Diese Arbeit wurde von NSERC, Kanada finanziert.

Ein. Herstellung von Materialien <ol><li> Mikrokapillaren Erhalten Kapillaren von einem kommerziellen Anbieter. Wir beziehen unsere Kapillaren aus Polymicro Technologies. Wähle eine kleine Innendurchmesser (~ 25 - 30 um) zum weiter getrennt spektralen Resonanzen (dh ein größerer freier Spektralbereich), oder einen größeren Innendurchmesser (~ 100 um) zum enger beabstandeten Resonanzen mit höherer Qualität Faktoren. Ein großer Außendurchmesser sorgt die FCMs sind langlebig und leicht zu manipulieren. <ol><li> Die Kapillaren mit einem farbigen Polyimid Jacke, die erste entfernt werden müssen kommen. Geschnitten etwa 10 cm Stücke Kapillare von der Rolle, mit Diamant Trenngerät. Jedes Stück ist eine einzige Probe. Heizen diese in einem Rohrofen bei 650 ° C eine Stunde lang in Sauerstoff zu verbrennen die Beschichtung. Dieser Vorgang entfernt die Jacke Material, Aussetzen der Kieselsäure im Inneren Kapillare. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur, entfernen Sie die capillaries von der Heizung Boot. </li></ol></li><li> Hydrogensilsesquioxan Lösungen Hydrogensilsesquioxan (HSQ) wird berichtet, daß aus H 12 O 12 Si 8-Moleküle mit einer käfigartigen Struktur bestehen. 14 Dieses Material ist im Handel erhältlich von Dow Corning. Erwerben der HSQ in einer seiner FOx-Serie (Fließvehikeloxid) Lösungen wie FOx-15. Diese Lösungen sind teuer und haben eine begrenzte Haltbarkeit, so sorgfältige Planung erforderlich ist. Verdampfen des Lösungsmittels MIBK stellt eine HSQ-Konzentration von etwa 18 Gew.%. Wenn der HSQ-Konzentration zu niedrig ist, kann kein Quantenpunkten in dem Film zu bilden. Wenn sie zu hoch ist, können die Folien zu dick und delaminieren aus dem Kapillarkanal Oberfläche. In unserer Erfahrung, für eine Kapillare mit einer 25-30 um Innendurchmesser, ein Fuchs Lösung mit ~ 25 Gew.% HSQ am besten ist. So kann es notwendig sein, verdampfen oder fügen Sie mehr HSQ Lösungsmittel (darauf achten, dass es trocken ist), um die EinstellungKonzentration. Ob eine Verdünnung oder Konzentration notwendig ist, ist schwierig, ohne Versuch und Irrtum bestimmen, dh um einige Proben und untersuchen die Ergebnisse, wie nachstehend erläutert. </li></ol> 2. Herstellung von beschichteten Kapillaren <ol><li> Befüllen der Kapillare Nehmen Sie die Teile der Kapillare in Schritt 1,1 vorbereitet und tauchen sie in der FOX-Lösung. Wenn eine Kapillare in die Lösung getaucht wird, sollten Sie in der Lage sein, um visuell folgen den Meniskus bis der Kanal, wie die Lösung in die Kapillare (Abbildung 2a) gezogen wird. <ol><li> Wenn der Meniskus die Spitze erreicht, entfernen Sie die Kapillare und legen Sie sie in einem Glas Glüh-Tiegel. Es sollte jetzt vollständig mit Fuchs-Lösung gefüllt werden. Wiederholen Sie diesen Vorgang für so viele Proben wie möglich, um die Chancen auf Erfolg erhöhen. Wir typischerweise ausgeführt Chargen von 20-30 und mit zwei verschiedenen Konzentrationen von HSQ Lösungen Gewichtsprozent. Wir füllen die Kapillaren in der Luft, aber halten ter FOx Lösung in einem Handschuhfach gekühlt wird empfohlen, wenn möglich, um die Exposition der Lösung Sauerstoff und Wasserdampf zu minimieren. Selbst kleine Engagements in Gelierung der Lösung führen. </li></ol></li><li> Glühen Glühen die Kapillaren in einem zweistufigen Verfahren. Tempern verdampft das Lösungsmittel und kollabiert die HSQ Käfigstruktur, Bilden einer SiO x-Film anhaftende den Kanalwänden. Glühen bei höheren Temperaturen disproportioniert die SiO x-Film in Si Quantenpunkte dispergiert in einer Silica-Matrix. Die Annealing-Schritte umfassen einen 30-Minuten-Rampe von Zimmertemperatur auf 300 ° C, eine 3 h Verweilzeit, um das Lösungsmittel zu verdampfen, dann eine Rampe zu 1.100 ° C in 45 min und einem für eine Stunde verweilen, die gebildeten QDs. <ol><li> Lassen Sie die Kapillaren langsam abkühlen (~ 12 Stunden) wieder auf Raumtemperatur. Dies trägt dazu bei stressbedingten Aufbrechen des Films abgeschieden auf der Kapillarwand minimieren. Andere Glühen Protokolle könntenWahrscheinlich verfolgt und kann mehr zuverlässig, aber ein Hochtemperatur-Glühen Bühne 1.000-1.100 ° C ist immer notwendig, um die QDs bilden. Am Ende dieses Schritts sollte eine (hoffentlich) 20-30 Kapillaren mit einer Schicht aus fluoreszierendem QDs in einer Silica-Matrix Beschichten der Kanalwände eingebettet. </li></ol></li></ol> 3. Charakterisierung <ol><li> Stichprobenkontrolle der Fluoreszenz-Mikroskop auf die Kapillaren montiert werden, müssen sowohl Bildgebung und Spektroskopie in der 700-900 nm Wellenlängenbereich durchzuführen sind. Epifluoreszenz oder konfokalen Setups sind für diesen Zweck geeignet. Legen Sie eine Reihe von Kandidaten Kapillaren auf der Bühne, so dass es einfach ist, zwischen ihnen für die schnelle visuelle Analyse (Abb. 2b) bewegen. Erregen die Kapillare mit blauen oder UV-Strahlung entweder in freier Raum auf dem Mikroskoptisch oder direkt durch die Objektivlinse unter Verwendung eines dichroitischen Filter, und beobachten des Fluoreszenzbilds mit den Okularenoder eine Farbkamera. <ol><li> Beachten Sie die Kapillare Fluoreszenz. Wenn die Herstellung erfolgreich war, wird die Kapillaren weisen eine leuchtend rote Fluoreszenz. Dies ist der erste Hinweis auf eine positive Probe. Kapillaren ausstellenden orange-gelbe Fluoreszenz (statt der roten Farbe mit den QDs verbunden sind) in der Regel nicht die gewünschten optischen Eigenschaften. Diese Proben neigen auch dazu, öfter bilden in Lösungen mit einem niedrigen HSQ Konzentration. Einige Kapillaren kann keine Fluoreszenz überhaupt zeigen, in diesem Fall der QD Film nicht zu bilden, und die Kapillare kann verworfen (Glas Kleie) werden. Dies ist ein Hinweis, dass die Lösung nicht in