Mach-Zehnder Interferometer

 

Im Workpackage 3 des MENDOS Projekts benutzen wir einen Aufbau zum Testen eines integrierten Mach-Zehnder Interferometers, der im folgenden beschrieben wird.
Der ganze Aufbau besteht aus einem He-Ne Laser als Lichtquelle, eine Photodiode, die das Licht, das durch den Chip geleitet wird, detektiert und einer Flusszelle, die den Analyten über den Chip leitet. Alle optischen Komponenten werden über Glasfasern verbunden. Die Fluidik, um den Analyten über den Chip zu pumpen, besteht aus einer Pumpe und einem 8-Wege Ventil von der Firma Hamilton. Pumpe, Ventil und Diode werden mit einem PC angesteuert.


Figur 1: Schema des Aufbaus zum Testen des Mach-Zehnder Interferometers

Im Prinzip arbeitet das intergriert optische Mach-Zehnder Interferometer wie folgt. Wir leiten kohörentes Licht vom Laser in das integriert optische Interferometer. Dies geschieht auf der Abbildung auf der linken Seite mittels einer Glasfaser. Beide Arme haben eine definierte optische Weglänge welche das Produkt aus Brechungsindex n und geometrischer Länge d (n*d) des Wellenleiters auf dem Chip ist. Die Phasendifferenz beider Lichtstrahlen ist Null, wenn sie in das Interferometer eintreten. Auf der anderen Seite des Interferometers sind beide Wellenleiter über eine Y-Verzweigung mit einem Wellenleiter verbunden. An dieser Stelle interferieren die beiden Lichtwellen miteinander. Je nach Phasenverschiebung kann an dieser Stelle konstruktive oder destruktive Interferenz auftreten. Die Phasendifferenz zwischen beiden Lichtwellen hängt vom unterschiedlichen Brechungsindex zwischen beiden Lichtwellen ab. Eine Änderung des Brechungsindex in einem der beiden Arme wird durch die Reaktion des Analyten mit der sensitive Oberfläche auf einem Arm des Interferometers verursacht. Die Lichtwelle im sensitiven Arm reicht einige Nanometer in die sensitive Schicht. Somit wirken sich Änderungen im Brechungsindex in dieser Schicht auf die Geschwindigkeit der Lichtwelle in diesem Arm aus. Dieser Effekt ist als Goos -Hänchen- Shift bekannt.

Unserer Aufbau sieht wie folgt aus:


Figur 2: Ganzer Aufbau

Der ganze Aufbau ist in Figur 2 gezeigt. Die einzelnen Teile sind:

  1. He-Ne Laser
  2. Polarisator zur Änderung der Polarisationsrichtung des Lichtes in der Glasfaser
  3. Mach-Zehnder Chip mit Flusszelle
  4. Spektrometer
  5. Hamilton Pumpe
  6. Siralschlauch gefüllt mit der Probe
  7. Mikroskop
  8. Flasche mit SDS Regenerierungslösung

Dieser Aufbau arbeitet wie folgt. Zuerst wird das Licht vom He-Ne Laser (Nr. 1) mittels eines Einmoden Wellenleiters in den Polarisator (Nr. 2) geleitet. Die Richtung der Polarisation kann mittels der schwarzen Flügel geändert werden. Das dient der Optimierung der Intensität des Lichtes, welches durch den Chip geleitet wird, denn nur Licht mit einer Polariastion senkrecht zum Chip wird durch den Chip geleitet. Nach dem Polarisator wird das Licht zum Chip unter der Flusszelle (Nr. 3) geleitet. Im Chip ändert sich die Intensität des durchgelassen Lichtes, wenn der Analyt über den Chip geleitet wird. Diese Änderungen in der Intensität werden mit dem Spektrometer (Nr. 4) oder einer Photodiode am PC gemessen.
Die Probe wird mit der Hamilton Pumpe (Nr. 5) über den Chip geleitet. Die Proben sind in den Cups im Vordergrund. Sie sind mit dem Hamilton Ventil verbunden. Nachdem die Proben über den Chip gepumpt worden sind, werden sie in einen Abfallbehälter geleitet. Nach jeder Messung befinden sich Antikörper aus den Proben auf dem Chip und besetzen die sensitiven Stellen. Darum muss der Chip nach jeder Messung regeneriert werden. Dies geschieht durch SDS Lösung. Diese befindet sich im Behälter Nr. 8.


Figur 3: Halter ohne Flusszelle und Fluidik

Im Bild Nr.3 wird der Halter mit eingebautem Chip ohne Flusszelle und Fluidik gezeigt. Man kann den Mach-Zehnder Chip erkennen, der in den roten Halter eingebaut und an die Glasfasern gekoppelt ist. Der rote Halter ist in den schwarzen eingebaut, der mit den Mikrometerschrauben bewegt werden kann. Mit dem Stereo Mikroskop können Chip und Glasfasern, das sind die gelben Kabel, in die korrekte Position gebracht werden.
Die Flusszelle ist ein Quader aus PMMA. Dieser Quader hat über dem Chip eine Nut, welche den Analyten über den Chip leitet. Sie wird über dem Chip befestigt.


Figur 4: Flusszelle, montiert auf dem Chip

In Figur 4 ist unsere Flusszelle abgebildet. Sie ist auf den MZI Chip montiert. Auf der linken und der rechten Seite sind die Glasfasern zur Lichtleitung in und aus dem Chip zu sehen. Sie sind in den Chip eingekoppelt. Das Laserlicht wird von der rechten zur linken Seite des Chips geleitet. Die Probe fließt von der rechten zur linken Seite der Flusszelle durch einen Flusskanal mit einer Höhe von etwa 50 bis 60 μm über den Chip. Nachdem die Probe die Zelle durchlaufen hat, läuft sie durch den linken Schlauch in einen Abfallbehälter. Das Volumen des Flusskanals beträgt etwa 4 bis 5 μl.

Mit diesem Aufbau erhalten wir Signale, die exemplarisch im Folgenden erläutert werden.


Figur 5: Ein Signal von einer Anti-ACA-Messung mit dem oben beschrieben Aufbau

Figur 5 zeigt ein gutes Signal einer Anti-ACA Messung mit einer Antikörper Konzentration von 2 μg/mL. Die Flussgeschwindigkeit ist 1 μL/s. Dieses Bild zeigt uns, dass wir von unserem Aufbau Signale bekommen können, die ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis haben und bei denen die Signalmodulation von einem Extremum zum nächsten nahezu konstant ist. Wir sehen ein sehr klares Signal von einer Anti-ACA Bindung mit einer Phasenverschiebung von etwa 4p. Wir erhalten im Vergleich zu unseren ersten Messungen bessere Signal-Rausch Verhältnisse und Modulationen mit fast konstanter Amplitude. Die Intensität während der Messung ist also ein sehr wichtiger Faktor bei den Messungen.