Cette recherche a été financée par le CRSNG, le Canada.

1. Préparation des matériaux <ol><li> Microcapillaires Obtenir capillaires de silice à partir d&#39;un fournisseur commercial. Nous achetons notre capillaires de Polymicro Technologies. Choisir un petit diamètre intérieur (~ 25 à 30 pm) pour plus éloignés les uns des résonances spectrales (par exemple plus d&#39;une plage spectrale libre) ou d&#39;un plus grand diamètre interne (~ 100 pm) pour les résonances plus étroitement espacées avec des facteurs de qualité supérieure. Un grand diamètre extérieur assure les FCMs sont durables et faciles à manipuler. <ol><li> Les capillaires sont livrés avec une couleur polyimide veste, qui doit d&#39;abord être retiré. Couper des morceaux d&#39;environ 10 cm de capillaire du rouleau, à l&#39;aide de fibre de diamant couperet. Chaque pièce constitue un seul échantillon. Chauffer ceux-ci dans un four tubulaire à 650 ° C pendant une heure dans de l&#39;oxygène pour brûler le revêtement. Ce procédé élimine le matériau de la gaine, ce qui expose le capillaire de silice à l&#39;intérieur. Après refroidissement à température ambiante, retirez le capillaries du bateau de chauffage. </li></ol></li><li> L&#39;hydrogène silsesquioxane d&#39;hydrogène solutions silsesquioxane (HSQ) est signalé consistent H 12 Si 8 O 12 molécules avec une structure en forme de cage. 14 Ce matériau est commercialisé par Dow Corning. Acheter le HSQ dans un de ses Fox-série (oxyde de fluide) solutions, comme le renard-15. Ces solutions sont coûteuses et ont une durée de vie limitée, donc une planification minutieuse est nécessaire. L&#39;évaporation du solvant MIBK fournit une concentration HSQ d&#39;environ 18% en poids. Si la concentration est trop faible HSQ, les points quantiques peuvent pas se former dans le film. Si elle est trop élevée, les films peuvent être trop épais et se décoller de la surface de canal capillaire. Dans notre expérience, pour un capillaire d&#39;un diamètre de 25 à 30 um intérieure, une solution contenant environ 25 FOx poids.% HSQ est le meilleur. Ainsi, il peut être nécessaire d&#39;évaporer ou ajouter plus HSQ solvant (s&#39;assurer qu&#39;il est bien sec) afin de régler laconcentration. Que ce soit une dilution ou de concentration qui est nécessaire est difficile à déterminer sans tâtonnements, c&#39;est à dire faire des échantillons et examiner les résultats, comme nous le verrons ci-dessous. </li></ol> 2. Fabrication d&#39;enduit capillaires <ol><li> Remplir le capillaire Prenez les morceaux de capillaire préparé à l&#39;étape 1.1 et les tremper dans la solution Fox. Quand un capillaire est plongé dans la solution, vous devriez être en mesure de suivre visuellement au ménisque le canal, que la solution est aspirée dans le tube capillaire (Figure 2a). <ol><li> Lorsque le ménisque atteint le haut, retirer le tube capillaire et le placer dans un creuset en verre recuit. Il devrait maintenant être complètement rempli de solution Fox. Répétez cette opération pour que les échantillons que possible, afin d&#39;accroître les chances de succès. En général, nous exécuter des lots de 20-30 et utiliser deux différentes concentrations de solutions HSQ en poids. Nous remplissons les capillaires dans l&#39;air, mais t de maintienil FOx solution refroidie dans une boîte à gants est recommandé, si possible, afin de minimiser l&#39;exposition de la solution à oxygène et de vapeur d&#39;eau. Même de faibles expositions peuvent entraîner la gélification de la solution. </li></ol></li><li> Recuit Recuit les capillaires dans un processus en deux étapes. Recuit évapore le solvant et la structure s&#39;écroule cage HSQ, former un film de SiO x adhérant aux parois du canal. Recuit à des températures plus élevées dismute le film de SiO x dans les points quantiques de silicium dispersé dans une matrice de silice. Les étapes de recuit comprend une rampe 30-minute de la température ambiante à 300 ° C, un temps d&#39;arrêt pendant 3 heures pour évaporer le solvant, puis une rampe de 1.100 ° C en 45 min, et un temps d&#39;arrêt pendant une heure pour précipiter les boîtes quantiques. <ol><li> Laissez-le refroidir lentement capillaires (~ 12 h) retour à la température ambiante. Cela aide à réduire le stress liés à la fissuration du film déposé sur la paroi des capillaires. D&#39;autres protocoles de recuit pourraitprobablement suivre et peut être plus fiables, mais une haute température de recuit scène à 1000-1100 ° C est toujours nécessaire de former les boîtes quantiques. A la fin de cette étape, on devrait (j&#39;espère) ont 