die Kapillare kann gezeichnet wurden, oder es kann in HSQ defizienten haben. Schließlich können einige Proben zeigen eine gerissene oder strukturierten Folie, diese können auch verworfen werden. </li><li> Verwerfen aller Proben in dem vorhergehenden Schritt mit Ausnahme derjenigen, die die hellrote Fluoreszenz charakteristisch Silicium QDs zeigen erwähnt. </li></ol></li><li> Prüfen auf die Anwesenheit von WGMs im Fluoreszenzspektren sicher, dass das Bild ausgerichtet ist, wie auf dem Eintrittsspalt des Spektrometers gewünschten und sammeln ein Fluoreszenzspektrum. Einstellen der Sammelzeit, um einen akzeptablen Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erzeugen. Führen Wellenlänge und Intensität Kalibrierungen wie erforderlich. Die QD Spektren sollten in dem Wellenlängenbereich von 700 bis 900 nm intensiv. Spectra aus dem entsprechenden Bereich der Kapillare Innenwand getroffen werden sollten zeigen starke Schwankungen aufgrund der Anwesenheit der zylindrischen Whispering Gallery Modi (WGMs), das ist die second-to-last Erfordernis einer erfolgreichen refraktometrische Sensor. <ol><li> Einige Proben dürfen einen leuchtend roten QD-Fluoreszenz aber Mangel WGM Oszillationen im Spektrum. Dies ist ein Indiz der QD Film gerissen oder von der Kapillarwand, die die optischen Resonanzen zerstört delaminiert. Entsorgen Kapillaren ohne WGMs. An dieser Stelle wird nur der (typischerweise small)-Fraktion von Proben, die die Anforderungen erfüllen Sensor verbleiben. Es gibt eine letzte Test durchgeführt werden. </li></ol></li><li> Refraktometrische Bestimmung Befestigen des Kandidaten Kapillaren an Polyethylen, Tygon, Teflon oder anderen Schläuchen chemisch kompatibel mit der beabsichtigten Analytlösungen dessen Innendurchmesser sollte geringfügig größer als der kapillare Außendurchmesser. Die Wahl der Schlauch sollte so beschaffen sein, da nicht mit den Lösungen in die Kapillare gepumpt werden reagieren. <ol><li> Verwenden Sie eine gute Klebstoff auf die Glaskapillare auf das Rohr legen, da sonst die Kapillar-Schlauch-Schnittstelle wird undicht. Wir haben recht gute Erfolge mit Norland NOA-76 oder Mascot Sekundenkleber Gel. Die Wahl des Klebers hängt von seiner Haftung an der Glaskapillare und dem Schlauch, und ein Fehlen einer Reaktion mit den Kanal-Fluiden. Darauf achten, dass der Klebstoff eindringt in den Kapillarkanal und Blockieren zu verhindern. </li><li> Schnittstelle den Schlauchüber eine Spritze zu einer micropumping System. Verbindungen mit bekannten Brechungsindizes, wie Methanol, Ethanol, und Wasser kann das refraktometrische Empfindlichkeit der Vorrichtung zu bestimmen. Dies ist der letzte Test für eine erfolgreiche Sensor. Jedes Fluid zu pumpen, eine nach der anderen, in die Kapillare, so dass nicht das Klebedichtung zwischen der Kapillare und dem Rohrstrang (2c) platzen. </li><li> Sammle Spektren mit jeder Flüssigkeit in der Kapillare. Verwenden eines Analysators in den Strahlengang zwischen TE-polarisierte WGMs (Analysator parallel zur Achse Kapillare) und TM-polarisierte WGMs (Analysator senkrecht zur Achse Kapillare) zu unterscheiden. Es sollte eine Verschiebung der Wellenlänge der WGM Resonanzen, entweder TE oder TM werden, wobei jede andere Lösung in die Kapillare. Wenn es keinen beobachtbaren Verschiebung ist der Quantenpunkt-Schicht zu dick und die WGMs nicht ausreichend Abtasten des Kanals Medium. In erfolgreichen Proben beobachten wir Empfindlichkeiten in der Regel zwischen 5 und 15 nmpro Lösung Brechungsindex Einheit (RIU). Fast alle Proben, die anzeigen WGMs tun zeigen messbare Empfindlichkeit, jedoch typischerweise nur ein kleiner Bruchteil der vorbereiteten Kapillaren WGMs zeigen. </li></ol></li></ol> 4. Data Analysis <ol><li> Beziehen die Fluoreszenzspektren Nehmen Sie ein Spektrum der Fluoreszenz von Ihrer Probe. Biosensor für Anwendungen weist die erste Kanaloberfläche, um nach bestimmten Analyten funktionalisiert werden. Die Oberfläche der Folie ist im wesentlichen QD Kieselsäure, so viele Oberflächenmodifizierung Rezepturen bestehen. Unabhängig von der Anwendung, ist der letzte Schritt der Datenverarbeitung und-analyse. <ol><li> Erreichen niedrige Nachweisgrenzen erfordert die Messung von kleinen spektralen Verschiebungen im Idealfall die &quot;shift Auflösung&quot; sollte deutlich kleiner als der nominelle Spektrometerauflösung oder Pech. Es muss in der spektralen Verarbeitung durch diese ausgeübt werden. Insbesondere bei vielen Bildgebungsspektrometers das Spektrum nicht perfekt horizontal auf die CCD projiziert werden, so wenn zwischen Analysen, driftet das Musterbild vertikal auf den Schlitz, falsche Spektralverschiebungen erhalten werden. Verwenden Sie, was Mittel sind notwendig, um sicherzustellen, dass dies nicht geschieht, z. B. die Verwendung eines Kalibrierstandards, um den Winkel des projizierten Spektrums zu bestimmen und zu korrigieren ist, minimieren Probe Drift, und sicherzustellen, dass die gleichen CCD-Pixel verwendet werden, um alle Spektren zu erhalten . Ein Beispiel Spektralbild ist in 3, wo die Modi werden als starke Schwingungen an Stellen entsprechend den Kanalwänden gezeigt. Verwenden eines Mathematica Computercode (oder was Ihre Gruppe), um die spektrale Bilder, die Ausgabe 1D Spektraldaten und führen Kurvenanpassung und Fourier-Analyse der WGM Verschiebungen, wie unten beschrieben, zu importieren. </li></ol></li><li> Kurvenanpassung Bestimmen Sie die WGM Peakwellenlänge zu kleinen spektralen Verschiebungen aufgrund von Analyten zu messen in der FCM-Kanal. Setzen Sie einen Single-Mode auf eine Funktion, die spektrale Form beschreibt - dies ist ein üblicher Weg, um die Spitzenposition zu erhalten. Im Idealfall wird dies eine Lorentz-Funktion sein (mit der korrekten Konvertierung von