Questa ricerca è stata finanziata dalla NSERC, Canada.

1. Preparazione dei materiali <ol><li> Microcapillari Ottenere silice capillari da un fornitore commerciale. Abbiamo acquistato il nostro capillari Technologies Polymicro. Scegli un piccolo diametro interno (~ 25-30 micron) per più ampiamente separati risonanze spettrali (cioè più grande campo libero spettrale) o un diametro interno più grande (circa 100 micron) per risonanze più da vicino spaziato con fattori di qualità superiore. Un grande diametro esterno garantisce i FCM sono durevoli e facilmente manipolabili. <ol><li> I capillari sono dotati di una colorata poliimmide giacca, che deve prima essere rimosso. Tagliare pezzi di circa 10 cm di capillare dal rotolo, utilizzando fibra di diamante mannaia. Ogni pezzo costituisce un singolo campione. Riscaldare questi in un forno tubolare a 650 ° C per un&#39;ora in ossigeno per bruciare il rivestimento. Questo processo rimuove il materiale del rivestimento, esponendo la silice capillare all&#39;interno. Dopo raffreddamento a temperatura ambiente, rimuovere la capillaries dalla barca riscaldamento. </li></ol></li><li> Idrogeno silsesquioxane soluzioni idrogeno silsesquiossano (HSQ) è riportato consistono H 12 Si 8 O 12 molecole con una struttura a gabbia. 14 Questo materiale è disponibile in commercio dalla Dow Corning. Acquista il HSQ in una delle sue serie di Fox-(ossido di fluido) soluzioni, come Fox-15. Queste soluzioni sono costosi e hanno una durata limitata, quindi un&#39;attenta pianificazione è necessaria. Evaporazione del solvente fornisce un MIBK HSQ concentrazione di circa il 18% in peso. Se la concentrazione HSQ è troppo bassa, punti quantici non possono formare nel film. Se è troppo alta, le pellicole possono essere troppo spessa e delaminate dalla superficie canale capillare. Nella nostra esperienza, per un capillare con un diametro interno 25-30 micron, una soluzione contenente volpe ~ 25 wt.% HSQ è il migliore. Così, può essere necessario evaporare o aggiungere più HSQ solvente (facendo attenzione che è secco) per regolare laconcentrazione. Se una diluizione o concentrazione necessaria è difficile da determinare senza tentativi ed errori, cioè fare alcuni esempi ed esaminare i risultati, come discusso di seguito. </li></ol> 2. Fabbricazione di Coated Capillari <ol><li> Riempire il capillare Prendere i pezzi di capillare preparati nella fase 1.1 e immergerli nella soluzione volpe. Quando un capillare viene immerso nella soluzione, si dovrebbe essere in grado di seguire visivamente il menisco il canale, la soluzione viene aspirata nel capillare (Figura 2a). <ol><li> Quando il menisco raggiunge la parte superiore, rimuovere il capillare e metterla in un crogiolo di vetro di ricottura. Ora dovrebbe essere completamente riempito con la soluzione di Fox. Ripetere questa operazione per il numero di campioni possibile, per aumentare le possibilità di successo. Noi di solito eseguire lotti di 20-30 e utilizzare due diverse concentrazioni di soluzioni HSQ in peso. Riempiamo i capillari in aria, ma t mantenendoFox ha soluzione raffreddata in un cassetto portaoggetti è consigliato se possibile, al fine di minimizzare l&#39;esposizione della soluzione di ossigeno e vapor d&#39;acqua. Anche piccole esposizioni possono provocare gelificazione della soluzione. </li></ol></li><li> Ricottura ricuocere i capillari in un processo a due stadi. Ricottura evapora il solvente e collassare la