Фотонные наносенсоры для биологических и медицинских применений.

1. Фотонные наносенсоры для биологических и медицинских применений.

2. Содержание: • Введение • Измерение параметров наночастиц методом динамического рассеяния света, с пространственным усреднением данных • 1.1 Когерентно-оптический экспресс анализ размеров наночастиц и их конгломератов в жидких средах • 1.2 Измерение скорости неравновесного движения наночастиц в жидких средах. • 2. Прецизионный рефрактометр на основе изогнутого волоконного интерферометра Фабри-Перо. • 3. Измерение нанопрофиля поверхности объектов с разрешением 30нм с использованием спектрального апертурного зонда • Заключение

3. Измерение параметров наночастиц методом динамического рассеяния света, с пространственным усреднением данных

4. ПЗС Лазер =0.63 мкм Метод динамического рассеяния света (ДРС) Компьютер Спекл-картина распределения интенсивности рассеянного наноразмерными частицами лазерного излучения в жидком растворе. Схема установки.

5. Стандартный метод ДРС I I I t t 1 2 N  t t t T= i

6. Метод ДРС с пространственным усреднением данных I t I t  I t t I t T= i

7. 1 2 3 Когерентно-оптический экспресс анализ размеров наночастиц и их конгломератов в жидких средах Временные зависимости корреляционной функции, полученные на основе процедуры пространственного усреднения данных. Кривые 1, 2, 3 – рас­чётные соответственно для =0.077, =0.154, =0.307. Экспериментальные данные представлены точ­ками: - = 0.077, - = 0.154, - = 0.307.

8. Когерентно-оптический экспресс метод анализа размеров наночастиц и их конгломератов в жидких средах. Характеристики метода: Обеспечивает измерение диаметров частиц в жидких средах в диапазоне от 30 до 750 нм – с погрешностью не более 20%; Является бесконтактным, позволяет обойтись без специальной подготовки образцов и требует минимального количества раствора или взвеси для анализа (не менее 2 мм3); Даёт возможность исследования свойств жидкостей при наличии динамических процессов в растворах. Временное разрешение метода при регистрации динамических процессов – 1мс;

9. Применения когерентно-оптического экспресс метода анализа размеров наночастиц Измерение размеров частиц в неравновесных процессах В процессе желирования пектиносодержащих растворов В процессе седиментации D=50 нм

10. Измерение кинетики неравновесных наночастиц Импульсныйлазер =0.52 мкм ПЗС Компьютер Лазер =0.63 мкм

11. <v2>m/3k, 0K 540 520 500 480 1 . 0 460 0 . 9 440 420 0 . 8 400 0 . 7 380 0 . 6 360 1 340 t,c 0 . 5 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0 . 4 0 . 3 0 . 2 2 0 . 1 0 . 0 t, мc 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 Исследование кинетики неравновесных наночастиц методом динамического рассеяния света 1 2 Корреляционные кривые 1 – в равновесном состоянии 2 - в неравновесном Зависимость нормированной среднеквадратичной скорости неравновесных наночастиц частиц SiO2от времени.

12. Фотонный сенсор для измерения показателя преломления жидкостей на основе резонансной связи мод в изогнутом волоконном интерферометре Фабри-Перо

13. Прецизионный рефрактометр на основе изогнутого волоконного интерферометра Фабри-Перо. Распространение излучения в изогнутом волоконном световоде. пороговая чувствителность ~ 10-4 Зависимость потерь мощности излучения в изогнутом волоконном световоде от показателя преломления внешней среды. Схема чувствительного элемента рефрактометра 13

14. Исследование условий, обеспечивающих резонансную связь между основной модой сердцевины и модами оптической оболочки в одномодовом волоконном световоде Коэффициент ослабления мощности направляемого излучения α(R) в изогнутом одномодовом волоконном световоде при рассмотрении в рамках модели “ВС – сердцевина/оптическая оболочка/внешняя среда” представляется в виде: (1) где , , q=2,3 , , n3 - показатель преломления внешней среды, b - внешний радиус оптической оболочки световода. Зависимость α(R), построенная в соответствии с выражением (3) для световода с параметрами ρ=4,15мкм, n1=1,467, n2=1,462 при длине волны направляемого излучения λ=1,55мкм при различных значениях показателя преломления внешней по отношению к световоду среды n3. 14

15. Исследование зависимостей сдвига интерференционных максимумов в волоконно-оптическом резонаторе Фабри-Перо от показателя преломления внешней среды при различных радиусах его изгиба Спектральная и фазовая чувствительность 0,077 0,71 Зависимости сдвига интерференционных максимумов в изогнутом волоконно-оптическом резонаторе Фабри-Перо от показателя преломления внешней среды при радиусе изгиба интерферометра 9,7мм (маркер ■), 10,7мм (маркер ♦), 10,1мм (маркер ▲), в прямом световоде (маркер •) Пороговая чувствительность 5*10-6. 15

16. Измерение нанопрофиля поверхности объектов с использованием спектрального апертурного зонда

28. Запредельный участок

29. Запредельный участок

30. Запредельный участок

31. Запредельный участок

32. Запредельный участок

33. Запредельный участок

34. Запредельный участок

35. Запредельный участок

36. Зонд на основе интерферометра Фабри-Перо Фазовые изменения приводят к сдвигу резонансных длин волн в интерферометре В этом случае мы регистрируем малые фазовые изменения в самом интерферометре Фабри-Перо Используя информацию о величине сдвига δλ, мы можем определить расстояние между диафрагмой и исследуемым объектом Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А.