Wellenlänge in Frequenz-Einheiten über δλ = │-cδf / f 2 │ wobei c die Lichtgeschwindigkeit): <img src="/files/ftp_upload/50256/50256eq1.jpg" alt="Gleichung 1" fo:content-width="2in" fo:src="/files/ftp_upload/50256/50256eq1highres.jpg" /> In Gl. 1 ist, A ein Skalierungsparameter und f 0 die Mittenfrequenz. Leider sind FCMs keine ideale Fall. <ol><li> In die zylindrische Hohlräume sind WGMs zu höheren Frequenzen, wahrscheinlich infolge der Entwicklung von spiralförmigen Resonanzen (WGMs mit einem von Null verschiedenen axialen Komponente des Wellenvektors) verzerrt. Lorentz 15 passt daher eine schlechte Leistung zur Bestimmung der Peak-Position. Leider gibt es keine Funktion thbei wird eine Verteilung von überlappenden Lorentzians von den spiralförmigen WGMs passen. In einer früheren Arbeit 16 haben wir vorgeschlagen, dass eine schiefe Lorentz 17 würde eine bessere Passform zu geben: <img src="/files/ftp_upload/50256/50256eq2.jpg" alt="Gleichung 2" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50256/50256eq2highres.jpg" /> Dabei sind a und b Parameter Schräglauf. Wie in Abbildung 4, Gl gesehen werden. 2 nicht geben eine bessere Anpassung an die Daten als Gl. 1, aber leider hat es keine physikalische Grundlage für die Theorie der WGMs. </li></ol></li><li> Fourier Shift-Analyse Alternativ können die Daten verarbeitet unter Verwendung einer diskreten Fourier-Transformation, und die entsprechenden Phasenverschiebungen aus dem Fourier-Spektrum gemessen. Diese Methode nutzt die Periodizität des gesamten Spektrums, um mit einer einzigen beliebigen WGM entgegen. Es misst nicht die Peakwellenlänge Position, sondern misst insgesamt eine Verschiebungeiner gegebenen WGM Spektrums in Bezug auf eine beliebige Referenz-Spektrum. <ol><li> Verwenden Sie die Phasendifferenz Δφ für die High-Power-Fourier-Komponente, die auf die wichtigsten WGM spektrale Schwingung entspricht die spektrale Verschiebung zu erhalten. Dies entspricht einer realen WGM Frequenzverschiebung: Af = Δφ (f max - f min) / (2πk) wobei f min und f max sind die minimale und maximale Frequenz in dem Spektrum. Allerdings können viele Informationen verworfen werden, wenn nur die Hauptkomponente verwendet wird, zusätzlich Trunkierung Probleme kann es schwierig zu bestimmen, welche Komponente das wichtigste ist. Oftmals erfordern die besten Ergebnisse einige trial and error zu denen Fourier-Komponenten zu wählen. </li><li> Die Verschiebung Theorem verwendet stattdessen alle der Fourier-Komponenten. Dementsprechend wird für eine reine Verschiebung wird jedes einzelne Bauteil verschoben proportional k (mit kwobei die Komponente Nummer). Mit anderen Worten, δφ k = mk, wobei die Proportionalität m ist ein Maß für die wirkliche Verschiebung. Die Gesamtmenge Frequenzverschiebung ist somit gegeben durch: Af = m (f max - f min) / (2π). Dies erfordert m, von einer linearen Anpassung an die Phasendifferenzen ΔΦ k für einige oder alle der Fourier-Komponenten erhalten werden. </li><li> Für echte Daten, die lineare Beziehung ΔΦ k = mk wird die Unsicherheit durch Lärm und Hintergrund-Signal, das einen signifikanten Effekt in den Low-Power-Fourier-Komponenten haben kann. So empfiehlt sich eine gewichtete lineare Anpassung, bei denen das Gewicht für jede Komponente proportional zu seiner Leistung ist, um die Steigung der ΔΦ k vs zu erhalten k Graphen. Das Spektrum kann rund um die Hauptkomponente vor der Montage gefiltert werden, um sowohl hohe Frequenzen (entfernen noise) und niedrigen Frequenzen (entkoppelt Fluoreszenz-Hintergrund). Die Frequenzverschiebungen aus Gl. 4 werden dann in Wellenlängen umgerechnet. </li><li> Anders als im Fall für die Kurvenanpassung wird ein WGM &quot;Wellenlänge&quot; nie erhalten, sondern eine Verschiebung der Wellenlänge ist auf dem gesamten Spektrum bezüglich einer willkürlichen Referenzspektrum gemessen. Das Verfahren wird dann wiederholt für jedes Spektrum analysiert werden. Die Schritte dieses Verfahrens sind wie folgt: <ol><li> Konvertieren Sie die Spektren in Frequenz-Einheiten, um eine konstante freie Spektralbereich zu gewährleisten. </li><li> Wählen Referenzdatensatz (dh die erste WGM Fluoreszenzspektrum), aus dem alle Schichten gemessen werden. </li><li> Interpolieren die Spektren einheitliche Frequenzabstand zu erhalten. 18 </li><li> Führen Sie eine diskrete Fourier-Transformation, um die Leistung und Phase Komponenten jedes Spektrum zu erhalten. </li><li> Finde die Phasendifferenzen für alle k Komponenten eines gegebenen WGMSpektrums, für die die Verschiebungswert gewünscht wird, in Bezug auf das Referenzspektrum. </li><li> Finden die Phasenverschiebung unter Verwendung der Phasendifferenz von im Haupt Fourierkomponente einzige oder eine gewichtete lineare Anpassung an die ausgewählten Komponenten. Dies wird die Phasenverschiebung öf oder δλ zwischen der WGM-Spektrum und dem Referenzspektrum. </li><li> Die Fehler in den Spektralverschiebungen (Nachweisgrenze) kann durch Sammeln wiederholte Spektren für den gleichen Analyten gemessen werden. Eine Unsicherheit in der Empfindlichkeit von dem Fehler in den gewichteten linearen Anpassungen erhalten werden, wenn mehrere Komponenten verwendet werden. </li></ol></li></ol></li></ol> Wiederholen Sie die Schritte 1-7 für jede Analyse. Während dieses Verfahren klingt kompliziert, nach der ersten Implementierung des Verfahrens ist einfach zu automatisieren, so dass große Datenmengen können Batch verarbeitet, um die Verschiebungen zu finden. Wir verwenden eine Mathematica-Code speziell fo geschriebenr dieses Verfahren, so dass komplette Datensätze können Batch-Verarbeitung &quot;mit dem Drücken einer Taste&quot;. Im Prinzip können die spektralen Verschiebungen sogar errechnet, &quot;live&quot;, obwohl wir dies noch nicht getan.

