Esta pesquisa foi financiada pelo NSERC, Canadá.

1. Preparação dos Materiais <ol><li> Microcapilares Obter capilares de sílica a partir de um fornecedor comercial. Nós compramos o nosso capilares de Polymicro Technologies. Escolha um diâmetro interno pequeno (~ 25-30 mm) para mais amplamente separados ressonâncias espectrais (ou seja, uma maior gama espectral livre) ou um diâmetro interno maior (~ 100 mm) para ressonâncias mais espaçadas com fatores de maior qualidade. Um grande diâmetro exterior garante os FCMs são duráveis ​​e facilmente manipulados. <ol><li> Os capilares vêm com um revestimento de poli-imida de cor, o que tem de ser removido primeiro. Cortar pedaços de aproximadamente 10 cm de capilares a partir do rolo, usando diamante fibra cutelo. Cada peça constitui uma única amostra. Aquecer estes em um forno tubular a 650 ° C durante uma hora em oxigénio para queimar o revestimento. Este processo remove o material de revestimento, expondo o capilar de sílica para dentro. Após arrefecimento até à temperatura ambiente, remover o capillaries do barco de aquecimento. </li></ol></li><li> Hidrogénio O hidrogénio silsesquioxano soluções silsesquioxano (HSQ) é relatado como consistindo de H 12 O 12 Si 8 moléculas com uma estrutura tipo gaiola 14. Este material encontra-se comercialmente disponível a partir de Dow Corning. Adquira o HSQ em uma de suas séries Fox-(óxido de fluido) soluções, tais como raposa-15. Estas soluções são caras e têm uma vida útil limitada, por isso é necessário um planeamento cuidadoso. A evaporação do solvente MIBK proporciona uma concentração HSQ de aproximadamente 18% em peso. Se a concentração for demasiado baixa HSQ, quantum dots não podem formar-se a película. Se for demasiado alta, os filmes podem ser muito espessa e delaminate a partir da superfície do canal capilar. Na nossa experiência, para um tubo capilar com um diâmetro de 25-30 uM interior, uma solução contendo ~ Fox HSQ 25 wt.% É o melhor. Assim, pode ser necessário adicionar solvente evaporar ou mais HSQ (certificando-se de que ele é seco), a fim de ajustar oconcentração. Se uma diluição ou concentração é necessário é difícil de determinar, sem experimentação e erro, isto é fazer algumas amostras e examinar os resultados, como discutido abaixo. </li></ol> 2. Fabricação de Capilares Revestido <ol><li> Enchimento capilar Pegue os pedaços de capilar preparados no passo 1,1 e mergulhe-os na solução de raposa. Quando um capilar é mergulhado na solução, deverá ser capaz de seguir visualmente o menisco se o canal, enquanto a solução é aspirada para dentro da (Figura 2a) em coluna capilar. <ol><li> Quando o menisco chega ao topo, remover o tubo capilar e coloque-a num cadinho de vidro de recozimento. Ela agora deve ser completamente preenchido com solução raposa. Repita este procedimento para as amostras quanto possível, para aumentar as chances de sucesso. Nós normalmente executado lotes de 20-30 e usar dois diferentes concentrações de soluções HSQ por peso. Nós encher os capilares no ar, mas t mantendoele raposa solução foi arrefecida num glovebox é recomendada, se possível, de forma a minimizar a exposição da solução a vapor de oxigénio e água. Mesmo pequenas exposições pode resultar na gelificação da solução. </li></ol></li><li> Recozimento Hibridar os capilares em um processo de duas fases. Recozimento evapora-se o solvente e recolhe a estrutura de gaiola HSQ, formando uma película de SiO x aderir às paredes do canal. O recozimento a temperaturas mais elevadas disproportionates o filme SiO x em pontos quânticos Si dispersos em uma matriz de sílica. Os passos de recozimento incluir uma rampa de 30 minutos a partir da temperatura ambiente até 300 ° C, uma temporização de 3 horas para evaporar o solvente, em seguida, uma rampa para 1100 ° C em 45 min, e uma temporização de uma hora para precipitar os QDs. <ol><li> Deixe os capilares lentamente cool (~ 12 horas) de volta à temperatura ambiente. Isto ajuda a minimizar o stress relacionados fissuração da película depositada sobre a parede capilar. Outros protocolos de recozimento podeprovavelmente ser seguida e pode ser mais fiável, mas uma alta temperatura de recozimento na fase 1,000-1,100 ° C sempre é necessário para formar os QDs. No final desta etapa, deve-se (espera-se) ter 20-30 capilares com uma camada de QDs fluorescentes incorporado em um revestimento de matriz de sílica o canal de paredes. </li></ol></li></ol> 3. Caracterização <ol><li> Experimente verificar o microscópio de fluorescência em que os capilares são montados deve executar ambos imagem e espectroscopia no intervalo de comprimento de onda de 700-900 nm. Configurações de epifluorescência ou confocal são adequados para esta finalidade. Coloque uma linha do candidato capilares na fase de modo que seja fácil de mover-se entre eles por análise visual rápida (Figura 2b). Excitar o capilar com radiação azul ou UV ou em espaço livre no palco microscópio, ou diretamente através da objectiva usando um filtro dicróico, e observar a imagem de fluorescência usando as ocularesou uma câmera de cor. <ol><li> Observar a fluorescência capilar. Se a invenção foi bem sucedida, os capilares exibirão uma fluorescência vermelha brilhante. Esta é a primeira indicação de uma amostra favorável. Capilares exibindo fluorescência amarelo-alaranjado (em vez da cor vermelha associada aos QDs), em geral, não têm as características desejadas ópticos. Estas amostras também tendem a formar mais frequentemente em soluções com uma concentração baixa HSQ. Alguns capilares podem mostrar nenhuma fluorescência de todo; neste caso, o filme não QD e formar o tubo capilar pode ser descartado (vidro farelos). Esta é uma indicação de que a solução não pode ter sido arrastado para o tubo capilar, ou pode ter sido deficientes em HSQ. Finalmente, algumas amostras pode mostrar um filme rachado ou texturada, estes também podem ser descartados. </li><li> Descartar todas as amostras mencionadas no passo anterior, excepto aqueles que apresentam a característica de fluorescência vermelha brilhante QDs silício. </li></ol></li><li> Verificar a presença de WGMS nos espectros de fluorescência Assegurar a imagem é alinhada, conforme desejado na fenda de entrada do espectrómetro e recolher um espectro de fluorescência. Ajustar o tempo de recolha de modo a produzir uma relação de sinal-para-ruído aceitável. Executar calibrações de comprimento de onda e intensidade, conforme necessário. Os espectros QD deve ser intensa na gama de comprimento de onda de 700-900 nm. Spectra retirados da região correspondente à parede do capilar interno deve mostrar fortes oscilações, devido à presença dos modos sussurrando cilíndricas galeria (WGMS), esta é a exigência segundo ao último de um sensor de sucesso refractométrico. <ol><li> Algumas amostras podem ter uma fluorescência vermelha brilhante, mas QD oscilações WGM falta no espectro. Esta é uma indicação de que o filme QD rachado ou delaminada a partir da parede do capilar, que destrói as ressonâncias ópticas. Descarte capilares sem WGMS. Neste ponto, apenas a (tipicamente small fracção) de amostras que cumpram os requisitos de sensores permanecem. Há um teste final a ser executada. </li></ol></li><li> Análise refractométrico Fixe o candidato capilares para o polietileno, tygon, teflon ou outra tubagem quimicamente compatível com as soluções de analito destinados cujo diâmetro interior deve ser ligeiramente maior do que o diâmetro capilar exterior. A escolha de tubos deve ser feita de modo a não reagir com a solução a ser bombeado para o tubo capilar. <ol><li> Usar um bom adesivo para fixar o capilar de vidro para o tubo, caso contrário, a interface do tubo capilar pode verter. Temos sucesso razoavelmente bom usando Norland NOA-76 ou mascote gel adesivo instantâneo. A escolha da cola depende da sua aderência ao vidro capilar e o tubo, e uma falta de reacção com os fluidos do canal. Usar o cuidado de evitar que o adesivo escorra para dentro do canal capilar, e bloqueando-o. </li><li> A interface do tuboatravés de uma seringa para um sistema micropumping. Compostos com índices de refracção bem conhecidos, tais como metanol, etanol, e água pode ser usada para determinar a sensibilidade do dispositivo refractométrico. Este é o teste final de um sensor de sucesso. Bombear cada fluido, um de cada vez, para o capilar, tendo cuidado para não romper a vedação adesiva entre o capilar e o tubo (Figura 2c). </li><li> Recolher os espectros com cada um dos líquidos no interior do capilar. Use um analisador no caminho da luz para distinguir