Effektiviteten mellan Target-cDNA och Pr1/Pr4 kan förbättras avsevärt när Target-cDNA immobiliseras på AuNP genom hybridisering med Pr2/Pr3. I figurerna 3.6a–c visas TEM-mikrografer av partiklar som återfunnits från de olika banden (monomer, dimer och trimer) på elektroforesgelén för kombinationen av Pr3 × Pr2 med en Target-cDNA-koncentration på 156 pM. Här bekräftas en fullständig separation mellan monomerer, dimmer och trimerer, vilket visar på enhetlig storlek och ytmorfologi för AuNP. Fig. 3.6d visar en Cryo-TEM-mikrograf av monomerer, dimmer och trimerer som erhållits genom att hålla en temperatur på 74 K.

När det gäller elektroforesrening av AuNP:er visas resultaten före och efter hybridisering med olika kombinationer av Probe-DNA (Pr1–Pr4) i fig. 3.5. Efter hybridisering observeras att band med olika multimera, såsom dimerer, trimerer och tetrarmer, kan separeras tydligt. Dessa resultat indikerar avsaknaden av multimera som bildats genom ospecifik bindning och demonstrerar den höga dispergerbarheten hos AuNP:erna. Interpartikelavståndet för dimerer och trimerer är konsekvent 13 nm, vilket motsvarar längden på Pr3. Detta gap är relativt stort och leder inte till en LSPR-ändring (lokal plasmonresonans) orsakad av interpartikelinteraktioner, vilket bekräftas av absorptionsmätningar.

I dessa studier utfördes även storleks- och storleksfördelningsmätningar av AuNP:er och deras multimera via DLS (dynamisk ljusspridning). Fig. 3.6f sammanfattar resultaten där genomsnittliga diametrar för olika partikelformer mäts, såsom för Pr2-AuNP, Pr3-AuNP och de olika multimera. Dessa storlekar är nästan lika för Pr2-AuNP, Pr3-AuNP och monomerer och större än de för omodifierade AuNP.

För att använda denna metod som ett bevis på konceptet för kvantitativ diagnostik, utfördes elektrofores med en koncentration av Target-cDNA från 0,6 till 5000 pM. För varje koncentration av Target-cDNA utvärderades mängden dimerer, trimerer och högre multimera genom analys av elektroforesgelén med hjälp av NIH ImageJ-programvaran. Integrerad intensitet för varje band sammanfattas i fig. 3.7b, och en analytisk kalibreringskurva konstruerades genom att plotta dessa värden som en funktion av Target-cDNA-koncentrationen. Kalibreringskurvan visade ett samband enligt en potenslag, vilket möjliggör detektion av DNA med extremt hög känslighet. Vid koncentrationer av Target-cDNA över 156 pM, vilket motsvarar koncentrationen av Pr2- och Pr3-AuNP, bildas högre multimera än tetrarmer, vilket gör att graferna avviker från potenslagen.

Detektionsgränsen för Target-cDNA bestämdes genom att utföra elektrofores av större mängder dimerprover för att uppnå högre bildkontrast. Återproducibiliteten för mätningarna testades genom att köra varje Target-cDNA-koncentration (0, 0,6 och 1,2 pM) i tre olika körningar. En tydlig skillnad observerades i det andra bandet mellan 0,6 och 1,2 pM, vilket demonstrerade en känslighet på 1 pM.

För att optimera det dynamiska omfånget för detektion av Target-DNA genom AuNP-baserade sandwich-assays har man undersökt beroendet av nanopartiklarnas storlek och koncentration, samt probe-DNA:s täthet. Detta möjliggör en finjustering av detektionens känslighet på såväl låg som hög koncentration av Target-DNA, vilket gör det möjligt att skapa diagnostiska verktyg med både hög känslighet och god reproducerbarhet. De största utmaningarna för att utöka detektionsintervallet är hanteringen av agglomerationer vid högre koncentrationer och de komplexiteter som följer med att separera multimera i elektrofores.

Med hjälp av noggrant kontrollerade förhållanden och optimerade procedurer kan detektionssystemet användas för kvantitativ diagnostik i en mängd biologiska och medicinska tillämpningar. Det är viktigt att komma ihåg att den tekniska noggrannheten i detta system är beroende av flera faktorer, inklusive stabiliteten och storlekskontrollen av AuNP:er, koncentrationen av Probe-DNA och effektiviteten vid immobilisering av Target-cDNA.

Vidare, för att säkerställa högre känslighet och specifik detektion av mål-DNA, är det avgörande att hantera både partikelförhållanden och probe-design på ett noggrant sätt. Den använda koncentrationen av AuNP, probe-DNA och mål-DNA bör alla optimeras för att uppnå bästa möjliga resultat.