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M., Fan, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+opto-fluidic+ring+resonator+biosensor+for+the+detection+of+organophosphorus+pesticides.">An opto-fluidic ring resonator biosensor for the detection of organophosphorus pesticides.</a> Sensors and Actuators B: Chemical. 133, 105-112 (2008).</li><li>Zhu, H., Dale, P. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+and+Label-Free+Detection+of+Breast+Cancer+Biomarker+CA15-3+in+Clinical+Human+Serum+Samples+with+Optofluidic+Ring+Resonator+Sensors.">Rapid and Label-Free Detection of Breast Cancer Biomarker CA15-3 in Clinical Human Serum Samples with Optofluidic Ring Resonator Sensors.</a> Anal. Chem. 81, 9858-9865 (2009).</li><li>Redding, B., Marchena, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+raised-microdisk+whispering-gallery-mode+characterization+techniques.">Comparison of raised-microdisk whispering-gallery-mode characterization techniques.</a> Optics Letters. 35, 998-1000 (2010).</li></ol>

Wir haben nichts zu offenbaren.

Fluorescent-core Mikrokavitäten können als refraktometrische Sensoren verwendet werden. Während es vereinzelte Beispiele von &quot;gerollt&quot;, die als Reaktionsgefässe mikrofluidische Sensoren, 22 im Vergleich zum Mikrogefäß wirken könnten, werden Kapillaren leichter in mikrofluidische Setups integrieren und erhebliche praktische Vorteile, da sie leicht und einfach zu handhaben Schnittstelle mit einer Analyse Setup. Verwendung herkömmlicher Fourieranalyse Methoden kann Wellenlängenverschiebungen, ...

Chemische sensing-Systeme, die nur kleine Probenvolumina erfordern und kann in der Hand gehalten oder Feld betätigbaren Vorrichtungen eingebaut werden könnte, um die Entwicklung einer Vielzahl von neuen Technologien. Solche Technologien könnte Feldes Diagnose für Krankheiten und Schädlinge, 1 Umweltschadstoffe, 2 und Lebensmittelsicherheit gehören. 3 Mehrere Technologien werden aktiv für mikrofluidische chemische Sensoren erforscht, mit Geräten zur Physik der Oberflächen-Plasmon-Resonanzen (SPR) zu den modernsten basiert. 4 Diese Sensoren sind jetzt zum Aufspüren von vielen Biomolekülen und erreicht haben, kommerziellen Erfolg, obwohl vor allem in größerem Maßstab Laborgeräte. 5 In den letzten Jahren sind optische Mikroresonatoren gestiegen, um mit SPR-basierten Systemen konkurrieren. Mikrokavitäten können erstaunlich sensibel, mit nachgewiesener Fähigkeit zur Erkennung einzelner Viren 6 und vielleicht sogar einzelne Biomoleküle <sup&gt; 7 (letzteres bleibt das Thema von einigen Debatte, 8 aber es gibt keinen Zweifel, dass die Masse Nachweisgrenzen kleinen 9 sind). In Mikrokavitäten stützt sich der Erfassungsmechanismus auf Änderungen der optischen Resonanzen durch die Anwesenheit eines Analyten innerhalb des elektrischen Feldes Profil der Resonanz verursacht. Typischerweise wird ein gegebenen Analyten bewirken, dass die Resonanz in der zentralen Frequenz, Sichtbarkeit oder Linienbreite zu verändern. Wie bei SPR-Systemen können Mikrohohlräume als unspezifische refraktometrische Sensoren handeln, oder als Biosensoren für eine bestimmte Analyse funktionalisiert. Dielektrische Mikrostrukturen mit einem kreisförmigen Querschnitt (z. B. Mikrosphären, Scheiben oder Zylinder) durch elektromagnetische Resonanzen, wie die Flüstergangmoden Modi oder WGMs, ein Begriff aus dem Rayleigh-Untersuchungen von analogen akustischen Wirkung bekannt ist. 10 Wesentlichen eine optische WGM tritt auf, wenn eine Welle umrundet den kreisförmigen Querschnitt sbschnitt durch Totalreflexion, und kehrt zu seinem Ausgangspunkt in Phase. Ein Beispiel für eine elektromagnetische Resonanz für eine Silica-Mikrokugel ist in 1a veranschaulicht. Diese Resonanz von einer maximalen in radialer Richtung (n = 1) ist dadurch gekennzeichnet, während insgesamt 53 Wellenlängen um den Äquator (l = 53) passen, werden von denen nur einige dargestellt. Die evaneszenten Teil des Feldintensität erstreckt sich in dem Medium außerhalb der Kugel Grenze; ​​somit die Mikrokugel WGM enthaltene externen Medium zu erfassen. Kapillaren sind ein besonders interessantes Beispiel für eine WGM-basierten Sensor. In einer Kapillare, zylindrischen WGMs kann um den kreisförmigen Querschnitt zu bilden, ähnlich zu dem Fall für eine Kugel. Wenn der Kapillarwand ist sehr dünn, erstreckt Teil des elektromagnetischen Feldes in den Kapillarkanal (Abb. 1b). Somit kann eine Kapillare eine mikrofluidische Sensor zum Analyten in den Kanal injiziert werden. Dies ist der basis Arbeitsweise des flüssigen Kern optischen Ringresonator (LCORR). LCORRs 11 setzen auf der evaneszenten Kopplung von Licht von einer Präzision abstimmbare Laserquelle, die WGMs sondieren. Ein wichtiger Aspekt der LCORR ist, dass die Kapillarwände muss dünn (ca. 1 um), um sicherzustellen, dass die Proben-Modus der Kanal Medium. Dies stellt einige Schwierigkeiten auf ihrer Herstellung und bewirkt, dass sie mechanisch empfindlich. In unserer Arbeit haben wir einen alternativen Aufbau einer so genannten fluoreszierenden Kern Mikrokavität (FCM) entwickelt. 12,13 Um ein FCM bilden, beschichten wir die Kanalwände einer Kapillare mit einem hohen Brechungsindex Fluorophor (speziell eine Schicht aus Oxid-Embedded Silizium-Quantenpunkten). Die hohen Index des Films ist erforderlich, um die emittierte Strahlung zu beschränken, damit den Aufbau der WGMs (Abbildung 1c). Im Gegensatz zu der LCORR in einem FCM die Modi als scharfe Maxima in einer emittierten Fluoreszenzspektrum. Die Dicke derFilm ist von entscheidender Bedeutung, wenn sie zu dick ist die WGM nicht Abtasten des Mediums in den Kapillarkanal, und wenn sie zu dünn ist die optische Begrenzung verloren geht und die WGMs schwach werden. Somit ist die Herstellung eines FCM ein schwieriger Prozess, erfordern eine sorgfältige Vorbereitung. Dies ist das zentrale Thema der aktuellen Papier.