20-30 capillaires d&#39;une couche de points quantiques fluorescents noyé dans un enrobage de silice matrice du canal murs. </li></ol></li></ol> 3. Caractérisation <ol><li> Échantillonner vérifier le microscope à fluorescence sur lequel les capillaires sont montés tous les deux doivent effectuer l&#39;imagerie et de la spectroscopie dans la gamme de longueur d&#39;onde 700-900 nm. Configurations épifluorescence ou confocale sont appropriés à cet effet. Placez une rangée de capillaires candidat sur ​​la scène de sorte qu&#39;il est facile de circuler entre eux pour l&#39;analyse visuelle rapide (Figure 2b). Exciter le capillaire avec le rayonnement UV bleu ou soit dans l&#39;espace libre sur la platine du microscope, ou directement à travers l&#39;objectif en utilisant un filtre dichroïque, et d&#39;observer l&#39;image de fluorescence en utilisant les oculairesou une caméra couleur. <ol><li> Observer la fluorescence capillaire. Si la fabrication a été un succès, les capillaires se présentent une fluorescence rouge vif. C&#39;est la première indication d&#39;un échantillon favorable. Capillaires présentant une fluorescence jaune-orange (au lieu de la couleur rouge associée à des QDs) en général, ne possèdent pas les caractéristiques optiques souhaitées. Ces échantillons ont également tendance à former plus souvent des solutions à faible concentration HSQ. Certains capillaires peuvent présenter aucune fluorescence du tout, dans ce cas le film QD ne forment pas et le capillaire peut être mis au rebut (verre tranchants). Ceci est une indication que la solution peut ne pas avoir été aspiré dans le tube capillaire, ou il peut avoir été déficient en HSQ. Enfin, certains échantillons peuvent montrer un film fissuré ou texturé, ceux-ci peuvent également être mis au rebut. </li><li> Jetez tous les échantillons mentionnés à l&#39;étape précédente, sauf ceux qui montrent le brillant rouge caractéristique de fluorescence des QDs de silicium. </li></ol></li><li> Vérifier la présence de WGMS dans les spectres de fluorescence Assurer l&#39;image est aligné à volonté sur la fente d&#39;entrée du spectromètre et recueillir un spectre de fluorescence. Ajuster le temps de collecte de manière à produire un signal acceptable sur bruit. Effectuer des étalonnages de longueur d&#39;onde et l&#39;intensité selon les besoins. Les spectres QD devrait être intense dans la gamme de longueur d&#39;onde 700 à 900 nm. Spectra prises de la région correspondant à la paroi interne du capillaire doit montrer de fortes oscillations dues à la présence des modes de galerie cylindriques (WGMS), ce qui est la seconde condition avant-dernier d&#39;un capteur de succès réfractométrique. <ol><li> Certains échantillons peuvent avoir une vive fluorescence rouge QD mais oscillations WGM manque dans le spectre. Ceci est une indication du film QD fissuré ou détachées de la paroi des capillaires, ce qui détruit les résonances optiques. Jeter capillaires sans WGMS. À ce stade, seul le (généralement small) la fraction des échantillons qui répondent aux exigences de capteurs restent. Il est une épreuve finale à réaliser. </li></ol></li><li> Analyse réfractométrique Fixer les capillaires candidat pour le polyéthylène, le Tygon, le téflon, ou autre tube chimiquement compatible avec les solutions d&#39;analytes destinés dont le diamètre intérieur doit être légèrement plus grand que le diamètre du capillaire extérieur. Le choix de la tubulure doit être faite de manière à ne pas réagir avec les solutions d&#39;être pompé dans le tube capillaire. <ol><li> Utilisez un bon adhésif pour fixer le capillaire en verre à la tubulure, sinon l&#39;interface capillaire tube fuira. Nous avons assez bon succès en utilisant Norland NOA-76 ou gel adhésif Mascot instantanée. Le choix de la colle dépend de son adhérence sur le verre et le tube capillaire, et une absence de réaction avec les fluides de canal. Prendre soin d&#39;éviter que la colle de s&#39;infiltrer dans le canal capillaire et le bloquer. </li><li> Interface de la tubulurepar l&#39;intermédiaire d&#39;une seringue à un système micropumping. Avec des indices de réfraction des composés bien connus tels que le méthanol, l&#39;éthanol, l&#39;eau et peut être utilisé pour déterminer la sensibilité du dispositif de réfraction. C&#39;est le test final d&#39;un capteur de succès. Pomper chaque fluide, une à la fois, dans le capillaire, en veillant à ne pas faire éclater le joint adhésif entre le capillaire et le tube de production (figure 2c). </li><li> Recueillir des spectres de chaque liquide à