struttura HSQ gabbia, formando una pellicola SiO x aderente alle pareti del canale. Ricottura a temperature più elevate disproportionates la pellicola in silicio SiO x punti quantici disperso in una matrice di silice. Le annealing comprendono 30 minuti di rampa da temperatura ambiente a 300 ° C, una sosta per 3 ore per evaporare il solvente, poi una rampa a 1100 ° C in 45 min, e una sosta per un&#39;ora per far precipitare i QDs. <ol><li> Lasciate che i capillari raffreddare lentamente (~ 12 ore) torna a temperatura ambiente. Questo aiuta a ridurre al minimo stress fessurazione della pellicola depositata sulla parete capillare. Altri protocolli di ricottura potrebbeprobabilmente essere seguito e può essere più affidabile, ma ad alta temperatura ricottura stadio a 1.000-1.100 ° C è sempre necessario formare i QDs. Al termine di questa fase, si dovrebbe (si spera) hanno 20-30 capillari con uno strato di QDs fluorescenti incorporato in una matrice di silice rivestimento pareti del canale. </li></ol></li></ol> 3. Caratterizzazione <ol><li> Il campione di controllo microscopio a fluorescenza su cui sono montati i capillari deve eseguire sia imaging e spettroscopia nell&#39;intervallo di lunghezze d&#39;onda 700-900 nm. Configurazioni epifluorescenza o confocale sono adatti a questo scopo. Inserire una riga del candidato capillari sulla scena in modo che sia facile da spostare tra loro per una rapida analisi visiva (Figura 2b). Eccitare il capillare con radiazioni blu o UV sia in spazio libero sul palco microscopio, o direttamente attraverso la lente dell&#39;obiettivo utilizzando un filtro dicroico, e osservare l&#39;immagine di fluorescenza utilizzando gli oculario una telecamera a colori. <ol><li> Osservare la fluorescenza capillare. Se la fabbricazione avuto successo, i capillari esibirà una fluorescenza rossa. Questa è la prima indicazione di un campione favorevole. Capillari esibendo arancione-giallo fluorescenza (invece del colore rosso associato con i QD) in generale, non hanno le caratteristiche ottiche desiderate. Questi campioni tendono a formare più spesso in soluzioni a bassa concentrazione HSQ. Alcuni capillari può mostrare alcuna fluorescenza affatto, in questo caso il film QD non si forma e il capillare può essere scartato (vetro taglienti). Questa è un&#39;indicazione che la soluzione non può essere aspirata nel capillare, o può essere carente in HSQ. Infine, alcuni campioni possono mostrare un film o testurizzati cracking; questi possono anche essere scartato. </li><li> Scartare tutti i campioni indicati al punto precedente, tranne quelli che mostrano la brillante caratteristica fluorescenza rossa di QDs silicio. </li></ol></li><li> Verificare la presenza di WGMS negli spettri di fluorescenza Assicurarsi dell&#39;immagine è allineato come desiderato sulla fenditura d&#39;ingresso dello spettrometro e raccogliere uno spettro di fluorescenza. Regolare il tempo di raccolta in modo da produrre un accettabile rapporto segnale-rumore. Eseguire la calibrazione di lunghezza d&#39;onda e l&#39;intensità, come richiesto. Gli spettri QD dovrebbe essere intensa nel range di lunghezze d&#39;onda 700-900 nm. Spectra prelevato dalla regione corrispondente alla parete capillare interna dovrebbe mostrare forti oscillazioni dovute alla presenza dei modi cilindrici galleria acustica (WGMS), questo è il secondo-a-ultima requisito di un sensore rifrattometrico successo. <ol><li> Alcuni campioni