<table border="1"><tbody><tr><td> Tabelle der Materialien </td><td> Firma </td><td> Katalog # </td><td> Kommentare </td></tr><tr><td> Kieselsäure Mikrokapillaren </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> flexible microbore Schlauch </td><td></td><td></td><td> Polyethylen, Tygon usw. </td></tr><tr><td> Klebstoff </td><td> Mascot, Norland NOA </td><td></td><td></td></tr><tr><td> HSQ in MIBK gelöst </td><td></td><td></td><td> zB., Fox-15 </td></tr><tr><td> Methanol </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> Ethanol </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> destilliertem Wasser </td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table> Tabelle 1. Liste der verwendeten Materialien.

synthesis and operation of fluorescent-core microcavities for refractometric sensing

Dieses Papier diskutiert fluoreszierenden Kern Mikroresonator-basierte Sensoren, die in einem mikrofluidischen Analyse Setup bedienen können. Diese Strukturen werden auf der Bildung eines fluoreszierenden Quantenpunkt-(QD) Beschichtung auf der Kanaloberfläche eines herkömmlichen Mikrokapillare basiert. Silicon QDs sind besonders attraktiv für diese Anwendung, was zum Teil auf ihre vernachlässigbare Toxizität der II-VI-und II-VI-Verbindung QDs, die legislativ Substanzen sind in vielen Ländern kontrolliert verglichen. Während das Ensemble Emissionsspektrum ist breit und konturlose, einem Si-QD Film auf der Wand eines Kanals Kapillare besitzt eine Reihe von scharfen, schmalen Peaks im Fluoreszenzspektrum, entsprechend den elektromagnetischen Signale für Licht innerhalb des Films eingeschlossen ist. Die Peakwellenlänge dieser Resonanzen ist empfindlich gegenüber äußeren Mediums, wodurch eine das Gerät als refraktometrische Sensor, bei dem die Quantenpunkte nie in physischen Kontakt mit dem Analyten kommen funktionieren. Die experimentelleMethoden mit der Herstellung der Fluoreszenz-Core Mikrokapillaren assoziiert werden ausführlich diskutiert, sowie die Analysemethoden. Schließlich wird ein Vergleich zwischen diesen Strukturen und den weiter verbreiteten untersuchten flüssigen Kern-optischen Ringresonatoren hergestellt, ausgedrückt als mikrofluidische Sensing-Funktionen.

Kleine Abweichungen in der Kapillare Herstellung Prozedur kann zu erheblichen Veränderungen in der Probe Erfolgsquote führen. In Abbildung 5 (ad) zeigen wir repräsentative Beispiele von gescheiterten Kapillaren sowie ein erfolgreiches Jahr. Im Allgemeinen ist die visuelle Anzeige einer erfolgreichen Probe eine rote Fluoreszenz mit einer hohen Intensität an den Wänden und einer Kapillare featureless Innenraum kombiniert. Das Fluoreszenzspektrum auch deutlich zeigt den Unterschied zwischen Erfolg und...

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Synthesis and Operation of Fluorescent-core Microcavities for Refractometric Sensing

Fluoreszenzlichtbild-Kern Mikrokavität Sensoren verwenden eine hochbrechende Quantenpunkt-Beschichtung in dem Kanal von Siliciumdioxid Mikrokapillaren. Änderungen im Brechungsindex der Flüssigkeit in den kapillaren Kanal gepumpt verschiebt Ursache in der Mikrokavität Fluoreszenzspektrum, mit dem der Kanal Medium analysiert werden können.