l&#39;intérieur du capillaire. Utiliser un analyseur dans la trajectoire de la lumière pour faire la distinction entre TE-polarisés (WGMS parallèle à l&#39;analyseur capillaire axe) et TM-polarisés (WGMS perpendiculaire à l&#39;analyseur capillaire axe). Il devrait y avoir un changement dans la longueur d&#39;onde des résonances WGM, soit TE ou TM, chaque solution différente dans le capillaire. S&#39;il n&#39;ya pas de changement observable, le film de points quantiques est trop épais et les WGMS ne prennent pas suffisamment goûter à la moyenne canal. Dans les échantillons de succès que nous observons sensibilités typiquement entre 5 et 15 nmpar unité de solution de l&#39;indice de réfraction (RIU). Presque tous les échantillons qui ne montrent WGMS démontrer une sensibilité mesurable, mais en général seulement une petite fraction des capillaires préparé montrera WGMS. </li></ol></li></ol> 4. Analyse des données <ol><li> Obtention des spectres de fluorescence Prenez un spectre de la fluorescence de l&#39;échantillon. Pour les applications de biodétection, la surface de canal doit d&#39;abord être fonctionnalisé pour des analytes spécifiques. La surface du film de silice est essentiellement QD, tant de recettes de modification de surface existent. Quel que soit l&#39;application, la dernière étape est le traitement des données et l&#39;analyse. <ol><li> La réalisation de faibles limites de détection nécessite la mesure de petites variations spectrales, idéalement la «résolution shift&quot; devrait être nettement inférieure à la résolution du spectromètre nominale ou pas. Il faut être prudent dans le traitement spectral pour cette raison. En particulier, le spectromètre imageur de nombreuxs le spectre ne peuvent être projetés parfaitement à l&#39;horizontale sur le CCD, donc si, entre les analyses, l&#39;image d&#39;échantillonnage dérive verticale sur la fente, faux décalages spectraux peuvent être obtenus. Utilisez tous les moyens nécessaires pour s&#39;assurer que cela ne se produise; par exemple utiliser un étalonnage standard pour déterminer l&#39;angle du spectre projeté et corriger pour elle, de minimiser la dérive de l&#39;échantillon, et veiller à ce que les mêmes pixels CCD sont utilisés pour obtenir tous les spectres . Un exemple d&#39;image spectrale est représenté sur la figure 3, où les modes apparaissent comme de fortes oscillations en des emplacements correspondant aux parois du canal. Utilisez un code Mathematica ordinateur (ou ce que votre groupe préfère) pour importer les images spectrales de sortie, les données spectrales 1D, et d&#39;effectuer un ajustement de courbe et de l&#39;analyse de Fourier des changements WGM, comme décrit ci-dessous. </li></ol></li><li> Ajustement de la courbe Déterminer la longueur d&#39;onde maximale WGM pour mesurer de petits décalages spectraux dus à des analytes in le canal de la FCM. Monter un mode unique à une fonction qui décrit la forme spectrale - c&#39;est un moyen courant d&#39;obtenir la position du pic. Dans le cas idéal, ce sera une fonction lorentzienne (avec conversion correcte de longueur d&#39;onde à des unités de fréquence via δλ = │-cδf / f 2 │ où c est la vitesse de la lumière): <img src="/files/ftp_upload/50256/50256eq1.jpg" alt="L&#39;équation 1" fo:content-width="2in" fo:src="/files/ftp_upload/50256/50256eq1highres.jpg" /> Dans l&#39;équation. 1, A est un paramètre d&#39;échelle et f 0 est la fréquence centrale. Malheureusement, les GCF ne sont pas un cas idéal. <ol><li> Dans les cavités cylindriques WGMS sont inclinées vers des fréquences plus élevées, en raison probablement de la mise au point de résonances spirale (WGMS ayant une composante non nulle du vecteur d&#39;onde axial). Lorentzienne 15 s&#39;adapte donc de mauvais résultats pour déterminer la position de crête. Malheureusement, il n&#39;existe pas de fonction es&#39;adapte à une distribution de Lorentzians chevauchent des WGMS spirale. Dans des travaux antérieurs 16, nous avons suggéré qu&#39;un asymétrique lorentzienne 17 serait un meilleur ajustement: <img src="/files/ftp_upload/50256/50256eq2.jpg" alt="Équation 2" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50256/50256eq2highres.jpg" /> Ici, une inclinaison et B sont des paramètres. Comme on peut le voir à la figure 4, Eq. 2 fait un meilleur ajustement aux données que Eq. 1, mais malheureusement il n&#39;a aucune base physique de la théorie des WGMS. </li></ol></li><li> Analyse de Fourier à décalage variante, les données peuvent être traitées en utilisant une transformée de Fourier discrète, et la phase