Hur man minskar tröskelvärdet för Raman-siliciumlasrar med hög Q-faktor och nanohål

Raman-siliciumlasrar har blivit ett av de mest lovande alternativen för optoelektroniska enheter, med deras förmåga att erbjuda tunbara lasertillstånd över ett brett spektrum. För att optimera dessa lasrar och minska deras tröskelvärden har det under de senaste åren skett betydande framsteg i både miniatyrisering och förbättrad effektivitet. Detta gäller särskilt för lasrar som använder racetrack-formade resonatorer i silikon, där en liten resonatorlängd och låg pumptröskel är avgörande för deras prestanda. Genom att minska tröskelvärdet för lasern kan man förbättra både effektivitet och applicerbarhet för integrerade optoelektroniska system.

I typiska lasrar sker oscilation när den optiska förstärkningen från stimulerad emission överstiger de totala förlusterna i resonatorn. Denna princip gäller också för Raman-siliciumlasrar, där oscilationen uppstår när Raman-förstärkningen från stimulerad Raman-spridning överstiger de totala förlusterna i resonatorn. I ett sådant system påverkar flera faktorer effektiviteten, särskilt kristallens orientering och de elektriska och optiska förlusterna inom resonatorn.

Raman-förstärkningen beror på hur den polariserade ljusvågen samverkar med den specifika kristallstrukturen hos silikonen. Vid konstruktion av resonatorer för Raman-siliciumlasrar måste man beakta att den polarisation som induceras av den pumpade ljusstrålen ofta skiljer sig från den som uppstår genom Raman-spridningen. För att maximera Raman-förstärkningen är det därför avgörande att bestämma rätt kristallorientering hos silikonen, så att de elektromagnetiska fälten i resonatorn kan utnyttjas optimalt.

Det finns två huvudsakliga typer av förluster som påverkar lasrar: läckage av Raman-ljus från resonatorn och absorption av Raman-ljus inuti resonatorn. För att minska dessa förluster är det viktigt att resonatorn har en hög Q-faktor, vilket definierar resonatorns förmåga att hålla ljuset inom systemet utan att förlora energi. En hög Q-faktor innebär en lägre förlust och därmed en lägre tröskel för laseraktivering. Detta är särskilt relevant i racetrack-formade resonatorer, där Q-faktorer som överstiger en miljon har rapporterats för ribb-vågledare.

Vid högre intensiteter, där tvåfotonabsorption (TPA) inträffar, genereras fria elektroner som kan absorbera det Raman-spridda ljuset genom fri bärarabsorption (FCA). TPA, som är en icke-linjär effekt, orsakar en ökning av förlusterna vid högre pumpintensiteter. Detta leder till att Raman-förstärkningen, som är linjärt beroende av fotonens densitet, kan övervinnas av de ökande förlusterna. För att motverka dessa förluster har reverspolarisering av p-i-n-vågledare använts i Raman-siliciumlasrar för att minska FCA-förlusten.

För att uppnå låg tröskel och effektiv laseroscillation krävs tre strategier, som är avgörande för att balansera dessa förluster och förstärkningar: (1) Att öka Raman-förstärkningen, (2) att förbättra Q-faktorn för resonatorn för att minska förluster, och (3) att minska livslängden för fria bärartillstånd för att minska FCA-förlusterna. Dessa strategier gör det möjligt att uppnå lasernivåer vid relativt låga pumpintensiteter, där Raman-förstärkningen överstiger alla förluster.

En annan mycket lovande väg för att minska tröskelvärdet och förbättra miniaturiseringen av Raman-siliciumlasrar är användningen av fotoniska kristaller. Dessa kristaller, som har nanoskaliga periodiska luft hål, erbjuder en effektiv lösning för att både förbättra Raman-förstärkningen och för att öka Q-faktorn för resonatorn. Nanohålen fungerar som optiska resonatorer som kan skapa fotoniska bandgap och därmed öka effekten och minskar den nödvändiga pumpenergin. Denna typ av struktur har lett till utvecklingen av Raman-siliciumlasrar med en mycket lägre tröskel, ofta i mikro-Watt-området, vilket är betydligt lägre än vad som uppnås med ribb-vågledarstrukturer.

Fotoniska kristaller med hög-Q nanocavity har visat sig ha utmärkta egenskaper för att reducera både FCA-förluster och TPA-effekter, samtidigt som de möjliggör laserdrift utan att använda den traditionella p-i-n-strukturen. Dessa strukturer har inte bara förbättrat prestanda, utan också minskat storleken på lasrarna, vilket gör dem mer lämpliga för integration i optoelektroniska system. En sådan utveckling, där lasrar inte kräver p-i-n-strukturer och kan uppnå lägre trösklar, är en stor framgång för optoelektroniska applikationer där utrymme och effektbehov är kritiska faktorer.

