Hur kan optimering av ytmolekyler på guldnanopartiklar förbättra DNA-hybridisering?

För att skapa ett effektivt system för DNA-hybridisering på guldnanopartiklar (AuNPs) är det viktigt att noggrant välja de ytmolekyler som används för att modifiera deras yta. En optimerad ytfunktionellisering kan avsevärt förbättra både dispersabiliteten och hybridiseringseffektiviteten av ssDNA-AuNPs (enkeltsträngat DNA bundet till guldnanopartiklar). Genom att utnyttja självmonterande monolager (SAM) av alkanthioler kan ytan på AuNP:erna göras hydrofob, vilket minskar risken för nonspecifik bindning av DNA-strängarna och förbättrar bindningen till det mål-DNA som ska detekteras.

En annan framgångsrik metod för att minska nonspecifik bindning är användningen av oligoetylenglykolkedjor (EG6). Modifiering av AuNP med en sådan kedja (t.ex. R11-EG6-COOH) minskar effektivt nonspecifik bindning och leder till en mer noggrant definierad interpartikelavstånd i dimererna. Detta förbättrar inte bara DNA-hybridiseringen utan gör också att nanopartiklarna förblir väl dispergerade i lösningen. R11-EG6-COOH, som ersätter hydroxylgruppen i R11-EG6-OH med en karboxylgrupp, har visat sig skapa en stabilare och mer homogen struktur av AuNP:erna, vilket gör den till ett utmärkt val för DNA-detektion.

För att förstå effekten av ytfunktionaliseringen bättre genomfördes experiment där de modifierade AuNP:erna genomgick elektrofores. Här observerades att AuNP:er utan alkanthiolmodifikation hade en mycket större tendens att aggregera, vilket resulterade i ett brett spektrum av band i elektroforesen. Å andra sidan, de modifierade AuNP:erna visade färre band och en tydligare upplösning av dimerer och monomerer, vilket visade på en mer kontrollerad och effektiv hybridisering. TEM-bilder (transmissionselektronmikroskopi) bekräftade dessa resultat genom att visa att avståndet mellan partiklarna i dimererna varierade beroende på vilken funktionell grupp som användes.

Det är också viktigt att förstå hur den funktionella gruppens polaritet påverkar interaktionen med DNA. De hydroxyl- och karboxylgrupper som finns vid kedjans ände spelar en avgörande roll i att justera ytladdningstätheten och minska nonspecifik bindning. Genom att optimera dessa grupper kan forskare skapa system där DNA effektivt binder till den målsekvens som det är avsett att detektera, samtidigt som risken för förorening av nonspecifika bindningar minimeras.

De absorptionselektromagnetiska spektren av dimererna i experimentet visade också på en förändring i dimerernas egenskaper beroende på ytmolekylens sammansättning. Ju närmare avståndet mellan nanopartiklarna, desto större var den röda förskjutningen i absorptionstoppen. Förändringen i spektrumet gav ytterligare information om hur olika modifieringar av AuNP:erna påverkar deras optiska egenskaper och därmed deras användbarhet i DNA-hybridisering.

För att uppnå bästa resultat är det också viktigt att ta hänsyn till saltkoncentrationer och centrifugeringseffekter, eftersom dessa faktorer kan påverka aggregeringen av nanopartiklar och effektiviteten i hybridiseringen. Genom att kombinera olika modifieringsstrategier och noggrant optimera varje steg i processen, kan man skapa robusta och pålitliga system för DNA-detektering som kan tillämpas i en rad biomedicinska och tekniska områden.

Hur heterostruktur-nanohåligheter kan förbättra prestanda hos Raman-silikonlaser vid låg tröskel

I experimentella studier av heterostruktur-nanohåligheter har det observerats att de teoretiskt beräknade kvalitetsfaktorerna (Q-värden) för dessa strukturer är betydligt högre än de värden som uppmäts experimentellt. Detta beror på att vissa av de geometriska parametrarna för luft hål, såsom radie, position och väggvinkel, inte uppfyller de ideala värdena, vilket leder till spridningsförluster i nanohåligheterna. Ytterligare faktorer som föroreningar och defekter på ytan samt inuti silikonesonatorn orsakar ljusabsorption, vilket också minskar det experimentella Q-värdet genom ytterligare absorption. För att minska dessa förluster och förbättra lasernas prestanda är det nödvändigt att förbättra tillverkningsprocessen av nanostrukturerna.

För att uppnå en mycket låg lasertäskel, som i det här fallet där pump-effekten kan vara så låg som 100 nW, spelar designen av nanohåligheten en avgörande roll. Ett sådant designalternativ gör det möjligt att minska volymen för båda resonanslägena (p och S) till ungefär en kubisk våglängd. Det resulterande förhållandet QpQS/V ger en enorm förbättring av laserns effektivitet, vilket leder till en mycket låg pumptröskel. Detta resultat är grundläggande för utvecklingen av Raman-silikonlasrar med extremt låg pumpkraft.

En viktig aspekt av denna nanohålighetsdesign är förmågan att justera frekvensavståndet (Δf = fp − fS), där skillnaden mellan de två lägena är knuten till Raman-skiftet för kisel, vilket uppgår till 15.606 THz. Denna justering görs genom att förändra radien på luft hålen, vilket illustreras i flera studier. Δf kan kontrolleras genom att justera radien på hålen, vilket gör det möjligt att finjustera för att passa kommunikationsband mellan 1,30 och 1,60 µm. Det är avgörande för lasern att exakt ställa in detta frekvensavstånd till 15.606 THz för att uppnå optimal prestanda.