Synthese und Betrieb von Leuchtstofflampen-core Mikrokavitäten für Refraktometrische Sensing

This paper discusses  fluorescent core microcavity-based sensors that can operate in a microfluidic  analysis setup. These structures are based on the ...

synthesis-operation-fluorescent-core-microcavities-for-refractometric

Research

JoVE Journal

Engineering

12.8K Aufrufe.  University of Alberta. Fluoreszenzlichtbild-Kern Mikrokavität Sensoren verwenden eine hochbrechende Quantenpunkt-Beschichtung in dem Kanal von Siliciumdioxid Mikrokapillaren. Änderungen im Brechungsindex der Flüssigkeit in den kapillaren Kanal gepumpt verschiebt Ursache in der Mikrokavität Fluoreszenzspektrum, mit dem der Kanal Medium analysiert werden können.

Serie: Synthesis and Operation of Fluorescent-core Microcavities for Refractometric Sensing

Terahertz Microfluidic Sensing Using a Parallel-plate Waveguide Sensor

Refractive index (RI) sensing is a powerful noninvasive and label-free sensing technique for the identification, detection and monitoring of microfluidic samples with a wide range of possible sensor designs such as interferometers and resonators 1,2. Most of the existing RI sensing applications focus on biological materials in aqueous solutions in visible and IR frequencies, such as DNA hybridization and genome sequencing. At terahertz frequencies, applications include quality control, monitoring of industrial processes and sensing and detection applications involving nonpolar materials.
Several potential designs for refractive index sensors in the terahertz regime exist, including photonic crystal waveguides 3, asymmetric split-ring resonators 4, and photonic band gap structures integrated into parallel-plate waveguides 5. Many of these designs are based on optical resonators such as rings or cavities. The resonant frequencies of these structures are dependent on the refractive index of the material in or around the resonator. By monitoring the shifts in resonant frequency the refractive index of a sample can be accurately measured and this in turn can be used to identify a material, monitor contamination or dilution, etc.
The sensor design we use here is based on a simple parallel-plate waveguide 6,7. A rectangular groove machined into one face acts as a resonant cavity (Figures 1 and 2). When terahertz radiation is coupled into the waveguide and propagates in the lowest-order transverse-electric (TE1) mode, the result is a single strong resonant feature with a tunable resonant frequency that is dependent on the geometry of the groove 6,8. This groove can be filled with nonpolar liquid microfluidic samples which cause a shift in the observed resonant frequency that depends on the amount of liquid in the groove and its refractive index 9.
Our technique has an advantage over other terahertz techniques in its simplicity, both in fabrication and implementation, since the procedure can be accomplished with standard laboratory equipment without the need for a clean room or any special fabrication or experimental techniques. It can also be easily expanded to multichannel operation by the incorporation of multiple grooves 10. In this video we will describe our complete experimental procedure, from the design of the sensor to the data analysis and determination of the sample refractive index.

The procedure for implementing a refractive index sensor for terahertz frequencies based on a grooved parallel-plate waveguide geometry is described here. The method yields a measurement of the refractive index of a small volume of liquid through monitoring of the shift in the resonant frequency of the waveguide structure

Terahertz Microfluidic Sensing mit einem Parallel-Platte Waveguide Sensor

Refractive index (RI) sensing is a powerful noninvasive and label-free sensing technique for the identification, detection and monitoring of microfluidic ...

Forschung

Ingenieurwesen

Fabrication, Operation and Flow Visualization in Surface-acoustic-wave-driven Acoustic-counterflow Microfluidics

Surface acoustic waves (SAWs) can be used to drive liquids in portable microfluidic chips via the acoustic counterflow phenomenon. In this video we present the fabrication protocol for a multilayered SAW acoustic counterflow device. The device is fabricated starting from a lithium niobate (LN) substrate onto which two interdigital transducers (IDTs) and appropriate markers are patterned. A polydimethylsiloxane (PDMS) channel cast on an SU8 master mold is finally bonded on the patterned substrate. Following the fabrication procedure, we show the techniques that allow the characterization and operation of the acoustic counterflow device in order to pump fluids through the PDMS channel grid. We finally present the procedure to visualize liquid flow in the channels. The protocol is used to show on-chip fluid pumping under different flow regimes such as laminar flow and more complicated dynamics characterized by vortices and particle accumulation domains.

In this video we first describe fabrication and operation procedures of a surface acoustic wave (SAW) acoustic counterflow device. We then demonstrate an experimental setup that allows for both qualitative flow visualization and quantitative analysis of complex flows within the SAW pumping device.

Fabrication, Operation and Flow Visualization in Oberflächenschallwellen-wave-driven Acoustic-Gegenstrom Mikrofluidik

Surface acoustic waves (SAWs) can be used to drive liquids in portable microfluidic chips via the acoustic counterflow phenomenon. In this video we ...

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological and physical sciences over the past few decades. The progress made in this field invites further study of even smaller systems and at a larger scale, with tools that could be distributed more easily and made more widely available. Unfortunately, the fundamental laws of diffraction limit the minimum size of the focal spot of a laser beam, which makes particles smaller than a half-wavelength in diameter hard to trap and generally prevents an operator from discriminating between particles which are closer together than one half-wavelength. This precludes the optical manipulation of many closely-spaced nanoparticles and&#160;limits the&#160;resolution of optical-mechanical systems. Furthermore, manipulation using focused beams requires beam-forming or steering optics, which can be very bulky and expensive. To address these limitations in the system scalability of conventional optical trapping our lab has devised an alternative technique which utilizes near-field optics to move particles across a chip. Instead of focusing laser beams in the far-field, the optical near field of plasmonic resonators produces the necessary local optical intensity enhancement to overcome the restrictions of diffraction and manipulate particles at higher resolution. Closely-spaced resonators produce strong optical traps which can be addressed to mediate the hand-off of particles from one to the next in a conveyor-belt-like fashion. Here, we describe how to design and produce a conveyor belt using a gold surface patterned with plasmonic C-shaped resonators and how to operate it with polarized laser light to achieve super-resolution nanoparticle manipulation and transport. The nano-optical conveyor belt chip can be produced using lithography techniques and easily packaged and distributed.

The scalability and resolution of conventional optical manipulation techniques are limited by diffraction. We circumvent the diffraction limit and describe a method of optically transporting nanoparticles across a chip using a gold surface patterned with a path of closely spaced C-shaped plasmonic resonators.

Herstellung und Betrieb eines Nano-Optical Fließband

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological ...