possono avere un brillante fluorescenza rossa una volta al giorno, ma oscillazioni WGM mancanza nello spettro. Questa è un&#39;indicazione del film QD rotto o delaminato dalla parete capillare, che distrugge le risonanze ottiche. Eliminare capillari senza WGMS. A questo punto, solo l&#39;(tipicamente small) frazione di campioni che soddisfano i requisiti del sensore rimangono. Vi è un test finale da eseguire. </li></ol></li><li> Analisi rifrattometrico Attaccare il candidato capillari di polietilene, Tygon, teflon o altri tubi chimicamente compatibili con le soluzioni destinate analiti cui diametro interno deve essere leggermente maggiore del diametro esterno capillare. La scelta del tubo deve essere fatta in modo da non reagire con le soluzioni da pompare nel capillare. <ol><li> Utilizzare un buon adesivo per fissare il capillare di vetro per il tubo, altrimenti il ​​tubo capillare-interfaccia perdite. Abbiamo successo abbastanza buono con Norland NOA-76 o gel adesivo Mascot immediata. La scelta del collante dipende dalla sua adesione al vetro e il tubo capillare, e la mancanza di reazione con i fluidi di canale. Fare attenzione per evitare che il collante di penetrare nel canale capillare e bloccarlo. </li><li> Interfaccia il tubotramite una siringa ad un sistema micropumping. Composti con noti indici di rifrazione, come metanolo, etanolo, acqua e può essere usato per determinare la sensibilità rifrattometrico del dispositivo. Questo è il test finale di un sensore di successo. Pompare ciascun fluido, una alla volta, nel capillare, facendo attenzione a non far scoppiare la guarnizione adesiva tra il capillare e il tubo (figura 2c). </li><li> Raccogliere spettri con ciascun liquido all&#39;interno del capillare. Utilizzare un analizzatore nel percorso della luce per distinguere tra TE-polarizzati WGMS (parallela all&#39;asse analizzatore per capillarità) e TM-polarizzati WGMS (perpendicolare analizzatore capillare asse). Ci dovrebbe essere uno spostamento della lunghezza d&#39;onda delle risonanze WGM, sia TE o TM, con ogni diversa soluzione nel capillare. Se non vi è alcun cambiamento osservabile, il quantum dot-film è troppo spessa e le WGMS non sufficientemente campionare il mezzo canale. In campioni successo osserviamo sensibilità tipicamente tra 5 e 15 nmsoluzione per indice di rifrazione unità (RIU). Quasi tutti i campioni che fanno WGMS mostrano dare prova di una sensibilità misurabile, ma in genere solo una piccola frazione del preparato capillari mostrerà WGMS. </li></ol></li></ol> 4. Analisi dei dati <ol><li> Come ottenere gli spettri di fluorescenza Prendete uno spettro della fluorescenza del campione. Per applicazioni biosensori, la superficie del canale deve prima essere funzionalizzata per analiti specifici. La superficie della pellicola è essenzialmente QD silice, tante ricette modificazione superficiale esistono. Indipendentemente dall&#39;applicazione, il passo finale è l&#39;elaborazione e analisi dei dati. <ol><li> Il raggiungimento di limiti di rilevabilità bassi richiede la misurazione di piccole variazioni spettrali-idealmente la &quot;risoluzione shift&quot; dovrebbe essere significativamente più piccola della risoluzione dello spettrometro nominale o pece. La cura deve essere esercitata nel trattamento spettrale a causa di questo. In particolare, il numero di immagini spettrometros lo spettro non può essere proiettata perfettamente orizzontale sul CCD; quindi