Esta investigación fue financiada por NSERC, Canadá.

1. Preparación de los materiales <ol><li> Microcapilares Obtener capilares de sílice de un proveedor comercial. Compramos nuestros capilares de Tecnologías Polymicro. Elige un diámetro interno pequeño (~ 25 a 30 micras) para obtener más ampliamente separados resonancias espectrales (es decir, un mayor rango espectral libre) o un diámetro interno más grande (~ 100 m) para las resonancias más estrechamente espaciados con los factores de calidad más altos. Un diámetro exterior grande asegura la FCM son durables y fáciles de manipular. <ol><li> Los capilares vienen con una chaqueta de color poliimida, que primero debe ser eliminado. Cortar trozos de aproximadamente 10 cm de capilar del rollo, fibra de diamante cuchilla. Cada pieza constituye una sola muestra. Calentar éstos en un horno de tubo a 650 º C durante una hora en oxígeno para quemar el revestimiento. Este proceso elimina el material de la camisa, exponiendo el capilar de sílice en su interior. Después de enfriar a temperatura ambiente, eliminar el capillaries desde el barco calefacción. </li></ol></li><li> Hidrógeno silsesquioxano soluciones de silsesquioxano de hidrógeno (HSQ) se informa que consisten en H 12 O SI 8 12 moléculas con una estructura en forma de jaula. 14 Este material está disponible comercialmente de Dow Corning. Compre el HSQ en una de sus series de Fox-(óxido de fluido) soluciones, como Fox-15. Estas soluciones son caras y tienen una vida útil limitada, de manera cuidadosa planificación que se necesita. La evaporación del disolvente MIBK proporciona una concentración HSQ de aproximadamente 18% en peso. Si la concentración de HSQ es demasiado baja, los puntos cuánticos no se pueden formar en la película. Si es demasiado alta, las películas pueden ser demasiado grueso y delaminate de la superficie del canal capilar. En nuestra experiencia, para un capilar con un diámetro de 25-30 micras interior, una solución que contiene FOx ~ 25 en peso.% HSQ es mejor. Por lo tanto, puede ser necesario para evaporar o añadir más disolvente HSQ (asegurándose de que esté seco) con el fin de ajustar elconcentración. Si una dilución o concentración que es necesario es difícil de determinar sin ensayo y error, es decir, hacer algunas muestras y examinar los resultados, como se discute a continuación. </li></ol> 2. Fabricación de capilares revestidos <ol><li> Llenado del capilar Tome las piezas del capilar preparado en el paso 1.1 y sumergirlos en la solución de zorro. Cuando un capilar se sumerge en la solución, debe ser capaz de seguir visualmente el menisco hasta el canal, como la solución se introduce en el capilar (Figura 2a). <ol><li> Cuando el menisco alcance la parte superior, retire el tubo capilar y lo coloca en un crisol de vidrio recocido. Ahora debe estar completamente llena con solución zorro. Repita esto para el mayor número posible de muestras, para aumentar las posibilidades de éxito. Nos típicamente ejecutar lotes de 20-30 y utilizar dos diferentes concentraciones de soluciones HSQ en peso. Nos llenar los capilares en el aire, pero t mantenimientoFOx solución que se enfrió en una caja de guantes, se recomienda, si es posible, con el fin de minimizar la exposición de la solución al oxígeno y vapor de agua. Incluso exposiciones pequeñas pueden dar lugar a la gelificación de la solución. </li></ol></li><li> Recocido Recocer los capilares en un proceso de dos etapas. El recocido se evapora el disolvente y se derrumba la estructura de jaula HSQ, formando una película de SiO x adherirse a las paredes del canal. El recocido a temperaturas más altas desproporciona la película de SiO x en los puntos cuánticos de Si dispersado en una matriz de sílice. Los pasos de recocido incluyen una rampa 30-minuto desde temperatura ambiente hasta 300 ° C, una permanencia durante 3 horas para evaporar el disolvente, a continuación, una rampa a 1.100 ° C en 45 min, y una permanencia durante una hora para precipitar los puntos cuánticos. <ol><li> Deje que los capilares enfriar lentamente (~ 12 horas) a la temperatura ambiente. Esto ayuda a minimizar el estrés relacionados con el agrietamiento de la película depositada sobre la pared capilar. Otros protocolos de hibridación podríaprobablemente se seguirá y puede ser más fiable, pero una. alta temperatura de recocido etapa a 1.000-1.100 ° C siempre es necesario para formar los puntos cuánticos Al