Endtext

Hur ljus interagerar med strukturerade ytor: Från fysikaliska principer till praktiska tillämpningar

Strukturella färger, trots att de har varit kända i århundraden inom konsten, fortsätter att inspirera till innovation och skapar nya tillämpningar, vilket väcker ett växande intresse inom områden som optik och materialvetenskap. Ursprungligen utvecklades strukturella färger för tekniska funktioner, såsom filtrering i sensorer, kameror och energihöstarapparater. Idag återfinns de inom ett brett spektrum av domäner, inklusive säkerhet, anti-förfalskning, informationskryptering samt konst och dekoration. En av deras mest framträdande tillämpningar är optiska säkerhets- och identifieringssystem.

Vid interaktion med ljus uppvisar dessa strukturer en förändring i färg som är synlig för blotta ögat, beroende på betraktningsvinkeln. Denna effekt, som kan observeras utan behov av specialutrustning, klassificeras som ett "första säkerhetsnivå"-element (en öppen säkerhetsfunktion). Därför är den verkliga attraktionen av strukturella färger inte bara deras estetiska egenskaper, utan även deras funktionella potential för att stärka säkerhetsåtgärder.

För att bättre förstå hur denna effekt fungerar är det viktigt att beskriva de grundläggande fysiska principerna bakom strukturella färger. I grunden handlar det om optisk resonans. När ljus träffar en strukturerad yta, interagerar det med materialet på flera sätt beroende på ytans mikrostruktur. Ljus kan antingen reflekteras, absorberas och därmed dämpas, eller guidats genom provet och slutligen transmissioneras. Dessa olika interaktioner, reflektion, absorption och transmission, påverkas av ytan och kan variera i diffust eller spekulärt förhållande beroende på strukturen.

Ett viktigt fenomen som påverkar dessa effekter är "diffus reflektion", vilket innebär att ljuset sprids i flera riktningar på grund av mikrostrukturer på ytan. Vidare kan ljus med specifika våglängder reflekteras vid vissa vinklar, vilket ger upphov till de observerade färgförändringarna som uppstår när strukturen förändras i synfältet.

I synnerhet när man använder dessa strukturella färger för säkerhetsändamål är det viktigt att förstå att dessa färgförändringar inte bara är en kosmetisk effekt utan en funktionell indikator på ytans tillstånd. Genom att justera de mikroskopiska strukturerna på ytan kan man kontrollera hur ljus interagerar med den och därmed skapa unika och svårförfalskade identifieringsmönster.

En annan kritisk aspekt av denna teknologi är kopplingen mellan strukturella färger och nanoteknologi. Genom att använda nanopartiklar eller nanoskaliga strukturer kan man uppnå mycket mer precisa kontrollmöjligheter för att modifiera ljusets interaktion med ytan. Detta har öppnat dörren för att skapa avancerade funktionella ytor som kan anpassas för olika användningsområden, från säkerhetsapplikationer till dekorativa element och energihantering.

Det är också viktigt att uppmärksamma de tekniska utmaningarna i tillverkningen av strukturella färger, särskilt när det gäller att skapa funktionella och hållbara ytor på stor skala. Det finns fortfarande flaskhalsar i tillverkningsprocesserna som måste lösas för att kunna massproducera dessa ytor effektivt och ekonomiskt. Att förstå dessa tekniska aspekter är avgörande för att kunna ta denna teknologi från laboratoriet till kommersiell användning.

För läsaren som är intresserad av strukturella färger är det också viktigt att förstå hur dessa färger kan användas inom olika sektorer. Förutom deras roll i säkerhet och identifiering finns det en ökande användning inom områden som konst, dekoration och till och med medicinska applikationer, där strukturella färger kan ge nya möjligheter för att utveckla innovativa produkter.

Den avancerade förståelsen av ljus-materieinteraktioner, särskilt på mikron- och nanoskala, ger möjlighet att skapa nya typer av funktionella material. För att uppnå full potential krävs fortsatt forskning inom tillverkning och materialdesign, vilket möjliggör utvecklingen av optiska system med helt nya och spännande egenskaper.

Vad gör natriumbaserade flytande metallbatterier till en nyckelkomponent för energiupplagring vid nätstorskalig nivå?
Hur uppnår man effektivitet och motståndskraft i blockkedjekonsensus för IoT-system?
Hur Trumps Domstolsagenda Omformade USA:s Rättsväsende