se, tra analisi, l&#39;immagine campione scivola verticalmente sulla fenditura, falsi spostamenti spettrali possono essere ottenuti. Utilizzare qualunque mezzo necessario per garantire che ciò non avvenga, ad esempio, utilizzare una calibrazione standard per determinare l&#39;angolo dello spettro proiettata e correggere per esso, minimizzare la deriva del campione, e in modo che gli stessi pixel CCD sono utilizzati per ottenere tutti gli spettri . Un&#39;immagine spettrale esempio è mostrato in figura 3, dove la modalità appaiono come forti oscillazioni in posizioni corrispondenti alle pareti del canale. Utilizzare un codice di Mathematica computer (o che cosa il vostro gruppo preferisce) per importare le immagini spettrali, in uscita i dati spettrali, 1D ed eseguire curve fitting e analisi di Fourier dei turni WGM, come descritto di seguito. </li></ol></li><li> Raccordo curva di taratura determinare la lunghezza d&#39;onda WGM picco per misurare spostamenti spettrali piccoli a causa analiti in il canale FCM. Montare un unico modo a una funzione che descrive la forma spettrale - questo è un modo comune per ottenere la posizione di picco. Nel caso ideale, questa sarà una funzione Lorentz (con la corretta conversione da lunghezza d&#39;onda per unità di frequenza tramite δλ = │-cδf / f 2 │ dove c è la velocità della luce): <img src="/files/ftp_upload/50256/50256eq1.jpg" alt="Equazione 1" fo:content-width="2in" fo:src="/files/ftp_upload/50256/50256eq1highres.jpg" /> In Eq. 1, A è un parametro di scala ed f 0 è la frequenza centrale. Purtroppo, FCM non sono un caso ideale. <ol><li> In cavità cilindriche le WGMS sono inclinate verso frequenze più elevate, dovute probabilmente allo sviluppo di risonanze spirale (WGMS con un non-zero componente assiale del vettore d&#39;onda). 15 Lorentzian adatta quindi eseguire male per la determinazione della posizione di picco. Purtroppo, non c&#39;è esima funzionesi adatta ad una distribuzione di Lorentzians sovrapposte dalle WGMS spirale. Nel lavoro precedente 16 abbiamo suggerito che una distorta Lorentziana 17 darebbe una migliore vestibilità: <img src="/files/ftp_upload/50256/50256eq2.jpg" alt="Equazione 2" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50256/50256eq2highres.jpg" /> Qui, A e B sono parametri inclinazione. Come visibile in figura 4, Eq. 2 dà una misura migliore per i dati che l&#39;eq. 1, ma purtroppo non ha alcuna base fisica nella teoria della WGMS. </li></ol></li><li> Analisi di Fourier spostamento alternativa, i dati possono essere elaborati usando un trasformata discreta di Fourier, e quella corrispondente spostamenti misurata dallo spettro di Fourier. Questo metodo sfrutta la periodicità di tutto lo spettro, anziché utilizzare un unico WGM arbitraria. Non misura la posizione picco di lunghezza d&#39;onda, ma piuttosto un cambiamento misura complessivadi uno spettro WGM determinata rispetto ad uno spettro di riferimento arbitrario. <ol><li> Utilizzare la differenza di fase Δφ per l&#39;alta potenza componente di Fourier che corrisponde alla oscillazione WGM principale spettrale per ottenere lo spostamento spettrale. Questo corrisponde ad uno spostamento reale frequenza WGM di: Af = Δφ (f max - min f) / (2πk), dove f f min e max sono la minima e massima frequenza negli spettri. Tuttavia, molte informazioni possono essere scartata se solo il componente principale è utilizzata, in più, problemi di troncamento può rendere difficile