final de este paso, se debe (esperemos) tiene 20-30 capilares con una capa de puntos cuánticos fluorescentes incrustados en una matriz de sílice revestimiento paredes del canal. </li></ol></li></ol> 3. Caracterización <ol><li> Muestra comprobar el microscopio de fluorescencia en el que los capilares están montados deben realizar tanto imagen y espectroscopía en el rango de longitud de onda de 700-900 nm. Configuraciones de epifluorescencia o confocal son adecuados para este propósito. Colocar una fila de la candidato capilares en la etapa de modo que sea fácil de mover entre ellos para el análisis visual rápida (Figura 2b). Excitar el capilar con la radiación UV o azul, ya sea en el espacio libre en la platina del microscopio, o directamente a través de la lente del objetivo con un filtro dicroico y observe la imagen de fluorescencia utilizando los oculareso una cámara de color. <ol><li> Observar la fluorescencia capilar. Si la fabricación se ha realizado correctamente, los capilares se exhiben una fluorescencia de color rojo brillante. Esta es la primera indicación de una muestra favorable. Los capilares exhibiendo fluorescencia naranja-amarillo (en lugar del color rojo asociado con los puntos cuánticos), en general, no tienen las características ópticas deseadas. Estas muestras también tienden a formar más a menudo en soluciones con una concentración baja HSQ. Algunos capilares pueden mostrar fluorescencia en absoluto, en este caso la película QD no forma y el capilar se puede descartar (de vidrio sostenidos). Esto es una indicación de que la solución no puede haber penetrado en el capilar, o puede haber sido deficiente en HSQ. Por último, algunas muestras pueden mostrar una película agrietada o con textura, los cuales también pueden ser descartados. </li><li> Deseche todas las muestras mencionadas en el paso anterior, excepto aquellos que muestran el característico color rojo brillante fluorescencia de puntos cuánticos de silicio. </li></ol></li><li> Verificar la presencia de WGM en los espectros de fluorescencia Asegúrese de que la imagen está alineado como se desea en la rendija de entrada del espectrómetro y recoger un espectro de fluorescencia. Ajustar el tiempo de recogida a fin de producir una aceptable relación señal-ruido. Realizar calibraciones de longitud de onda e intensidad según se requiera. Los espectros de QD debe ser intenso en el intervalo de longitud de onda 700 a 900 nm. Spectra tomada de la región correspondiente a la pared interior capilar debe mostrar oscilaciones fuertes debido a la presencia de los modos de galería de susurro cilíndricos (WGM); este es el requisito segunda a la última de un sensor refractométrico éxito. <ol><li> Algunas muestras pueden tener una fluorescencia de color rojo brillante QD oscilaciones pero la falta de WGM en el espectro. Esta es una indicación de la película QD agrietado o deslaminado de la pared capilar, que destruye las resonancias ópticas. Deseche los capilares sin WGM. En este punto, sólo el (típicamente small) fracción de muestras que cumplen los requisitos de los sensores permanecen. Hay una prueba final a realizar. </li></ol></li><li> Análisis refractométrico Una el candidato capilares al polietileno, Tygon, teflón, u otro tubo químicamente compatible con las soluciones de analito destinados cuyo diámetro interior debe ser ligeramente mayor que el diámetro exterior capilar. La elección de la tubería debe realizarse de forma que no reaccione con las soluciones que se bombea en el capilar. <ol><li> Utilizar un buen pegamento para unir el vidrio capilar en el tubo, de lo contrario la interfaz del tubo capilar se escapará. Tenemos éxito razonablemente bien con Norland NOA-76 o gel Mascot adhesivo instantáneo. La elección de pegamento depende de su adherencia al vidrio capilar y el tubo, y una falta de reacción con los fluidos de canal. Tenga cuidado para evitar que el adhesivo penetre en el canal capilar y el bloqueo de la misma. </li><li> Interfaz del tubomediante una jeringa a un sistema micropumping. Los compuestos con índices de refracción bien conocidos tales como metanol, etanol, y agua se puede utilizar para determinar la sensibilidad refractométrico del dispositivo. Esta es la prueba definitiva de un sensor éxito. Bombear cada fluido, de uno en uno, en el capilar, asegurándose de no romper el sello adhesivo entre el capilar y el tubo (Figura 2c). </li><li> Recoger espectros con