37. Зонд на основе интерферометра Фабри-Перо Фазовые изменения приводят к сдвигу резонансных длин волн в интерферометре В этом случае мы регистрируем малые фазовые изменения в самом интерферометре Фабри-Перо δλ Используя информацию о величине сдвига δλ, мы можем определить расстояние между диафрагмой и исследуемым объектом Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А.

38. Зонд на основе интерферометра Фабри-Перо Фазовые изменения приводят к сдвигу резонансных длин волн в интерферометре В этом случае мы регистрируем малые фазовые изменения в самом интерферометре Фабри-Перо δλ Используя информацию о величине сдвига δλ, мы можем определить расстояние между диафрагмой и исследуемым объектом Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А.

39. Зонд на основе интерферометра Фабри-Перо Фазовые изменения приводят к сдвигу резонансных длин волн в интерферометре В этом случае мы регистрируем малые фазовые изменения в самом интерферометре Фабри-Перо δλ Используя информацию о величине сдвига δλ, мы можем определить расстояние между диафрагмой и исследуемым объектом Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А.

40. Зонд на основе интерферометра Фабри-Перо Фазовые изменения приводят к сдвигу резонансных длин волн в интерферометре В этом случае мы регистрируем малые фазовые изменения в самом интерферометре Фабри-Перо δλ Используя информацию о величине сдвига δλ, мы можем определить расстояние между диафрагмой и исследуемым объектом Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А.

41. Результаты моделирования B. (A) A. Пространственное распреде-ление Ezкомпоненты электри-ческого поля в плоско-параллельном резонаторе Фабри-Перо(A)и на выходе субволновой диафрагмы(B) h Зависимость относительного сдвига резонансного максимума ε=δλ/λ от относительного изменения расстояния h/Lдля диафрагм с различным диаметром α=0,7 (D=8λ) α=0,07 (D=λ/40) Крутизна линейного участка зависимостиε(h/l) определяет чувствительность зонда к продольному перемещению объекта Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А.

42. Экспериментальные исследования Схема экспериментальной установки В качестве тестового объекта использовался суженный конусообразный волоконный световод с радиусом кривизны наконечника ~300 нм Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А.

43. Экспериментальные исследования D=8λ D=λ/15 D=λ/40 Зависимость ∆λ/λ(h/L) при приближении/отдалении тестового объекта относительно диафрагмы для случая D=8λ, D=λ/15, D=λ/40. Экспериментальная чувствительность к продольному перемещению объекта приблизительно в 2 раза больше значения, полученного при численном моделировании. Зависимость ∆λ/λ(h) при горизонтальном сканировании наконечника исследуемого объекта резонатором с диафрагмой круглой формы при расстоянии h между исследуемым объектом и диафрагмой ~10 нм. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А.

44. Недостатки плоскопараллельной схемы зонда Необходимо поддерживать строгую параллельность исследуемого образца и выходного зеркала интерферометра во время сканирования Исследуемый объект должен быть достаточно гладким Наличие выступа приведет к уменьшению добротности интерферометра Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А.

45. Методика создания зонда с конусообразным выступом Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А.

46. Результаты экспериментального исследования зонда с конусообразным выступом Конусообразный вырост на торце волоконного световода формировался методом химического травления световода с оптической сердцевиной допированной Ge в растворе HF и NH4OH Схема экспериментальной установки В качестве тестового объекта использовался кантилевер атомно-силового микроскопа покрытый тонкой пленкой золота. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А.

47. Результаты экспериментального исследования зонда с конусообразным выступом 30 Зависимость относительного смещения резонансного максимума ε(h/L) при вертикальном перемещении тестового объекта относительно диафрагмы для случая диафрагмы с диаметром D=100 nm и D=50 nm. В качестве тестового объекта использовался кантилевер атомно-силового микроскопа покрытый тонкой пленкой золота. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А.

48. Исследована возможность создания сканирующего апертурного зонда на основе волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с субволновой диафрагмой, сформированной в его выходном зеркале Экспериментально и численно на основе конечно-разностного метода исследована зависимость величины сдвига резонансных максимумов δλв интерферометре Фабри-Перо от изменения расстояния h между тестовым объектом и диафрагмой для разных диаметров D диафрагм. Продемонстрировано максимальное латеральное разрешение 30 нм, вертикальное 15 нм что соответствует значениям λ/50 и λ/100для длины волны λ=1550 нм. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кучмижак А.А.

49. Безапертурный диэлектический зонд для лазерной модификации поверхности с разрешением не хуже 30 nm

50. l/2 Far-field Optics Focusing optics Interferometric optics Using the material edge response: Nonlinear absorption Laser ablation Laser polymerization Hard positioning in nanoscale Lateral Light localization about Low vertical resolution Light localization is restricted by the fundamental diffraction limit l/2 Vitrik O.B, Kulchin Yu.N., Kuchmizhak A.A.