determinare quale componente è la principale. Spesso, i migliori risultati richiedono alcuni tentativi ed errori quali componenti di Fourier per selezionare. </li><li> Il teorema spostamento invece utilizza tutti i componenti di Fourier. Di conseguenza, per uno spostamento puro, ciascun componente viene spostato proporzionale k (con kè il numero dei componenti). In altre parole, δφ k = mk, dove il m proporzionalità è una misura dello spostamento reale. Lo spostamento di frequenza totale è quindi dato da: Af = m (f max - min f) / (2π). Ciò richiede m da richiedere un adattamento lineare alle differenze di fase ΔΦ k per alcuni o tutti i componenti di Fourier. </li><li> Per i dati reali, la relazione lineare ΔΦ k = mk dovrà incertezza dovuta al segnale di rumore e lo sfondo, che può avere un effetto significativo nelle componenti a basso consumo di Fourier. Pertanto, si consiglia una pesata lineare, in cui il peso di ciascun componente è proporzionale alla sua potenza, al fine di ottenere l&#39;inclinazione della ΔΦ k vs k grafico. Lo spettro può essere filtrato intorno al componente principale prima del montaggio, rimuovere entrambe le alte frequenze (nfrequenze oise) e bassa (disaccoppiato fluorescenza di fondo). La frequenza sposta dalla Eq. 4 sono poi convertite in unità di lunghezza d&#39;onda. </li><li> A differenza del caso di montaggio di curva, una WGM &quot;lunghezza d&#39;onda&quot; non è ottenuto, ma invece uno spostamento di lunghezza d&#39;onda è misurata sull&#39;intero spettro rispetto ad uno spettro di riferimento arbitrario. La procedura viene ripetuta per ogni spettro da analizzare. I passaggi di questa procedura sono i seguenti: <ol><li> Convertire gli spettri in unità di frequenza per garantire un costante intervallo libero spettrale. </li><li> Scegliere il set di dati di riferimento (vale a dire il primo WGM spettro di fluorescenza) da cui tutti i turni saranno misurati. </li><li> Interpolare la spettri di ottenere una spaziatura uniforme frequenza 18. </li><li> Eseguire una trasformata discreta di Fourier per ottenere i componenti di potenza e la fase di ogni spettro. </li><li> Trova le differenze di fase per tutti i componenti di un WGM k determinatospettro per i quali il valore di spostamento è desiderato, rispetto allo spettro di riferimento. </li><li> Trovare lo sfasamento utilizzando la differenza di fase di una componente di Fourier principale solo, o una misura lineare ponderata ai componenti selezionati. Questo darà l&#39;Af sfasamento o δλ tra lo spettro WGM e lo spettro di riferimento. </li><li> Gli errori nei spostamenti spettrali (il limite di rilevamento) può essere misurata raccogliendo spettri ripetuta per l&#39;analita stesso. Un&#39;incertezza nella sensibilità può essere ottenuto dalla errore nei fits lineare ponderata, se vengono utilizzati più componenti. </li></ol></li></ol></li></ol> Ripetere i passaggi 1-7 per ogni analisi. Anche se questa procedura sembra complicata, dopo l&#39;iniziale attuazione la procedura è semplice per automatizzare, in modo che grandi quantità di dati può essere partita trasformata per trovare i turni. Usiamo un codice di Mathematica scritto appositamente for questa procedura, in modo che completi set di dati può essere partita trasformata &quot;con la semplice pressione di un pulsante&quot;. In linea di principio, gli spostamenti spettrali possono anche calcolato &quot;dal vivo&quot;, anche se non abbiamo ancora fatto.