cada líquido en el interior del capilar. Utilizar un analizador en la trayectoria de la luz para distinguir entre TE-polarizadas WGM (paralelo analizador capilar eje) y TM-polarizadas WGMS (perpendicular al analizador capilar eje). Debe haber un cambio en la longitud de onda de las resonancias WGM, TE o TM, con cada solución diferente en el capilar. Si no hay ningún cambio observable, la película de puntos cuánticos es demasiado grueso y los WGM no suficientemente muestras del medio del canal. En las muestras de éxito observamos sensibilidades típicamente entre 5 y 15 nmpor unidad de índice de refracción solución (RIU). Casi todas las muestras que hacer WGM muestran demostrar una sensibilidad medible, sin embargo, normalmente sólo una fracción pequeña de preparado capilares se muestran WGM. </li></ol></li></ol> 4. Análisis de Datos <ol><li> La obtención de los espectros de fluorescencia Tome un espectro de la fluorescencia de la muestra. Para aplicaciones de biosensores, la superficie del canal tiene primero que ser funcionalizado para analitos específicos. La superficie de la película QD es esencialmente sílice, por lo que muchas recetas de modificación de la superficie existe. Independientemente de la aplicación, el paso final es el procesamiento y análisis de datos. <ol><li> El logro de los límites de detección bajos requiere medir pequeños cambios espectrales, idealmente la &quot;resolución cambio&quot; debe ser significativamente menor que la resolución del espectrómetro nominal o el tono. Se debe tener cuidado en el procesamiento espectral debido a esto. En particular, el espectrómetro de imágenes de muchoss del espectro no se proyectan perfectamente horizontal sobre el CCD, por lo que si, entre los análisis, la imagen de muestra se desplaza verticalmente en la ranura, falsos desplazamientos espectrales se pueden obtener. Utilizar cualquier medio necesario para garantizar que esto no suceda, por ejemplo, utilizar un estándar de calibración para determinar el ángulo del espectro proyectada y corregir por ello, minimizar la deriva de la muestra, y asegurarse de que los mismos píxeles del CCD se utilizan para obtener todos los espectros . Una imagen espectral ejemplo se muestra en la Figura 3, donde los modos de aparecer como fuertes oscilaciones en los lugares correspondientes a las paredes del canal. Utilice un código de Mathematica ordenador (o lo que su grupo prefiere) para importar las imágenes espectrales, salida de los datos del espectro 1D, y realizar el ajuste de curvas y análisis de Fourier de los turnos de WGM, como se describe a continuación. </li></ol></li><li> El ajuste de curvas Determinar la longitud de onda máxima WGM para medir pequeños cambios espectrales debido a analitos in el canal FCM. Montar un solo modo a una función que describe la forma espectral - esta es una forma común de obtener la posición del pico. En el caso ideal, esta será una función de Lorentz (con la correcta conversión de longitud de onda a través de unidades de frecuencia δλ = │-cδf / f 2 │ donde c es la velocidad de la luz): <img src="/files/ftp_upload/50256/50256eq1.jpg" alt="Ecuación 1" fo:content-width="2in" fo:src="/files/ftp_upload/50256/50256eq1highres.jpg" /> En la ecuación. 1, A es un parámetro de escala y f 0 es la frecuencia central. Desafortunadamente, FCMs no son un caso ideal. <ol><li> En las cavidades cilíndricas WGM están sesgados hacia frecuencias más altas, debido probablemente al desarrollo de resonancias en espiral (WGM con un componente axial no nula de el vector de onda). Lorentzian 15 encaja por lo tanto un bajo rendimiento para la determinación de la posición del pico. Desafortunadamente, no hay ninguna función then un ajuste de la distribución de Lorentzians superposición de las WGM espiral. En un trabajo anterior 16 se sugirió que una sesgada Lorentzian 17 daría un mejor ajuste: <img src="/files/ftp_upload/50256/50256eq2.jpg" alt="Ecuación 2" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50256/50256eq2highres.jpg" /> Aquí, a y b son parámetros de sesgo. Como se puede ver en la Figura 4, la ecuación. 