколо одного процента для слоя воды толщиной около 1 ангстрема, что дает возможностьиспользовать этот метод для высокочувствительных сенсоров.Также были проведены эксперименты, в которых содержащая детектируемое веществожидкость протекала внутри растянутого капилляра. Толщина капилляра варьировалась егоразной степенью растяжения. [94, 102–108].

Плюсами такого метода являются легкость детектирования жидкостей и возможность оптимизировать толщину капилляра для уменьшения температурных флуктуаций. Был проведен еще один эксперимент [109]. Внутренняяповерхность резонатора покрывалась флуоресцентными нанокристалами кремния, и детектировалось рассеянное ими излучение. В целом, данный метод обладает большой чувствительностью, и им успешно детектировались биомолекулы рака, вирусы, протеины и ДНК, ноуровень детектирования одной молекулы пока не достигнут.3.1.6.4Покрытия поверхностиОдним из самых важных аспектов для сенсоров является специальное покрытие их поверхности.Резонаторы из плавленного кварца изначально слабо селективны и большинство биовеществ и биомолекул адсорбируется на поверхность одинаково.

Чтобы сделать поверхностьрезонатора селективной к определенным видам молекул необходимо произвести функциолизацию его поверхности.Перед функциолизацией нужно очистить поверхности резонатора. Это можно сделать,опустив резонатор в смесь перекиси водорода с серной кислотой или с помощью кислороднойплазмы, что значительно быстрее и не требует контакта с растворами и сушки.Затем поверхность резонатора подвергается силанизации, что делает ее гидрофобной[110].

Гидрофобность поверхности имеет очень большое значение, так как поглощение в адсорбированном слое воды на поверхности может сделать практически невозможным детектирование частиц на поверхности резонатора [111].После процесса силанизиции или вместо нее на поверхность можно наносить лиганды,которые будут обеспечивать селективную адсорбцию. В качестве лигандов могут выступатьразличные вещества: от небольших молекул до ферментов и молекул ДНК. Слой лигандовдолжен быть не очень толстым, чтобы часть поля, выпадающего из резонатора, проникалачерез этот слой для воздействия с адсорбентом.

Кроме того, так как добротность резонатора крайне чувствительна к неоднородностям на поверхности, слой лигандов должен бытьдостаточно однородным.52Для каждого вещества нужны свои лиганды, так как сами вещества бывают довольносложными. Например, рибонуклеиновые кислоты имеют форму одинарной спирали, дезоксирибонуклеиновая кислоты — двойной спирали, а белки - произвольных форм. Соответственно, под каждое соединение нужно подобрать такой лиганд, чтобы именно это соединениеэффективно на него "садилось" и адсорбировалось, а остальные - нет.Лиганды бывают двух типов: ковалентные и нековалентные.

Ковалентные активнее взаимодействуют с детектируемым веществом и дают возможность контролировать ориентациюсадящихся молекул. Нековалентные меньше взаимодействуют с поверхностью и не обеспечивают контроля ориентации осаждающихся молекул, но зато меньше влияют на поверхностьрезонатора.В качестве молекул для ковалентной лиганды обычно выбирают бифункциональные молекулы, один конец которой притягивается к поверхности резонатора, а другой реагирует сдетектируемым веществом. Для микрорезонаторов из кремния удобно выбирать алкалины, содной стороны которых может быть трихлоро, триметокси или триэтокси силан группа.

Ониудобны тем, что обладают высоким давлением насыщенных паров. Это дает возможностьосаждать их на резонатор, не разрушая его поверхность. [112]Нековалентные лиганды обычно просто адсорбируются на поверхность резонатора. Этоможет привести как к неравномерности толщины слоя лигандов, так и к их неправильнойориентации, что, в свою очередь, поведет за собой также неравномерность осаждения на нихдетектируемого вещества. Более подробно с нековалентными и с ковалентными лигандамиможно познакомится [113], [114], [115], [116], [117].В работе [118] подробно исследовалось детектирование веществ в растворе. Для этого была сделана ячейка, которая состояла из проточной камеры с микрорезонатором в ее центре.Резонатор был сделан из плавленного кварца и имел радиус 340 мкм.

Связь с резонаторомосуществлялась призмой, являющейся одной из границ ячейки. Особенностью экспериментатакже было то, что измерения проводились не только около одной моды, а в очень широкомдиапазоне частот: как в видимом, так и в ультрофиолете. В работе проводился подробныйанализ покрытий резонатора, необходимых для эффективной адсорбции красителей, ароматических соединений и боимолекул. Правильно выбранное покрытие может существенноулучшить селективность и скорость осаждения детектируемых молекул на поверхности, чтоприведет к улучшению характеристик детектора.3.1.6.5Шумы в резонаторахПредельная чувствительность микрорезонаторов ограничена не только их добротностью, нотакже шумами. В число шумов входят как случайность процесса взаимодействия детектируемого вещества с поверхностью микрорезонатора [119] так и терморефрактивные и тер53моупругие шумы, шумы лазера и другие флуктуации и технические шумы [120].

Шумы,связанные с резонатором, не только снижают чувствительность, но препятствуют точнойнастройке расстояния между резонатором и элементом связи и могут приводить к ложноположительным срабатываниям датчика. Флуктуации плотности, температуры и показателяпреломления снаружи от резонатора также ухудшают добротность. Как было показано вработе [120], некоторые из шумов можно снизить, выбирая оптимальные параметры схемыдетектирования. Например, большая частота сканирования лазером приводит к большей точности измерений. Размер резонатора также играет большую роль: он позволяет выбрать оптимальный набор величин объема моды, добротности и величине выходящего наружу поля.Также для детектирования одиночных частиц оптимальнее выбирать резонаторы большегоразмера по сравнению с монослоями.3.1.6.6Методы, подавляющие некоторые виды шумовДля борьбы с шумами, кроме выбора оптимальных параметров, можно использовать болеесложные схемы, исключающие определенные виды шумов.

Для уменьшения влияния уходачастоты из-за изменения температуры используются покрытия с отрицательным термооптическим коэффициентом [121], компенсирующие уход резонансной частоты от температурных флуктуаций. Но, такие методы имеют недостаток. Покрытия толщиной около 100 нм.,во-первых, уменьшают добротность резонатора, а, во-вторых, значительно ослабляют взаимодействие детектируемого вещества с выпадающим полем.Существует метод [122], который учитывает поляризацию, измеряя разностную частотумежду TE и TM модами. Этот метод позволяет уменьшить влияние температурных флуктуаций на измерения и также уменьшить влияние термоупругого шума и теплового расширения микрорезонатора.

Как было показано в работе, для водяных растворов глюкозы прикомнатной температуре даже при типичных флуктуациях температуры резонатора на 1C 0 ,достигается выигрыш в чувствительности до двух порядков.В работе [123] использовались два различных микрорезонатора для исключения шумов,связанных с флуктуациями температуры. Суть методы в том, что сдвиг частоты зависитот изменения показателя преломления, а коэффициет определяется радиусом. Таким образом, при использовании двух разных резонаторов получается отделить сдвиги частоты,вызванные флуктуационными изменением температуры, от сдвигов, вызванных изменениемпоказателя преломления.3.1.6.7Флюоресцентные сферыВ качестве отдельного класса детекторов можно выделить схемы, в которых покрытые флюоресцирующим покрытием микрорезонаторы помещаются в раствор [124].