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

Non abbiamo nulla da rivelare.

Fluorescente-core microcavità possono essere utilizzati come sensori rifrattometrici. Mentre ci sono esempi isolati di &quot;arrotolate&quot; microtubi che potrebbero agire come sensori microfluidici, rispetto al 22 microtubi, capillari sarà più facile da integrare in configurazioni microfluidica e hanno notevoli vantaggi pratici, in quanto sono facilmente manipolati e semplice interfaccia con un&#39;analisi installazione. Con metodi tradizionali di analisi di Fourier, spostamenti di lunghezza d&#39;onda c...

Sistemi sensori chimici che richiedono solo piccoli volumi di campione e che possono essere incorporati in dispositivi portatili o sul campo operabile potrebbe portare allo sviluppo di una vasta gamma di nuove tecnologie. Tali tecnologie potrebbero includere diagnosi dei campi per le malattie e agenti patogeni, 1, 2 contaminanti ambientali e della sicurezza alimentare. 3 tecnologie diverse sono attivamente esplorato per sensori chimici microfluidica, con i dispositivi basati sulla fisica della risonanza plasmonica di superficie (SPR), tra i più avanzati. 4 Questi sensori sono ora in grado di rilevare molte biomolecole specifiche e hanno raggiunto il successo commerciale, anche se principalmente su larga scala apparecchiature di laboratorio 5. In anni recenti, microcavità ottiche sono aumentati di competere con sistemi basati su SPR. Microcavità può essere incredibilmente sensibile, con dimostrata capacità di rilevare virus singole 6 e forse anche di singole biomolecole <sup&gt; 7 (quest&#39;ultimo rimane oggetto di dibattito, 8 ma non vi è dubbio che i limiti di massa di rilevazione sono piccole 9). In microcavità, il meccanismo di rilevamento si basa su variazioni delle risonanze ottici causati dalla presenza di un analita nel profilo del campo elettrico della risonanza. Tipicamente, un determinato analita causerà la risonanza di cambiare in in frequenza centrale, la visibilità, o linewidth. Come per i sistemi SPR, microcavità può agire come sensori rifrattometrici non specifici, o come biosensori funzionalizzati per un&#39;analisi specifica. Microstrutture dielettrici con una sezione circolare (ad esempio microsfere, dischi, o cilindri) sono caratterizzati da risonanze elettromagnetiche conosciute come le modalità galleria acustica, o WGMS, termine che risale alle indagini Lord Rayleigh di effetti acustici analoghi 10. Sostanza, un WGM ottico si verifica quando un&#39;onda circumnaviga trasversale circolare sezione di riflessione interna totale, e ritorna al suo punto di partenza in fase. Un esempio di risonanza elettromagnetica dei microsfere di silice è illustrato in Figura 1a. Questa risonanza è caratterizzato da uno massimo nella direzione radiale (n = 1), mentre un totale di 53 lunghezze d&#39;onda adatta intorno all&#39;equatore (L = 53), solo alcune delle quali sono mostrate. La parte evanescente dell&#39;intensità del campo si estende nel mezzo fuori del contorno sfera, quindi la WGM microsfere può percepire il mezzo esterno. Capillari sono un esempio particolarmente interessante di WGM basata sensore. In un capillare, WGMS cilindrici possono formare intorno alla sezione trasversale circolare, simile al caso di una sfera. Se la parete capillare è molto sottile, una parte del campo elettromagnetico si estende nel canale capillare (Figura 1b). Così, un capillare può essere un sensore microfluidica per analiti iniettati nel canale. Questo è il basis di funzionamento dell&#39;anello cuore liquido risonatore ottico (LCORR) 11. LCORRs invocare l&#39;accoppiamento evanescente di luce da una sorgente laser sintonizzabile precisione per sondare i WGMS. Un aspetto importante del LCORR è che le pareti dei capillari deve essere sottile (~ 1 micron) per assicurare che i campioni modalità mezzo canale. Questo pone qualche difficoltà sulla loro fabbricazione e li fa essere meccanicamente fragile. Nel nostro lavoro, abbiamo sviluppato una struttura alternativa che noi chiamiamo una microcavità fluorescente nucleo (FCM). 12,13 Per formare un FCM, abbiamo rivestire le pareti del canale di un capillare con un alto indice di rifrazione fluoroforo (in particolare, uno strato di ossido di silicio integrati punti quantici). L&#39;alto indice del film è necessario per limitare la radiazione emessa, così costruendo le WGMS (figura 1c). In contrasto con la LCORR, in un FCM le modalità appaiono come acuto massimi in uno spettro di fluorescenza emessa. Lo spessore delfilm è di fondamentale importanza, se è troppo spesso la WGM non provare il mezzo nel canale capillare, e se è troppo sottile il confinamento ottico viene persa e le WGMS si indeboliscono. Pertanto, la realizzazione di un FCM è un processo difficile, che richiede un&#39;attenta preparazione. Questo è il tema principale della carta corrente.

<table border="1"><tbody><tr><td> Tabella dei materiali </td><td> Azienda </td><td> Catalogare # </td><td> Commenti </td></tr><tr><td> silice microcapillari </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> microbore tubi flessibili </td><td></td><td></td><td> polietilene, Tygon, etc </td></tr><tr><td> adesivo </td><td> Mascot, Norland NOA </td><td></td><td></td></tr><tr><td> HSQ disciolto in MIBK </td><td></td><td></td><td> es., Fox-15 </td></tr><tr><td> metanolo </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> etanolo </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> acqua distillata </td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table> Tabella 1. Elenco dei materiali utilizzati.