correspondant décalages mesurés à partir du spectre de Fourier. Cette méthode tire parti de la périodicité de l&#39;ensemble du spectre, par opposition à l&#39;aide d&#39;un WGM arbitraire unique. Il ne mesure pas la position de longueur d&#39;onde maximale, mais les mesures au lieu d&#39;un changement globalun spectre de WGM donnée par rapport à un spectre de référence arbitraire. <ol><li> Utiliser la différence Δφ phase de la composante de Fourier de forte puissance qui correspond à l&#39;oscillation principale WGM spectrale, pour obtenir le changement spectral. Cela correspond à un décalage de fréquence réelle de WGM: Af = Δφ (f max - f min) / (2πk), où f min et f max est la fréquence minimale et maximale dans le spectre. Cependant, beaucoup d&#39;informations peuvent être éliminés si seul le composant principal est utilisé, en outre, les questions de troncature, il peut être difficile de déterminer quel composant est le principal. Souvent, les meilleurs résultats nécessitent quelques essais et erreurs quant aux composantes de Fourier pour sélectionner. </li><li> Le théorème de décalage utilise à la place de tous les composants de Fourier. En conséquence, pour un déplacement pur, chaque composant individuel est décalée proportionnel à k (avec kétant le nombre de composants). En d&#39;autres termes, δφ k = mk, où la proportionnalité m est une mesure de l&#39;évolution réelle. Le décalage de fréquence totale est donc donnée par: Af = m (f max - f min) / (2π). Ce qui nécessite d&#39;être m obtenue à partir d&#39;un ajustement linéaire à des différences de phase ΔΦ k pour tout ou partie des composantes de Fourier. </li><li> Pour les données réelles, la relation linéaire ΔΦ k = mk aura incertitude due au signal de bruit de fond et, ce qui peut avoir un effet significatif sur les composantes de Fourier de faible puissance. Ainsi, nous recommandons un ajustement linéaire pondérée, dans laquelle le poids de chaque composant est proportionnelle à sa puissance, afin d&#39;obtenir la pente de la ΔΦ k vs graphe k. Le spectre peut être filtrée à travers le composant principal avant le montage, retirer les deux hautes fréquences (nfréquences oise) et basse (découplé de fluorescence de fond). La fréquence passe de l&#39;équation. 4 sont ensuite convertis en unités de longueur d&#39;onde. </li><li> Contrairement au cas des ajustement de courbe, un WGM &quot;longueur d&#39;onde&quot; n&#39;est jamais obtenue, mais plutôt un changement de longueur d&#39;onde est mesurée sur l&#39;ensemble du spectre par rapport à un spectre de référence arbitraire. La procédure est alors répétée pour chaque spectre à analyser. Les étapes de cette procédure sont les suivantes: <ol><li> Autre spectres en unités de fréquence pour assurer une constante intervalle spectral libre. </li><li> Choisissez le jeu de données de référence (c.-à-WGM le premier spectre de fluorescence) à partir de laquelle toutes les équipes seront mesurés. </li><li> Interpoler les spectres d&#39;obtenir un espacement de fréquence uniforme 18. </li><li> Effectuer une transformée de Fourier discrète pour obtenir les composants de puissance et de phase de chaque spectre. </li><li> Trouvez les différences de phase pour tous les k composantes d&#39;un WGM donnéespectre pour lequel la valeur de décalage est souhaitée, en ce qui concerne le spectre de référence. </li><li> Trouver le décalage de phase en utilisant la différence de phase de la composante de Fourier supporte principal uniquement, ou une forme linéaire pondérée des composants sélectionnés. Cela vous donnera l&#39;Af déphasage ou δλ entre le spectre de WGM et le spectre de référence. </li><li> Les erreurs affectant les décalages spectraux (au seuil de détection) peut être mesurée par la collecte de spectres répétée pour le même analyte. Une incertitude sur la sensibilité peut être obtenue à partir de l&#39;erreur dans les ajustements linéaires pondérés, si vous utilisez plusieurs composantes. </li></ol></li></ol></li></ol> Répétez les étapes 1-7 pour chaque analyse. Bien que cette procédure semble compliqué, après la mise en œuvre initiale de la procédure est simple d&#39;automatiser, de sorte que de vastes ensembles de données peuvent être traitées par lots pour trouver les quarts de travail. Nous utilisons un code Mathematica écrit spécifiquement for cette procédure, de sorte que des ensembles complets de données peuvent être traitées par lots &quot;en appuyant sur un bouton». En principe, les décalages spectraux peuvent même calculé «en direct», même si nous n&#39;avons pas encore fait cela.