2 da un mejor ajuste a los datos que la ec. 1, pero por desgracia, no tiene una base física en la teoría de WGM. </li></ol></li><li> El análisis de Fourier cambio Alternativamente, los datos pueden ser procesados ​​utilizando una transformada discreta de Fourier, y la fase correspondiente desplazamientos medido desde el espectro de Fourier. Este método se aprovecha de la periodicidad de todo el espectro, en lugar de utilizar un único WGM arbitraria. No mide la longitud de onda máxima posición, sino que mide un cambio globalde un espectro WGM dada con respecto a un espectro de referencia arbitrario. <ol><li> Utilice la diferencia de fase Δφ para el componente de alta potencia de Fourier que corresponde a la oscilación WGM espectral principal para obtener el desplazamiento espectral. Esto corresponde a un desplazamiento de frecuencia real de WGM: Df = Δφ (f max - f min) / (2πk), donde f min y max f son el mínimo y el máximo de frecuencia en el espectro. Sin embargo, mucha información puede ser desechado si sólo el componente principal se utiliza, adicionalmente, los problemas de truncamiento puede hacer que sea difícil determinar qué componente es la principal. A menudo, los mejores resultados requieren algún ensayo y error en cuanto a que componentes de Fourier para seleccionar. </li><li> El teorema de cambio en lugar utiliza todos los componentes de Fourier. Por consiguiente, para un cambio puro, cada componente individual se desplaza proporcional a k (con ksiendo el número de componente). En otras palabras, δφ k = mk, donde el m proporcionalidad es una medida del desplazamiento real. El cambio de frecuencia total viene dada por: Df = m (f max - min f) / (2π). Esto requiere m que se obtiene de un ajuste lineal a las diferencias de fase ΔΦ k para todos o algunos de los componentes de Fourier. </li><li> Para los datos reales, la relación lineal ΔΦ k = mk tendrá incertidumbre debida a la señal de ruido y el fondo, que puede tener un efecto significativo en los componentes de baja potencia de Fourier. Por lo tanto, se recomienda un ajuste lineal ponderada, en el que el peso de cada componente es proporcional a su potencia, con el fin de obtener la pendiente de la vs ΔΦ k k gráfico. El espectro se pueden filtrar alrededor del componente principal antes de su colocación, para eliminar las frecuencias altas (noise) y bajas frecuencias (desacoplado de fluorescencia de fondo). La frecuencia cambia de la ecuación. 4 se convierte entonces en unidades de longitud de onda. </li><li> A diferencia del caso para el ajuste de la curva, una WGM &quot;longitud de onda&quot; nunca se obtiene, pero en su lugar un cambio de longitud de onda se mide todo el espectro con respecto a un espectro de referencia arbitrario. El procedimiento se repite entonces para cada espectro a analizar. Los pasos de este procedimiento son como sigue: <ol><li> Convertir los espectros en unidades de frecuencia para asegurar un constante rango espectral libre. </li><li> Seleccione el conjunto de datos de referencia (es decir, la primera WGM espectro de fluorescencia) de la que todos los turnos serán medidos. </li><li> Interpolar los espectros de frecuencia para obtener espaciamiento uniforme 18. </li><li> Realizar una transformada discreta de Fourier para obtener los componentes de potencia y fase de cada espectro. </li><li> Encuentra las diferencias de fase para todos los componentes de un k dado WGMespectro para la que el valor del desplazamiento se desea, con respecto al espectro de referencia. </li><li> Encontrar el desplazamiento de fase utilizando la diferencia de fase de bien el componente de Fourier principal solamente, o un ajuste lineal ponderada de los componentes seleccionados. Esto le dará al Df desplazamiento de fase o δλ entre el espectro de WGM y el espectro de referencia. </li><li> Los errores en los desplazamientos espectrales (el límite de detección) se puede medir mediante la recopilación de espectros repetidas para el mismo analito. Una incertidumbre en la sensibilidad se puede obtener a partir del error en los ajustes lineales ponderados, si se utilizan múltiples componentes. </li></ol></li></ol></li></ol> Repita los pasos 1-7 para cada análisis. Aunque este procedimiento parece complicado, después de la aplicación inicial del procedimiento es fácil de automatizar, de forma que los conjuntos de datos grandes puede ser procesado por lotes para encontrar los turnos. Utilizamos un código de Mathematica escrito específicamente for este procedimiento, a fin de que los conjuntos de datos completos pueden ser procesadas por lotes &quot;con sólo pulsar un botón&quot;. En principio, los desplazamientos espectrales incluso se puede calcular &quot;en vivo&quot;, a pesar de que no lo ha hecho todavía.