En annan viktig parameter är hur justeringen av Δf påverkar den Raman-vinst som kan uppnås. Eftersom Δf påverkar Raman-gainets koefficient, innebär en större avvikelse från det optimala Δf (Δfdet.) att Raman-gainet minskar, vilket leder till en högre pumptröskel (Ith). Denna justerbarhet gör att man kan optimera Raman-gainet genom att noggrant styra Δfdet. för att passa de specifika parametrarna för det tillverkade nanohålet.

Vid tillverkning av nanostrukturer för Raman-lasrar är det också av betydelse att överväga den kristallografiska orienteringen av kisel-substratet. När nanohåligheten byggs på ett standard SOI (silicon-on-insulator) substrat, är det möjligt att orientera axeln för nanohåligheten i förhållande till kristallriktningen för att maximera effektiviteten hos Raman-spridningen. Detta gör det möjligt att uppnå hög Raman-gain genom att utnyttja särskilda egenskaper hos de elektriska fälten i de olika resonanslägena, vilket kan ge bättre resultat än andra orienteringar.

I den teoretiska modellen är de elektriska fälten för pump- och Stokes-läget, som beräknas med hjälp av FDTD-metoden, skilda åt både i paritet och fördelning. Det faktum att dessa två lägen har olika paritet gör att det finns möjlighet att förbättra effektiviteten hos Raman-spridningen genom att skapa en sådan orientering där de elektriska fälten i pump- och Stokes-läget kan anpassas på ett sätt som ökar sannolikheten för effektiv spridning.

För att sammanfatta, de utvecklade teknologierna för nanostrukturer och optimering av parametrar som radie, Δf och kristallografisk orientering är avgörande för att skapa Raman-silikonlasrar med låg pumptröskel. Forskning och experimentell utveckling på dessa områden kan leda till ytterligare förbättringar och mer effektiva lasersystem som kan användas inom telekommunikation och andra applikationer som kräver hög precision och låg energiförbrukning.

Hur kan vi förbättra prestandan hos Raman-siliciumlasrar på SOI-wafer?

Ett av de största hindren för att uppnå hög prestanda är tillverkningens precision, särskilt i de fotoniska kristallstrukturerna. Detta gäller i synnerhet för SOI-wafer (Silicon-on-Insulator), där små variationer i strukturen, såsom felaktiga radier eller positioner på luft-hålen, kan leda till en märkbar minskning av Qexp-faktorn. Därför visar de höga Qexp-värden som uppnåtts i experimenten med 45°-roterade SOI-wafer på att det är möjligt att bibehålla hög tillverkningsprecision även vid användning av dessa wafer. Detta är särskilt relevant eftersom Δf, som definierar frekvensdetuning, är 15.619 THz, vilket resulterar i ett Δf detuning på 0.013 THz – ett resultat som indikerar en låg nivå av frekvensavvikelse och därmed hög lasereffektivitet.

Vid pumpning med låg effekt observeras en snabb ökning av Stokes-intensiteten när pumpstyrkan når en tröskel på 0,53 μW. Vid en optimerad pumpkraft på 1,8 μW uppnås en energieffektivitet på 5,6%. I vissa fall skulle en energieffektivitet över 20% vara möjlig om det var möjligt att hålla Δf på en mycket liten nivå. För att förstå varför detta händer är det viktigt att beakta den fenomen som kallas för FCA (Free Carrier Absorption), som börjar mätta laserns prestanda vid högre pumpkrafter, vilket leder till en platå i output-effekten ovanför 2,0 μW.

Bilder från kameror som används för att undersöka nanocavity-strukturen vid olika pumpstyrkor visar tydligt hur ljusintensiteten förändras vid olika nivåer av excitation. Den vertikala utsändningen av Raman-ljuset är tydlig vid högre pumpkrafter, och det är också möjligt att extrahera delar av detta ljus genom Stokes-vågledare, vilket är viktigt för framtida tillämpningar där flera funktioner krävs på en och samma chip. I detta avseende är insamlingen av Stokes-ljus genom dessa vågledare avgörande för att realisera täta optiska kretsar.

Prestandan hos nanocavity-baserade Raman-siliciumlasrar som tillverkas på 45°-roterade SOI-wafer visar att de kan vara jämförbara med dem som är tillverkade på konventionella SOI-wafer, särskilt i applikationer som kräver hög precision och låg förlust. Den största fördelen med den roterade SOI-wafern är att den möjliggör ett bättre utnyttjande av laserns resonans utan att påverka den grundläggande laserteknologins funktioner.

Den stora utmaningen vid tillverkningen är att minimera variationer i strukturen, särskilt för de kritiska luft-hålen i fotoniska kristaller. Dessa variationer kan påverka laserns resonans och därmed dess prestanda. För att motverka detta genomgår de tillverkade chippen en serie termiska processer som syftar till att minska defekter och föroreningar nära ytan av nanocavity-strukturen. Denna process har visat sig vara avgörande för att uppnå de höga Qp-värden som krävs för effektiv Raman-spridning och laserprestanda.

För att säkerställa att tillverkningen är långsiktig och effektiv i kommersiell produktion krävs noggrann optimering av alla steg i processen. Från rening av ytor till noggrann etsningskontroll är varje moment i tillverkningen kritiskt för att uppnå de bästa resultaten och få lasrar som fungerar tillförlitligt över tid.