synthesis and operation of fluorescent-core microcavities for refractometric sensing

Questo articolo discute fluorescenti principali microcavità basate su sensori in grado di operare in una configurazione di analisi microfluidica. Queste strutture si basano sulla formazione di una fluorescente quantum-dot (QD) rivestimento sulla superficie di un canale microcapillare convenzionale. QD di silicio sono particolarmente attraenti per questa applicazione, in parte a causa della loro tossicità trascurabile rispetto al II-VI e II-VI QD composti, che sono legislativamente sostanze controllate in molti paesi. Mentre lo spettro di emissione insieme è ampia e piatta, un Si-QD pellicola sulla parete di un canale capillare caratteristiche una serie di taglienti, picchi stretti nello spettro di fluorescenza, corrispondenti alle risonanze elettromagnetiche di luce intrappolata all&#39;interno del film. La lunghezza d&#39;onda di picco di queste risonanze è sensibile al mezzo esterno, permettendo così al dispositivo di funzionare come un sensore rifrattometrico in cui i QDs mai entrare in contatto fisico con l&#39;analita. Il sperimentalemetodi associati con la fabbricazione del fluorescente-core microcapillari sono discussi in dettaglio, così come i metodi di analisi. Infine, viene effettuato un confronto tra queste strutture e le più ampiamente studiati liquido-core risonatori ottici ad anello, in termini di capacità di rilevamento microfluidica.

Piccole deviazioni nella procedura di fabbricazione capillare può portare a cambiamenti significativi nel tasso di successo del campione. Nella Figura 5 (ad), mostriamo esempi rappresentativi di fallito capillari così come un successo. Generalmente, l&#39;indicazione visiva di un campione di successo è una fluorescenza rossa combinata con una elevata intensità le pareti dei capillari e un interno featureless. Lo spettro di fluorescenza indica anche chiaramente la differenza tra successo e fallimento...

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Synthesis and Operation of Fluorescent-core Microcavities for Refractometric Sensing

Fluorescente-core sensori microcavità impiegano un alto indice di quantum dot-rivestimento nel canale di silice microcapillari. Variazioni dell&#39;indice di rifrazione di fluidi pompati nel canale capillare causa sposta nello spettro di fluorescenza microcavità che può essere utilizzato per analizzare il mezzo canale.

Sintesi e funzionamento del fluorescente-core microcavità per il Rilevamento rifrattometrico

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

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12.8K Views.  University of Alberta. Fluorescente-core sensori microcavità impiegano un alto indice di quantum dot-rivestimento nel canale di silice microcapillari. Variazioni dell'indice di rifrazione di fluidi pompati nel canale capillare causa sposta nello spettro di fluorescenza microcavità che può essere utilizzato per analizzare il mezzo canale.

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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 Sensing microfluidici Utilizzando un parallelo-piastra sensore guida d&#39;onda

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

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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.

Fabbricazione, il funzionamento e la visualizzazione del flusso in superficiali acustiche onda-driven Microfluidics Acoustic-controcorrente

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.

Fabbricazione e funzionamento di un nano-ottica Nastro trasportatore

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.

Realizzazione e di funzionamento dei dispositivi che supportano Acoustofluidic Bulk onde acustiche piedi per guaina di messa a fuoco di particelle

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.

Colloidale Sintesi di Nanopatch Antenne per applicazioni in Plasmonics e nanofotonica

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.

Filamenti di Laser a femtosecondi per Imaging Sub Diffraction-Limited e telerilevamento

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.

A raggi infrarossi degenerato quattro-onda miscelazione con rilevamento di Upconversion per sensoristica quantitativa

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.

Sintesi, funzionalizzazione e caratterizzazione di nanoparticelle di silicio poroso fusogena per la consegna del Oligonucleotide

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.

Rilevamento robotico e fornitura di stimoli per la crescita guidata delle piante

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.

Funzionamento del sistema di produzione composita collaborativa (CCM)

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