entre TE-polarizados (WGMS paralelo analisador capilar eixo) e TM-polarizados WGMS (perpendicular analisador capilar eixo). Deve haver uma mudança no comprimento de onda de ressonância da WGM, ou TE ou TM, com cada solução diferente no capilar. Se não houver um desvio observável, o filme quantum dot-se muito espessa e as WGMS não suficientemente amostrar o meio do canal. Em amostras bem sucedidas observamos sensibilidades tipicamente, entre 5 e 15 nmunidade de índice de refração por solução (RIU). Quase todas as amostras que fazem WGMS mostram demonstram uma sensibilidade mensurável, no entanto, tipicamente, apenas uma pequena fracção dos capilares preparadas mostrará WGMS. </li></ol></li></ol> 4. Análise de Dados <ol><li> A obtenção dos espectros de fluorescência Tome um espectro de fluorescência de sua amostra. Para aplicações biosensoriamento, a superfície do canal tem de ser primeiro funcionalizada para analitos específicos. A superfície da película de QD é essencialmente sílica, para muitas receitas de modificação de superfície existe. Independentemente da aplicação, o passo final é o processamento de dados e análise. <ol><li> Alcançar baixos limites de detecção requer medir pequenas mudanças espectrais, idealmente a &quot;resolução mudança&quot; deve ser significativamente menor do que a resolução espectrômetro nominal ou arremesso. Deve ser tomado cuidado no processamento espectral devido a isso. Em particular, no espectrómetro de imagem muitass o espectro pode não ser projetada perfeitamente na horizontal para o CCD, portanto, se, entre as análises, a imagem da amostra flutua verticalmente na fenda, falsas mudanças de espectro pode ser obtido. Usar todos os meios necessários para assegurar que isto não aconteça, por exemplo, usar um padrão de calibração para determinar o ângulo do espectro projectada e corrigir para ele, minimizar o desvio da amostra, e assegurar que as mesmas pixels CCD são usadas para obter todos os espectros . Uma imagem espectral exemplo é mostrado na Figura 3, em que os modos de aparecer como fortes oscilações em localizações correspondentes às paredes do canal. Use um Mathematica código de computador (ou o que o seu grupo prefere) para importar as imagens espectrais, a saída dos dados espectrais, 1D e realizar ajuste de curva e análise de Fourier das mudanças WGM, conforme descrito abaixo. </li></ol></li><li> Ajuste de curva Determinar o comprimento de onda de pico WGM para medir pequenas mudanças de espectro devido a analitos in o canal FCM. Montar um único modo para uma função que descreve a forma espectral - esta é uma maneira comum de obter a posição de pico. No caso ideal, esta será uma função Lorentziana (com conversão apropriada do comprimento de onda para as unidades de frequência através δλ = │ cδf-/ f 2 │ em que c é a velocidade da luz): <img src="/files/ftp_upload/50256/50256eq1.jpg" alt="Equação 1" fo:content-width="2in" fo:src="/files/ftp_upload/50256/50256eq1highres.jpg" /> Na equação. 1, A é ​​um parâmetro de escalonamento e f 0 é a frequência central. Infelizmente, não FCMs são um caso ideal. <ol><li> Em cavidades cilíndricas são os WGMS desviada para frequências mais elevadas, devido provavelmente ao desenvolvimento de ressonâncias em espiral (WGMS com um componente diferente de zero axial do wavevector) 15. Lorentziana cabe, por conseguinte, um mau desempenho para a determinação da posição do pico. Infelizmente, não existe qualquer função thvai caber em uma distribuição de Lorentzians sobreposição das WGMS em espiral. Em trabalhos anteriores 16 sugerimos que uma Lorentziana enviesada 17 daria um melhor ajuste: <img src="/files/ftp_upload/50256/50256eq2.jpg" alt="Equação 2" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50256/50256eq2highres.jpg" /> Aqui, a e B são parâmetros inclinar. Como pode ser visto na Figura 4, a equação. 2 dá um melhor ajuste aos dados do que a equação. 