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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>

No tenemos nada que revelar.

Fluorescente de núcleo microcavidades se puede utilizar como sensores refractometría. Aunque hay ejemplos aislados de &quot;enrolladas&quot; microtubos que podrían actuar como sensores de microfluidos, en comparación con 22 microtubos, capilares será más fácil de integrar en las configuraciones de microfluidos y tienen considerables ventajas prácticas, ya que son fáciles de manejar y fácil de interfaz con un análisis configuración. Usando métodos convencionales de análisis de Fourier, los despla...

Químicos sistemas de detección que requieren volúmenes de muestra pequeños y que sólo se pueden incorporar en dispositivos de mano o campo operable-podría conducir al desarrollo de una amplia gama de nuevas tecnologías. Estas tecnologías podrían incluir diagnósticos sobre el terreno de las enfermedades y agentes patógenos, contaminantes ambientales 1, 2 y de seguridad alimentaria. 3 Varias tecnologías están siendo exploradas por sensores químicos de microfluidos, con dispositivos basados ​​en la física de las resonancias de plasmones superficiales (SPR), entre los más avanzados. 4 Estos sensores son ahora capaces de detectar muchas biomoléculas específicas y han logrado el éxito comercial, aunque principalmente como equipo de laboratorio a gran escala. 5 En los últimos años, han aumentado microcavidades ópticas para competir con los sistemas basados ​​en SPR. Microcavidades puede ser increíblemente sensible, con capacidad demostrada para detectar virus individuales 6 y tal vez incluso biomoléculas individuales <shasta&gt; 7 (este último sigue siendo objeto de debate, 8 sin embargo no hay duda de que los límites de detección de masas son pequeños 9). En microcavidades, el mecanismo de detección se basa en los cambios en las resonancias ópticos causados ​​por la presencia de un analito en el perfil de campo eléctrico de la resonancia. Típicamente, un analito dado causará la resonancia a cambios en la frecuencia central, la visibilidad, o ancho de línea. Como con los sistemas de SPR, microcavidades puede actuar como no específicos sensores refractometría, o funcionalizados como biosensores para un análisis específico. Microestructuras dieléctrico con una sección transversal circular (por ejemplo, microesferas, discos o cilindros) se caracterizan por fenómenos de resonancia electromagnéticos conocidos como los modos de galería susurrante, o WGMS, un término que se remonta a Lord Rayleigh investigaciones de los efectos acústicos análogos. 10 Esencialmente, un WGM óptico ocurre cuando una onda circumnavigates la circular sección por reflexión interna total, y vuelve a su punto de partida en fase. Un ejemplo de una resonancia electromagnética para una microesfera de sílice se ilustra en la Figura 1a. Esta resonancia se caracteriza por un máximo en la dirección radial (n = 1), mientras que un total de 53 longitudes de onda se ajuste alrededor del ecuador (l = 53), sólo algunas de las cuales se muestran. La parte evanescente de la intensidad de campo se extiende en el medio fuera de los límites esfera, por lo que la WGM microesfera puede detectar el medio externo. Los capilares son un ejemplo especialmente interesante de un sensor basado en WGM. En una WGM capilares cilíndricos, pueden formarse alrededor de la sección transversal circular, similar al caso de una esfera. Si la pared del capilar es muy delgada, parte del campo electromagnético se extiende en el canal capilar (Figura 1b). Por lo tanto, un capilar puede ser un sensor de microfluidos para analitos inyectados en el canal. Esta es la bAsís de funcionamiento del anillo de núcleo líquido resonador óptico (LCORR). 11 LCORRs se basan en el acoplamiento evanescente de la luz de una fuente láser sintonizable precisión para sondear los WGM. Un aspecto importante de la LCORR es que las paredes de los capilares deben ser finas (~ 1 m) para asegurar que las muestras del modo del medio del canal. Esto coloca algunas dificultades en su fabricación y hace que sean mecánicamente frágiles. En nuestro trabajo, hemos desarrollado una estructura alternativa que llamamos un microcavidad núcleo fluorescente (FCM). 12,13 Para formar un FCM, que recubren las paredes de los canales de un capilar con un fluoróforo de alto índice de refracción (en concreto, una capa de óxido de silicio integrados puntos cuánticos). El alto índice de la película es necesario para confinar la radiación emitida, a fin de constituir los WGM (Figura 1c). En contraste con la LCORR, en un FCM los modos aparecen como máximos agudos en el espectro de fluorescencia emitida. El espesor de lapelícula es sumamente importante, y si es demasiado gruesa la WGM no muestrea el medio en el canal capilar, y si es demasiado delgada el confinamiento óptico se pierde y las WGM se debilitan. Por lo tanto, la fabricación de un FCM es un proceso difícil, que requiere una cuidadosa preparación. Este es el tema principal del documento actual.