<ol>
	<li>Mairhofer, J., Roppert, K., Ertl, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+Systems+for+Pathogen+Sensing.">Microfluidic Systems for Pathogen Sensing.</a> A Review. Sensors. 9, 4804-4823 (2009).</li><li>Jokerst, J. J., Emory, J. M., Henry, C. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advances+in+microfluidics+for+environmental+analysis.">Advances in microfluidics for environmental analysis.</a> Analyst. 137, 24-34 (2012).</li><li>Neethirajan, N., Kobayashi, K., 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=Microfluidics+for+food,+agriculture+and+biosystems+industries.">Microfluidics for food, agriculture and biosystems industries.</a> Lab on a Chip. 11, 1574-1586 (2011).</li><li>Amarie, D., Alileche, A., 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=Microfluidic+Devices+Integrating+Microcavity+Surface-Plasmon-Resonance+Sensors:+Glucose+Oxidase+Binding-Activity+Detection.">Microfluidic Devices Integrating Microcavity Surface-Plasmon-Resonance Sensors: Glucose Oxidase Binding-Activity Detection.</a> Analytical Chemistry. 82, 343-352 (2010).</li><li>Vollmer, F., Arnold, S., Keng, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single+virus+detection+from+the+reactive+shift+of+a+whispering-gallery+mode.">Single virus detection from the reactive shift of a whispering-gallery mode.</a> PNAS. 105, 20701-20704 (2008).</li><li>Armani, A. M., Kulkarni, R. P., 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=Single-Molecule+Detection+with+Optical+Microcavities.">Single-Molecule Detection with Optical Microcavities.</a> Science. 317, 783-787 (2007).</li><li>Arnold, S., Shopova, I., Holler, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Whispering+gallery+mode+bio-sensor+for+label-free+detection+of+single+molecules:+thermo-optic+vs.+reactive+mechanism.">Whispering gallery mode bio-sensor for label-free detection of single molecules: thermo-optic vs. reactive mechanism.</a> Optics Express. 18, 281-287 (2009).</li><li>Vollmer, F., Braun, D., 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=Protein+detection+by+optical+shift+of+a+resonant+microcavity.">Protein detection by optical shift of a resonant microcavity.</a> Applied Physics Letters. 80, 4057-4059 (2002).</li><li>Rayleigh, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+problem+of+the+whispering+gallery.">The problem of the whispering gallery.</a> Philosophical Magazine. 20, 115-120 (1910).</li><li>White, I. M., Oveys, H., 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=Liquid-core+optical+ring-resonator+sensors.">Liquid-core optical ring-resonator sensors.</a> Optics Letters. 9, 1319-1321 (2006).</li><li>Rodriguez, J. R., Bianucci, P., 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=Whispering+gallery+modes+in+hollow+cylindrical+microcavities+containing+silicon+nanocrystals.">Whispering gallery modes in hollow cylindrical microcavities containing silicon nanocrystals.</a> Applied Physics Letters. 92, 131119 (2008).</li><li>Bianucci, P., Rodriguez, J. R., 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=Whispering+gallery+modes+in+silicon+nanocrystal+coated+microcavities.">Whispering gallery modes in silicon nanocrystal coated microcavities.</a> Physica Status Solidi A. 206, 965 (2009).</li><li>Hessel, C. M., Henderson, E. J., 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=Hydrogen+Silsesquioxane:+A+Molecular+Precursor+for+Nanocrystalline+Si-SiO2+Composites+and+Freestanding+Hydride-Surface-Terminated+Silicon+Nanoparticles.">Hydrogen Silsesquioxane: A Molecular Precursor for Nanocrystalline Si-SiO2 Composites and Freestanding Hydride-Surface-Terminated Silicon Nanoparticles.</a> Chemistry of Materials. 18, 6139-6146 (2006).</li><li>Poon, A. W., Chang, R. K., Lock, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spiral+morphology-dependent+resonances+in+an+optical+fiber:+effects+of+fiber+tilt+and+focused+Gaussian+beam+illumination.">Spiral morphology-dependent resonances in an optical fiber: effects of fiber tilt and focused Gaussian beam illumination.