1, mas, infelizmente, não tem base física na teoria do WGMS. </li></ol></li><li> A análise de Fourier mudança Alternativamente, os dados podem ser processados ​​usando uma transformada discreta de Fourier, e a fase correspondente desvios medidos a partir do espectro de Fourier. Este método tira vantagem da periodicidade de todo o espectro, em vez de usar uma única WGM arbitrária. Não mede a posição comprimento de onda, mas em vez mede uma mudança geralde um espectro WGM dada com respeito a um espectro de referência arbitrário. <ol><li> Utilizar a diferença de fase Δφ para o componente de Fourier de alta potência, que corresponde à oscilação WGM principal espectral para obter o deslocamento espectral. Isto corresponde a uma verdadeira mudança WGM frequência de: Af = Δφ (f max - f min) / (2πk), onde f e f min max são os valores mínimo e máximo de frequência nos espectros. No entanto, muita informação pode ser descartada se apenas o componente principal é usado, além disso, problemas de truncamento pode tornar difícil determinar qual componente é o principal. Muitas vezes, os melhores resultados exigem alguma tentativa e erro como a que componentes de Fourier para selecionar. </li><li> O teorema de mudança ao invés usa todos os componentes de Fourier. Assim, para uma mudança pura, cada componente individual é deslocado proporcional ao k (com ksendo o número de componentes). Em outras palavras, δφ k = mk, onde a m proporcionalidade é uma medida do deslocamento real. O desvio de frequência total é, assim, dada pela fórmula: Af = m (f max - f min) / (2π). Isto requer m de ser obtida a partir de um ajuste linear para as diferenças de fase ΔΦ k para alguns ou todos os componentes de Fourier. </li><li> Para os dados reais, a relação linear ΔΦ k = mk terá incerteza devido ao ruído e sinal de fundo, o que pode ter um efeito significativo nos componentes de baixa potência de Fourier. Assim, recomendamos um ajuste linear ponderada, em que o peso de cada componente é proporcional à sua potência, de modo a obter a inclinação da ΔΦ k vs grafo k. O espectro pode ser filtrado em volta do componente principal antes da montagem, para remover ambas as frequências altas (nOise) e baixa freqüência (desacoplado fluorescência de fundo). A freqüência muda de EQ. 4 são então convertidos em unidades de comprimento de onda. </li><li> Ao contrário do processo de ajuste de curva, um WGM &quot;comprimento de onda&quot; nunca é obtido, mas em vez disso uma mudança de comprimento de onda é medida ao longo de todo o espectro com respeito a um espectro de referência arbitrário. O procedimento é então repetido para cada espectro a ser analisado. Os passos para este processo são os seguintes: <ol><li> Converter o espectro em unidades de freqüência para garantir uma faixa livre espectral constante. </li><li> Escolher o conjunto de dados de referência (isto é, o primeiro WGM espectro de fluorescência) a partir do qual todos os turnos será medido. </li><li> Interpolar o espectro de frequência para se obter o espaçamento uniforme 18. </li><li> Realizar uma transformada discreta de Fourier para se obter os componentes de alimentação e de fase de cada espectro. </li><li> Descubra as diferenças de fase para todos os k componentes de uma dada WGMespectro para a qual o valor de deslocamento for desejado, em relação ao espectro de referência. </li><li> Procurar o deslocamento de fase utilizando a diferença de fase de cada um dos componentes de Fourier a principal apenas, ou um ajuste linear ponderada para os componentes seleccionados. Isto vai dar o Af deslocamento de fase ou δλ entre o espectro WGM e o espectro de referência. </li><li> Os erros das mudanças de espectro (o limite de detecção) podem ser medidos por recolha de espectros repetida para o mesmo analito. Um grau de incerteza na sensibilidade pode ser obtido a partir do erro nos ajustes lineares ponderadas, se forem utilizados vários componentes. </li></ol></li></ol></li></ol> Repita os passos 1-7 para cada análise. Embora este processo parece complicado, após a aplicação inicial, o procedimento é simples para automatizar, de modo que os conjuntos de dados grandes podem ser processados ​​em lote para encontrar os turnos. Nós usamos um código escrito especificamente Mathematica for este procedimento, para que conjuntos completos de dados podem ser processados ​​em lote &quot;com o pressionar de um botão&quot;. Em princípio, as mudanças espectrais pode até mesmo calculado &quot;ao vivo&quot;, apesar de não ter feito isso ainda.

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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>

Não temos nada a revelar.