Fabrication and Operation of Acoustofluidic Devices Supporting Bulk Acoustic Standing Waves for Sheathless Focusing of Particles

Acoustophoresis refers to the displacement of suspended objects in response to directional forces from sound energy. Given that the suspended objects must be smaller than the incident wavelength of sound and the width of the fluidic channels are typically tens to hundreds of micrometers across, acoustofluidic devices typically use ultrasonic waves generated from a piezoelectric transducer pulsating at high frequencies (in the megahertz range). At characteristic frequencies that depend on the geometry of the device, it is possible to induce the formation of standing waves that can focus particles along desired fluidic streamlines within a bulk flow. Here, we describe a method for the fabrication of acoustophoretic devices from common materials and clean room equipment. We show representative results for the focusing of particles with positive or negative acoustic contrast factors, which move towards the pressure nodes or antinodes of the standing waves, respectively. These devices offer enormous practical utility for precisely positioning large numbers of microscopic entities (e.g., cells) in stationary or flowing fluids for applications ranging from cytometry to assembly.

Acoustofluidic devices use ultrasonic waves within microfluidic channels to manipulate, concentrate and isolate suspended micro and nanoscopic entities. This protocol describes the fabrication and operation of such a device supporting bulk acoustic standing waves to focus particles in a central streamline without the aid of sheath fluids.

Herstellung und Betrieb von Acoustofluidic Devices Unterstützung Bulk-Acoustic-Standing Waves für sheathless Fokussierung der Partikel

Acoustophoresis refers to the displacement of suspended objects in response to directional forces from sound energy. Given that the suspended objects must ...

Colloidal Synthesis of Nanopatch Antennas for Applications in Plasmonics and Nanophotonics

We present a method for colloidal synthesis of silver nanocubes and the use of these in combination with a smooth gold film, to fabricate plasmonic nanoscale patch antennas. This includes a detailed procedure for the fabrication of thin films with a well-controlled thickness over macroscopic areas using layer-by-layer deposition of polyelectrolyte polymers, namely poly(allylamine) hydrochloride (PAH) and polystyrene sulfonate (PSS). These polyelectrolyte spacer layers serve as a dielectric gap in between silver nanocubes and a gold film. By controlling the size of the nanocubes or the gap thickness, the plasmon resonance can be tuned from about 500 nm to 700 nm. Next, we demonstrate how to incorporate organic sulfo-cyanine5 carboxylic acid (Cy5) dye molecules into the dielectric polymer gap region of the nanopatch antennas. Finally, we show greatly enhanced fluorescence of the Cy5 dyes by spectrally matching the plasmon resonance with the excitation energy and the Cy5 absorption peak. The method presented here enables the fabrication of plasmonic nanopatch antennas with well-controlled dimensions utilizing colloidal synthesis and a layer-by-layer dip-coating process with the potential for low cost and large-scale production. These nanopatch antennas hold great promise for practical applications, for example in sensing, ultrafast optoelectronic devices and for high-efficiency photodetectors.

A protocol for the colloidal synthesis of silver nanocubes and fabrication of plasmonic nanoscale patch antennas with sub-10 nm gaps is presented.

Kolloidales Synthese von Nanopatch Antennen für Anwendungen in Plasmonics und Nanophotonics

We present a method for colloidal synthesis of silver nanocubes and the use of these in combination with a smooth gold film, to fabricate plasmonic ...

Femtosecond Laser Filaments for Use in Sub-Diffraction-Limited Imaging and Remote Sensing

Probing remote matter with laser light is a ubiquitous technique used in circumstances as diverse as laser-induced breakdown spectroscopy and barcode scanners. In classical optics, the intensity that can be brought to bear on a remote target is limited by the spot size of the laser at the distance of the target. This spot size has a lower bound determined by the diffraction limit of classical optics. However, amplified femtosecond laser pulses generate intensity sufficient to modify the refractive index of the ambient air and undergo self-focusing. This self-focusing effect leads to the generation of highly intense laser filaments which maintain their intensity and small sub-millimeter diameter size at distances well beyond the classical Rayleigh length. Such intensity provides the capability of remote scanning, imaging, sensing, and spectroscopy with enhanced spatial resolution. We describe a technique for generating filaments with a femtosecond regenerative chirped-pulse amplifier, and for using the resulting filament to conduct imaging and spectroscopic measurements at remote distances of at least several meters.

High-intensity femtosecond pulses of laser light can undergo cycles of Kerr self-focusing and plasma defocusing, propagating an intense sub-millimeter-diameter beam over long distances. We describe a technique for generating and using these filaments to perform remote imaging and sensing beyond the classical diffraction limits of linear optics.

Femtosekunden-Laser-Filamente für den Einsatz in Sub-Diffraction-Limited Bildgebung und Fernerkundung

Probing remote matter with laser light is a ubiquitous technique used in circumstances as diverse as laser-induced breakdown spectroscopy and barcode ...

Infrared Degenerate Four-wave Mixing with Upconversion Detection for Quantitative Gas Sensing

We present a protocol for performing gas spectroscopy using infrared degenerated four-wave mixing (IR-DFWM), for the quantitative detection of gas species in the ppm-to-single-percent range. The main purpose of the method is the spatially resolved detection of low-concentration species, which have no transitions in the visible or near-IR spectral range that could be used for detection. IR-DFWM is a nonintrusive method, which is a great advantage in combustion research, as inserting a probe into a flame can change it drastically. The IR-DFWM is combined with upconversion detection. This detection scheme uses sum-frequency generation to move the IR-DFWM signal from the mid-IR to the near-IR region, to take advantage of the superior noise characteristics of silicon-based detectors. This process also rejects most of the thermal background radiation. The focus of the protocol presented here is on the proper alignment of the IR-DFWM optics and on how to align an intracavity upconversion detection system.

Here, we present a protocol to perform sensitive, spatially resolved gas spectroscopy in the mid-infrared region, using degenerate four-wave mixing combined with upconversion detection.

Infrarot-entartete vier-Welle mischen mit Großbildschirmen Erkennung für Quantitative Gassensorik

We present a protocol for performing gas spectroscopy using infrared degenerated four-wave mixing (IR-DFWM), for the quantitative detection of gas species ...