</a> Opt. Lett. 23, 1105-1107 (1998).</li><li>Silverstone, J. W., McFarlane, S., Manchee, C. P. K., Meldrum, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultimate+resolution+for+sensing+with+microcavities.">Ultimate resolution for sensing with microcavities.</a> Optics Express. 20, 8284-8295 (2012).</li><li>Stancik, A. L., Brauns, E. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+simple+asymmetric+lineshape+for+fitting+infrared+absorption+spectra.">A simple asymmetric lineshape for fitting infrared absorption spectra.</a> Vibrational Spectroscopy. 47, 66-69 (2008).</li><li>Lomb, N. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Least-squares+frequency+analysis+of+unequally+spaced+data.">Least-squares frequency analysis of unequally spaced data.</a> Astrophysics and Space Science. 39, 447-462 (1976).</li><li>Scott, R. P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+thermodynamic+properties+of+methanol-water+association+and+its+effect+on+solute+retention+in+liquid+chromatography.">The thermodynamic properties of methanol-water association and its effect on solute retention in liquid chromatography.</a> Analyst. 125, 1543-1547 (2000).</li><li>Manchee, C. P. K., Zamora, V., 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=Refractometric+sensing+with+fluorescent-core+microcavities.">Refractometric sensing with fluorescent-core microcavities.</a> Optics Express. 19, 21540-21551 (2011).</li><li>Teraoka, I., Arnold, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhancing+Sensitivity+of+a+Whispering+Gallery+Mode+Microsphere+Sensor+by+a+High-Refractive+Index+Surface.">Enhancing Sensitivity of a Whispering Gallery Mode Microsphere Sensor by a High-Refractive Index Surface.</a> Layer. J. Opt. Soc. Am. B. 23, 1434-1441 (2006).</li><li>Huang, G., Bolanos Quinones, V. A., 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=Rolled-up+optical+microcavities+with+subwavelength+wall+thicknesses+for+enhanced+liquid+sensing+applications.">Rolled-up optical microcavities with subwavelength wall thicknesses for enhanced liquid sensing applications.</a> ACS Nano. 4, 3123-3130 (2010).</li><li>Fan, X. D., White, I. M., 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=Overview+of+novel+integrated+optical+ring+resonator+bio/chemical+sensors.">Overview of novel integrated optical ring resonator bio/chemical sensors.</a> Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). 6452, M4520-M4520 (2007).</li><li>White, I. M., Zhu, , 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=Refractometric+sensors+for+lab-on-a-chip+based+on+optical+ring+resonators.">Refractometric sensors for lab-on-a-chip based on optical ring resonators.</a> IEEE Sensors J. 7, 28-35 (2007).</li><li>Li, H., 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=Characterization+of+sensing+capability+of+optofluidic+ring+resonator+biosensors.">Characterization of sensing capability of optofluidic ring resonator biosensors.</a> Applied Physics Letters. 97, 011105 (2010).</li><li>Zamora, V., D&#237;ez, A., 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=Refractometric+sensor+based+on+whispering+gallery+modes+of+thin+capillaries.">Refractometric sensor based on whispering gallery modes of thin capillaries.</a> Optics Express. 15, 12011-12016 (2007).</li><li>Suter, J. D., White, I. M., 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=Label-free+quantitative+DNA+detection+using+the+liquid+core+optical+ring+resonator.">Label-free quantitative DNA detection using the liquid core optical ring resonator.</a> Biosensors and Bioelectronics. 23, 1003-1009 (2008).</li><li>White, I. M., Oveys, H., 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=Integrated+multiplexed+biosensors+based+on+liquid+core+optical+ring+resonators+and+antiresonant+reflecting+optical+waveguides.">Integrated multiplexed biosensors based on liquid core optical ring resonators and antiresonant reflecting optical waveguides.</a> Applied Physics Letters. 89, 191106 (2006).</li><li>Yang, G., White, I. 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>