<table border="1"><tbody><tr><td> Tabla de Materiales </td><td> Empresa </td><td> Catálogo </td><td> Comentarios </td></tr><tr><td> sílice microcapilares </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> tubos flexibles microbore </td><td></td><td></td><td> polietileno, Tygon, etc </td></tr><tr><td> adhesivo </td><td> Mascot, Norland NOA </td><td></td><td></td></tr><tr><td> HSQ disolvió en MIBK </td><td></td><td></td><td> por ejemplo., FOX-15 </td></tr><tr><td> metanol </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> etanol </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> agua destilada </td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table> Tabla 1. Lista de los materiales utilizados.

synthesis and operation of fluorescent-core microcavities for refractometric sensing

Este documento discute fluorescentes basados ​​en el núcleo microcavidad-sensores que pueden operar en una configuración de análisis de microfluidos. Estas estructuras están basadas en la formación de un fluorescente de puntos cuánticos (QD) de revestimiento sobre la superficie de un canal convencional microcapilar. Puntos cuánticos de silicio son especialmente atractivos para esta aplicación, debido en parte a su toxicidad insignificante comparado con el II-VI y II-VI puntos cuánticos compuestos, que son legislativamente sustancias controladas en muchos países. Mientras que el espectro de emisión del conjunto es ancha y, una película de Si-QD en la pared del canal de una serie de características capilares de un conjunto de picos agudos, estrechos en el espectro de fluorescencia, correspondiente a las resonancias electromagnéticas para luz atrapada dentro de la película. La longitud de onda máxima de estas resonancias es sensible al medio externo, lo que permite que el dispositivo funcione como un sensor de refracción en el que los puntos cuánticos nunca entran en contacto físico con el analito. La experimentalmétodos asociados con la fabricación de los microcapilares fluorescente de núcleo se discuten en detalle, así como los métodos de análisis. Finalmente, se hace una comparación entre estas estructuras y los más ampliamente investigado líquido de núcleo resonadores anillo óptico, en términos de capacidades de detección de microfluidos.

Las pequeñas desviaciones en el procedimiento de fabricación capilar puede conducir a cambios significativos en la tasa de éxito de la muestra. En la Figura 5 (ad), se muestran ejemplos representativos de no capilares, así como un éxito. Generalmente, la indicación visual de una muestra de éxito es una fluorescencia de color rojo combinado con una alta intensidad en las paredes de los capilares y un interior sin rasgos. El espectro de fluorescencia también indica claramente la diferencia entre e...

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Synthesis and Operation of Fluorescent-core Microcavities for Refractometric Sensing

Fluorescente-core sensores microcavidad emplean un alto índice de puntos cuánticos de revestimiento en el canal de sílice microcapilares. Los cambios en el índice de refracción del fluido bombeado en la causa canal capilar se desplaza en el espectro de fluorescencia microcavidad que se puede utilizar para analizar el medio de canal.

Síntesis y funcionamiento de los núcleos fluorescentes microcavidades de Percepción refractométrico

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 vistas.  University of Alberta. Fluorescente-core sensores microcavidad emplean un alto índice de puntos cuánticos de revestimiento en el canal de sílice microcapilares. Los cambios en el índice de refracción del fluido bombeado en la causa canal capilar se desplaza en el espectro de fluorescencia microcavidad que se puede utilizar para analizar el medio de canal.

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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 microfluídicos detección utilizando un sensor de guía de ondas de placas paralelas

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

Investigación

Ingeniería

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.

Fabricación, operación y visualización del flujo en la superficie-acústico de ondas impulsadas Microfluídica Acústica contraflujo

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.

Fabricación y operación de una banda transportadora nano-óptica

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.

Fabricación y funcionamiento de los dispositivos de apoyo a granel Acoustofluidic ondas acústicas pie para Sheathless Centrándose de partículas

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.

Coloidal Síntesis de Nanopatch antenas para aplicaciones en Plasmonics y Nanofotónica

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.

Filamentos de láser de femtosegundo para su uso en proyección de imagen de Sub-Diffraction-Limited y teledetección

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.

Onda de cuatro degenerados infrarrojo mezcla con detección de Upconversion para detección cuantitativa de Gas

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.

Síntesis, funcionalización y caracterización de nanopartículas de silicio poroso fusogénicas para entrega de oligonucleótidos

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.

Suministro de sensistes y de sinensistes para el crecimiento guiado de la planta

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.

Operación del Sistema de Fabricación Colaborativa compuesta (CCM)

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