Các chi tiết quang học của hệ đã được lựa chọn để phù hợp với mục tiêu ứng dụng đo đạc cho các đối tượng phát quang trong vùng ánh sáng nhìn thấy (300 – 700 nm) và đảm bảo đo đạc được đến mức độ đơn phân tử với độ ổn định cao và hiệu suất thu tín hiệu cao.
-Laze kích: Hệ FCS xây dựng trong luận án sử dụng kích thích đơn photon. Lựa chọn laze Nd:YAG loại compact bơm bằng laze bán dẫn của hãng Sinolaser (Trung Quốc) phát liên tục ở bước sóng cơ bản 532 nm, công suất 100 mW, đường kính chùm laze 2,5 mm. Laze được ổn định về cường độ dòng điện nuôi và nhiệt độ của cả khối bằng pin Peltier cùng mạch điện phản hồi. Loại laze này gọn nhẹ, dễ sử dụng, giá thành không quá cao.
Bằng cách sử dụng các phin lọc trung tính có độ sâu quang học (OD) từ 0,5 đến 3,0 đặt sau đầu phát laze, cường độ laze có thể thay đổi trong khoảng từ 100 mW đến 100 W. Cường độ laze nằm trong khoảng vài W đến vài mW trước khi đưa vào vật kính hiển vi.
-Bộ lọc không gian: Pinhole đặt giữa hai thấu kính hội tụ, tại tiêu điểm của mỗi thấu kính. Pinhole có đường kính 20 μm, có thể dịch chuyển theo ba chiều nhờ đặt trên một giá dịch chuyển z có độ dịch chuyển cỡ mili-mét và một giá vi dịch chuyển xy có độ dịch chuyển cỡ μm để điều chỉnh chính xác vị trí của pinhole. Sau khi đi qua bộ lọc không gian, chùm laze có dạng Gauss ở mode TEM00 (hình 3.1), chuẩn trực; kích thước chùm được mở rộng > 6 mm, lớn hơn kích thước cửa sổ (aperture) của vật kính hiển vi.
-Các gương lái là các gương bạc với độ phản xạ lớn hơn 90% được sử dụng để dẫn chùm laze, được lắp trên các giá gương chuyên dụng có thể chỉnh hướng của chùm tia laze.
-Gương lưỡng chiết: phân tách giữa chùm sáng kích thích và tín hiệu huỳnh quang. Chùm laze kích thích phản xạ gần như hoàn toàn trên gương này nhưng huỳnh quang từ mẫu thì truyền qua.
-Gương điện môi băng rộng: được đặt sau gương lưỡng chiết, có tác dụng phản xạ chùm laze tới vật kính hiển vi, cũng đồng thời phản xạ huỳnh quang phát ra từ mẫu tới phần thu tín hiệu. Lựa chọn dùng gương hiệu suất cao để nâng cao hiệu suất thu nhận ánh sáng huỳnh quang rất yếu từ từng phân tử chất màu hoặc hạt nano đơn lẻ.
Hình 3.1. Bộ lọc không gian tạo chùm sáng ở mode TEM00.
-Vật kính hiển vi: là loại dùng trong dầu của hãng Edmund Optics có giá thành thấp hơn khoảng 10 lần loại so với vật kính có cùng tính năng thường dùng trong kính hiển vi quang học của các hãng lớn như Nikon, Olympus. Vật kính có độ phóng đại 100x và khẩu độ số (numerical aperture, NA) = 1,25. Khẩu độ số lớn hơn 1 là yêu cầu cần thiết để đạt được độ phân giải cao và thể tích kích thích cỡ femto-lít. Các giá dịch chuyển giúp điều chỉnh vị trí của vật kính nhằm hội tụ chùm sáng kích thích tại vị trí mong muốn trong mẫu đo.
Hình 3.2 trình bày một phần của khối quang học kích thích mẫu và thu tín hiệu huỳnh quang, cho thấy vị trí lắp đặt gương lưỡng chiết, gương điện môi băng rộng và vật kính hiển vi.
1. Giá đỡ mẫu
2. Cọc đồng giữ giá đỡ mẫu 3. Vật kính hiển vi
4. Các giá đỡ và giá dịch chuyển vật kính
5. Gương điện môi băng rộng hiệu suất cao
6. Gương lưỡng chiết
Hình 3.2. Một phần khối quang học kích thích mẫu và thu tín hiệu huỳnh quang.