Nous n&#39;avons rien à déclarer.

Fluorescence de base microcavités peuvent être utilisés en tant que capteurs réfractométriques. Bien qu&#39;il existe des exemples isolés de «remontées» microtubes qui pourraient servir de capteurs microfluidiques, 22 par rapport à microtubes, des capillaires sera plus facile à intégrer dans des configurations microfluidiques et avoir des avantages pratiques considérables, car ils sont faciles à manipuler et simple à l&#39;interface avec une analyse configuration. En utilisant les méthodes cla...

Systèmes de détection des produits chimiques qui nécessitent des volumes d&#39;échantillons que les petites et qui peuvent être incorporés dans des dispositifs portatifs ou sur le terrain exploitable pourrait conduire à l&#39;élaboration d&#39;un large éventail de nouvelles technologies. Ces technologies pourraient comprendre des diagnostics sur le terrain pour les maladies et les agents pathogènes, 1, 2 contaminants de l&#39;environnement et la sécurité alimentaire. 3 Plusieurs technologies sont actuellement à l&#39;étude pour les capteurs chimiques microfluidiques, avec des dispositifs basés sur la physique des résonances plasmons de surface (SPR) parmi les plus avancés. 4 Ces capteurs sont désormais capables de détecter de nombreuses biomolécules spécifiques et ont obtenu un succès commercial, mais surtout le matériel de laboratoire à grande échelle 5. Ces dernières années, les microcavités optiques ont augmenté de rivaliser avec les systèmes SPR. Microcavités peuvent être étonnamment sensible, avec la capacité démontrée pour détecter les virus simples 6 et peut-être même des biomolécules simples <sup&gt; 7 (celle-ci reste l&#39;objet d&#39;un débat, 8 mais il ne fait aucun doute que les limites de détection de masse sont de 9 petits). Dans les microcavités, le mécanisme de détection repose sur des changements dans les résonances optiques provoqués par la présence d&#39;un analyte dans le profil de champ électrique de la résonance. En règle générale, un analyte donné provoquera la résonance à changer la fréquence centrale, la visibilité ou la largeur de raie. Comme pour les systèmes SPR, microcavités peuvent agir en tant que non-spécifiques capteurs réfractométriques, ou en tant que biocapteurs fonctionnalisés pour une analyse spécifique. Microstructures diélectriques avec une section transversale circulaire (par exemple, des microsphères, des disques ou des cylindres) sont caractérisées par des résonances électromagnétiques connus comme les modes de galerie, ou WGMS, un terme qui remonte à des enquêtes de Lord Rayleigh d&#39;effets acoustiques analogues 10. Essentiellement, un WGM optique se produit quand une onde transversale circulaire fait le tour du section par réflexion interne totale, et revient à son point de départ en phase. Un exemple d&#39;une résonance électromagnétique pour une microsphère de silice est illustré dans la figure 1a. Cette résonance est caractérisé par un maximum dans la direction radiale (n = 1), alors qu&#39;un total de 53 longueurs d&#39;onde s&#39;adapter autour de l&#39;équateur (L = 53), dont une partie seulement sont représentés. La partie évanescente de l&#39;intensité de champ s&#39;étend dans le milieu extérieur de la sphère limite; ainsi la WGM microsphère peut détecter le milieu extérieur. Les capillaires sont un exemple particulièrement intéressant d&#39;un capteur à base de WGM. Dans un capillaire, WGMS cylindriques peuvent se former autour de la section transversale circulaire, similaire au cas d&#39;une sphère. Si la paroi capillaire est très mince, une partie du champ électromagnétique pénètre dans le canal capillaire (figure 1b). Ainsi, un tube capillaire peut être un capteur microfluidique pour des analytes injectés dans le canal. Il s&#39;agit de la basis de fonctionnement de l&#39;anneau de noyau liquide résonateur optique (LCORR). LCORRs 11 reposent sur ​​le couplage évanescent de la lumière provenant d&#39;une source laser accordable précision pour sonder les WGMS. Un aspect important de la LCORR est que les parois des capillaires doit être mince (~ 1 um) afin de s&#39;assurer que les échantillons de mode du milieu du canal. Cela met quelques difficultés sur leur fabrication et les amène à être mécaniquement fragile. Dans notre travail, nous avons développé une structure alternative que nous appelons une microcavité cœur fluorescent (FCM). 12,13 Pour former un FCM, nous enduire les parois du canal d&#39;un capillaire avec un fluorophore haut indice de réfraction (plus précisément, une couche de d&#39;oxyde de silicium incorporés points quantiques). L&#39;indice élevé du film est nécessaire de limiter le rayonnement émis, pour constituer les WGMS (figure 1c). Contrairement à la LCORR, dans un FCM modes apparaissent aussi nette maxima dans un spectre de fluorescence émise. L&#39;épaisseur de lafilm est d&#39;une importance capitale, si elle est trop épaisse, la WGM ne pas goûter à la moyenne dans le canal capillaire, et si elle est trop mince le confinement optique est perdu et les WGMS devient faible. Ainsi, la fabrication d&#39;une carte FCM est un processus difficile, nécessitant une préparation minutieuse. C&#39;est le thème principal de la présente étude.