Synthesis, Functionalization, and Characterization of Fusogenic Porous Silicon Nanoparticles for Oligonucleotide Delivery

With the advent of gene therapy, the development of an effective in vivo nucleotide-payload delivery system has become of parallel import. Fusogenic porous silicon nanoparticles (F-pSiNPs) have recently demonstrated high in vivo gene silencing efficacy due to its high oligonucleotide loading capacity and unique cellular uptake pathway that avoids endocytosis. The synthesis of F-pSiNPs is a multi-step process that includes: (1) loading and sealing of oligonucleotide payloads in the silicon pores; (2) simultaneous coating and sizing of fusogenic lipids around the porous silicon cores; and (3) conjugation of targeting peptides and washing to remove excess oligonucleotide, silicon debris, and peptide. The particle&#8217;s size uniformity is characterized by dynamic light scattering, and its core-shell structure may be verified by transmission electron microscopy. The fusogenic uptake is validated by loading a lipophilic dye, 1,1&#39;-dioctadecyl-3,3,3&#39;,3&#39;-tetramethylindocarbocyanine perchlorate (DiI), into the fusogenic lipid bilayer and treating it to cells in vitro to observe for plasma membrane staining versus endocytic localizations. The targeting and in vivo gene silencing efficacies were previously quantified in a mouse model of Staphylococcus aureus pneumonia, in which the targeting peptide is expected to help the F-pSiNPs to home to the site of infection. Beyond its application in S. aureus infection, the F-pSiNP system may be used to deliver any oligonucleotide for gene therapy of a wide range of diseases, including viral infections, cancer, and autoimmune diseases.

We demonstrate the synthesis of fusogenic porous silicon nanoparticles for effective in vitro and in vivo oligonucleotide delivery. Porous silicon nanoparticles are loaded with siRNA to form the core, which is coated by fusogenic lipids through extrusion to form the shell. Targeting moiety functionalization and particle characterization are included.

Synthese, Funktionalisierung und Charakterisierung von Fusogenic poröses Silizium-Nanopartikeln für Oligonukleotid-Lieferung

With the advent of gene therapy, the development of an effective in vivo nucleotide-payload delivery system has become of parallel import. Fusogenic ...

Robotic Sensing and Stimuli Provision for Guided Plant Growth

Robot systems are actively researched for manipulation of natural plants, typically restricted to agricultural automation activities such as harvest, irrigation, and mechanical weed control. Extending this research, we introduce here a novel methodology to manipulate the directional growth of plants via their natural mechanisms for signaling and hormone distribution. An effective methodology of robotic stimuli provision can open up possibilities for new experimentation with later developmental phases in plants, or for new biotechnology applications such as shaping plants for green walls. Interaction with plants presents several robotic challenges, including short-range sensing of small and variable plant organs, and the controlled actuation of plant responses that are impacted by the environment in addition to the provided stimuli. In order to steer plant growth, we develop a group of immobile robots with sensors to detect the proximity of growing tips, and with diodes to provide light stimuli that actuate phototropism. The robots are tested with the climbing common bean, Phaseolus vulgaris, in experiments having durations up to five weeks in a controlled environment. With robots sequentially emitting blue light-peak emission at wavelength 465 nm-plant growth is successfully steered through successive binary decisions along mechanical supports to reach target positions. Growth patterns are tested in a setup up to 180 cm in height, with plant stems grown up to roughly 250 cm in cumulative length over a period of approximately seven weeks. The robots coordinate themselves and operate fully autonomously. They detect approaching plant tips by infrared proximity sensors and communicate via radio to switch between blue light stimuli and dormant status, as required. Overall, the obtained results support the effectiveness of combining robot and plant experiment methodologies, for the study of potentially complex interactions between natural and engineered autonomous systems.

Distributed robot nodes provide sequences of blue light stimuli to steer the growth trajectories of climbing plants. By activating natural phototropism, the robots guide the plants through binary left-right decisions, growing them into predefined patterns that by contrast are not possible when the robots are dormant.

Robotic Sensing und Stimuli-Regelung für geführtes Pflanzenwachstum

Robot systems are actively researched for manipulation of natural plants, typically restricted to agricultural automation activities such as harvest, ...

Operation of the Collaborative Composite Manufacturing (CCM) System

The automated tape placement and the automated fiber placement (AFP) machines provide a safer working environment and reduce the labor intensity of workers than the traditional manual fiber placement does. Thus, the production accuracy, repeatability and efficiency of composite manufacturing are significantly improved. However, the current AFP systems can only produce the composite components with large open surface or simple revolution parts, which cannot meet the growing interest in small complex or closed structures from industry.
In this research, by employing a 1-degree of freedom (DoF) rotational stage, a 6-RSS parallel robot, and a 6-DoF serial robot, the dexterity of the AFP system can be significantly improved for manufacturing complex composite parts. The rotational stage mounted on the parallel robot is utilized to hold the mandrel and the serial robot carries the placement head to mimic two human hands that have enough dexterity to lay the fiber to the mandrel with complex contour.
Although the CCM system increases the flexibility of composite manufacturing, it is quite time-consuming or even impossible to generate the feasible off-line path, which ensures uniform lay-up of subsequent fibers considering the constraints like singularities, collisions between the fiber placement head and mandrel, smooth fiber direction change and keeping the fiber placement head along the norm of the part&#39;s surface, etc. Moreover, due to the existing positioning error of the robots, the on-line path correction is needed. Therefore, the on-line pose correction algorithm is proposed to correct the paths of both parallel and serial robots, and to keep the relative path between the two robots unchanged through the visual feedback when the constraint or singularity problems in the off-line path planning occur. The experimental results demonstrate the designed CCM system can fulfill the movement needed for manufacturing a composite structure with Y-shape.

Operation of the Collaborative Composite Manufacturing CCM System

A collaborative composite manufacturing system is developed for robotic lay-up of composite laminates using the prepreg tape. The proposed system allows the production of composite laminates with high levels of geometrical complexity. The issues in the path planning, coordination of the robots and control are addressed in the proposed method.

Betrieb des Collaborative Composite Manufacturing (CCM) Systems

The automated tape placement and the automated fiber placement (AFP) machines provide a safer working environment and reduce the labor intensity of ...