-Phin lọc phát xạ: phù hợp để đo mẫu phát quang ở vùng bước sóng > 550 nm.
-Thấu kính hội tụ trong phần thu tín hiệu huỳnh quang: thấu kính phẳng lồi, mạ chống phản xạ trong vùng từ 350 -700 nm có tiêu cự f = 150 mm.
-Pinhole trong phần thu tín hiệu huỳnh quang có đường kính 50 μm. Sử dụng pinhole trong phần thu để loại bớt các phần ánh sáng nằm ngoài vùng hội tụ của ánh sáng kích thích, giúp thu hẹp kích thước vùng quan sát. Về thực chất, đây là cấu hình của kính hiển vi đồng tiêu cho phép quan sát mẫu ở một vùng không gian 3 chiều với chiều z chỉ khoảng một vài μm.
Mẫu cố định tại một vị trí trên giá đỡ mẫu trong quá trình đo. Các cọc đỡ lớn có đường kính 2 inch được sử dụng cho mẫu và vật kính giúp giảm thiểu rung lắc.
Phin lọc phát xạ, thấu kính hội tụ, pinhole thu tín hiệu huỳnh quang được đặt trong các ống cố định trên các cọc quang học. Các ống này đảm bảo cho phần thu tín hiệu huỳnh quang không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng từ bên ngoài. Phin lọc có thể tháo lắp dễ dàng bằng cách tháo lắp ống giữ.
Bảng 3.1. Các thành phần chính của hệ đo FCS đã xây dựng trong luận án
Thành phần Thông số Nguồn gốc
Nguồn kích thích
Kích thích đơn photon sử dụng laze Nd-YAG bơm bằng laze diode phát liên tục ở bước sóng 532 nm, công suất cực đại 100 mW
Trung Quốc Bộ lọc không gian Pinhole 20 m Thấu kính phẳng lồi f = 60 mm Thấu kính phẳng lồi f = 150 mm Thorlabs
Vật kính hiển vi Vật kính dùng trong dầu, độ phóng đại 100x, khẩu độ số NA = 1,25
Edmunds Optics Gương
lưỡng chiết
Truyền qua > 85% trong vùng ánh sáng 584-700 nm
Phản xạ > 90% trong vùng từ 380-550 nm.
Thorlabs
Gương điện môi phản xạ cao
Phản xạ trong vùng từ 400 nm đến 750 nm. Hiệu suất phản xạ > 99%
Thorlabs
Phin lọc phát xạ Phin lọc giao thoa băng dài truyền qua 80% trong vùng bước sóng > 550 nm, chặn ánh sáng trong vùng 220-550 nm.
Các phin lọc băng hẹp phù hợp với tính chất phát quang của đối tượng đo.
Thorlabs
Chroma
Cấu hình đồng tiêu
Pinhole kích thước 50 μm trong phần thu tín hiệu Thorlabs
Detector Đếm đơn photon dạng mô-đun, gồm 2 loại:
PMT APD Tự tích hợp Bộ khuếch đại cho PMT Hệ số khuếch đại G = 10 Phối hợp trở kháng 50 Mô-đun đếm photon PicoHarp 300
Mô-đun tự thiết kê dựa trên mảng logic lập trình được (FPGA).
PicoQuant Tự chế tạo
Các chi tiết quang học và cơ quang được sử dụng hầu hết đều của hãng Thorlabs (Mỹ), giá thành không quá cao, giúp giảm kinh phí xây dựng hệ. Đồng thời, một số linh kiện trong hệ được tự chế tạo, nhằm giảm giá thành và chủ động trong quá trình xây dựng hệ mà vẫn đảm bảo gá lắp vững chắc và ổn định hệ quang học và đầu thu. Các linh kiện này bao gồm:
- Giá dịch chuyển hai chiều xy cho phép dịch chuyển cỡ μm và giá dịch chuyển một chiều z cho phép dịch chuyển cỡ mili-mét được dùng để lắp đặt pinhole trong bộ lọc không gian.
- Các giá vi dịch chuyển ba chiều để chỉnh vị trí các đầu thu APD (sensor trong đầu thu APD có kích thước cỡ 2 mili-mét nên để chỉnh APD đúng vị trí cần dùng các giá vi dịch chuyển).
- Cọc đỡ, giá dịch chuyển mẫu.