<table border="1"><tbody><tr><td> Table des matières </td><td> Entreprise </td><td> Catalogue </td><td> Commentaires </td></tr><tr><td> silice microcapillaires </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> tuyau souple microbore </td><td></td><td></td><td> polyéthylène, tygon, etc </td></tr><tr><td> adhésif </td><td> Mascot, Norland NOA </td><td></td><td></td></tr><tr><td> HSQ dissous dans MIBK </td><td></td><td></td><td> ex., Fox-15 </td></tr><tr><td> méthanol </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> l&#39;éthanol </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> de l&#39;eau distillée </td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table> Tableau 1. Liste des matériaux utilisés.

synthesis and operation of fluorescent-core microcavities for refractometric sensing

Cet article discute fluorescentes base microcavité à base de capteurs qui peuvent fonctionner dans une configuration d&#39;analyse microfluidique. Ces structures reposent sur la formation d&#39;une fluorescence de points quantiques (QD) de revêtement sur la surface de canal d&#39;un micro-capillaire classique. QDs de silicium sont particulièrement intéressantes pour cette application, en partie en raison de leur toxicité négligeable par rapport à la II-VI et boîtes quantiques composés II-VI, qui est législativement substances réglementées dans de nombreux pays. Tandis que le spectre d&#39;émission de l&#39;ensemble est large et sans relief, un film de Si-QD sur la paroi de canal d&#39;une des caractéristiques d&#39;un ensemble de capillaires tranchants, des pics étroits dans le spectre de fluorescence, correspondant aux résonances électromagnétiques pour la lumière piégée à l&#39;intérieur du film. La longueur d&#39;onde de crête de ces résonances est sensible au milieu extérieur, ce qui permet au dispositif de fonctionner comme un détecteur réfractométrique dans lequel les points quantiques jamais entrer en contact physique avec la substance à analyser. Le dispositif expérimentalméthodes associées à la fabrication de la microcapillaires fluorescence de base sont décrites en détail, ainsi que les méthodes d&#39;analyse. Enfin, une comparaison est faite entre ces structures et les plus largement étudiés liquide de base résonateurs en anneaux optiques, en termes de capacités de détection microfluidiques.

De faibles écarts dans le procédé de fabrication capillaire peut conduire à des changements significatifs dans le taux de réussite de l&#39;échantillon. Dans la figure 5 (ad), nous montrons des exemples représentatifs des capillaires échoué ainsi comme un succès. Généralement, l&#39;indication visuelle d&#39;un échantillon de succès est une fluorescence rouge associée à une intensité élevée à la paroi des capillaires et un intérieur sans relief. Le spectre de fluorescence indique au...

Watch this Scientific Journal Video about Synthesis and Operation of Fluorescent-core Microcavities for Refractometric Sensing at JoVE.com

Synthesis and Operation of Fluorescent-core Microcavities for Refractometric Sensing

Microcavité capteurs fluorescents employer un noyau à haut indice de points quantiques de revêtement dans le canal de la silice micro-capillaires. Variation de l&#39;indice de réfraction du fluide pompé dans le canal capillaire motif se déplace dans le spectre de fluorescence microcavité qui peut être utilisé pour analyser le milieu de chaîne.

Synthèse et exploitation des Fluorescent-core Microcavités de détection réfractométrique

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 vues.  University of Alberta. Microcavité capteurs fluorescents employer un noyau à haut indice de points quantiques de revêtement dans le canal de la silice micro-capillaires. Variation de l'indice de réfraction du fluide pompé dans le canal capillaire motif se déplace dans le spectre de fluorescence microcavité qui peut être utilisé pour analyser le milieu de chaîne.

Vidéo: 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 détection microfluidique en utilisant un capteur de guide d&#39;ondes à plaques parallèles

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

Recherche

Ingénierie

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, l&#39;exploitation et la visualisation des écoulements en surface à ondes acoustiques axées microfluidique-Acoustiques contre-courant

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.

Fabrication et fonctionnement d&#39;un Convoyeur Nano-optique

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.

Fabrication et fonctionnement de Acoustofluidic Dispositifs de support en vrac ondes acoustiques permanents pour introducteur Mise au point des particules

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.

Colloïdal Synthèse de Nanopatch Antennes pour Applications dans plasmonique et nanophotonique

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.

Filaments de Laser femtoseconde pour utilisation en imagerie de sous-sous-Diffraction-Limited et de la télédétection

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.

Mélange à quatre ondes dégénéré infrarouge avec conversion ascendante détection pour la détection de gaz Quantitative

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.

Synthèse, fonctionnalisation et caractérisation de nanoparticules de silicium poreux Fusogène pour la livraison de l’oligonucléotide

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.

Fourniture de détection robotique et de stimuli pour la croissance guidée des plantes

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.

Fonctionnement du système de fabrication composite collaborative (CCM)

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