Fluorescent-core microcavidades podem ser usados ​​como sensores de refractométricos. Embora haja exemplos isolados de &quot;enroladas&quot; microtubos que possam agir como sensores microfluídicos, em comparação com 22 microtubos, capilares, será mais fácil de integrar em configurações microfluidicos e têm consideráveis ​​vantagens práticas, uma vez que são facilmente manuseadas e simples para fazer a interface com uma análise configuração. Utilizando métodos de análise convencionais ...

Sistemas de detecção químicos que requerem volumes de amostra apenas pequenas e que podem ser incorporadas em dispositivos portáteis ou campo-operável poderia levar ao desenvolvimento de uma ampla gama de novas tecnologias. Essas tecnologias podem incluir o diagnóstico no campo de doenças e patógenos, contaminantes ambientais 1, 2 e segurança alimentar. 3 Várias tecnologias estão sendo ativamente explorada para sensores químicos microfluídicos, com dispositivos baseados na física de ressonâncias de plasmons de superfície (SPR) entre os mais avançados. 4 Estes sensores são agora capazes de detectar várias biomoléculas específicas e obtiveram sucesso comercial, embora principalmente em larga escala equipamento de laboratório. 5 Em anos recentes, têm aumentado microcavidades ópticas para competir com os sistemas baseados em SPR. Microcavidades pode ser incrivelmente sensível, com a capacidade demonstrada para detectar vírus individuais 6 e talvez até biomoléculas individuais <saté&gt; 7 (este último continua a ser objecto de algum debate, 8 porém, não há dúvida de que os limites de detecção em massa são 9 pequeno). Em microcavidades, o mecanismo de detecção baseia-se em alterações nas ressonâncias ópticos devido à presença de um analito no interior do perfil do campo eléctrico da ressonância. Tipicamente, para um dado analito irá causar a ressonância de mudar no em frequência central, a visibilidade, ou a largura de linha. Tal como acontece com os sistemas de SPR, de microcavidades podem actuar como não específicos refractométricos sensores, ou como biossensores funcionalizados para uma análise específica. Microestruturas dielétricas com uma secção circular (por exemplo, microesferas, discos ou cilindros) são caracterizadas por ressonâncias eletromagnéticas conhecidas como os modos Galeria sussurrando, ou WGMS, um termo que remonta a investigações Senhor Rayleigh de efeitos acústicos análogos. 10 Essencialmente, um WGM óptica ocorre quando uma onda circumnavigates a circular sexão por reflexão total interna, e retorna para o seu ponto de partida na fase. Um exemplo de uma ressonância electromagnética, para uma microesfera de sílica encontra-se ilustrada na figura 1a. Esta ressonância é caracterizado por um máximo na direcção radial (n = 1), enquanto que um total de 53 comprimentos de onda se ajustar em torno do equador (l = 53), das quais apenas algumas são mostrados. A parte evanescente da intensidade de campo se estende para o meio do lado de fora do limite esfera, assim o WGM microsfera pode sentir o meio externo. Capilares são um exemplo particularmente interessante de um sensor baseado em WGM. Em um capilar, WGMS cilíndricos podem formar em torno da secção transversal circular, semelhante ao caso de uma esfera. Se a parede do capilar é muito fina, a parte do campo electromagnético prolonga-se para dentro do canal capilar (Figura 1b). Assim, um tubo capilar pode ser um sensor de microfluidos para analitos injectados para dentro do canal. Esta é a basis de funcionamento do anel de núcleo líquido ressoador óptico (LCORR). LCORRs 11 dependem do acoplamento evanescente de luz a partir de uma fonte de laser de alta precisão ajustável para sondar as WGMS. Um aspecto importante da LCORR é que as paredes capilares devem ser finos (~ 1 mm) para assegurar que as amostras de modo a meio do canal. Isto coloca algumas dificuldades no seu fabrico e faz com que sejam mecanicamente frágeis. No nosso trabalho, nós desenvolvemos uma estrutura alternativa chamamos uma microcavidade núcleo fluorescente (FCM). 12,13 Para formar uma FCM, que revestir as paredes do canal de um capilar com um fluoróforo elevado índice de refracção (especificamente, uma camada de óxido de silício incorporado pontos quânticos). O índice elevado da película é necessária para limitar a radiação emitida, construindo assim as WGMS (Figura 1c). Em contraste com a LCORR, num dos modos de FCM aparecem como maxima afiado em um espectro de fluorescência emitida. A espessura dapelícula é extremamente importante e, se ele for muito espesso a WGM não experimentar o meio do canal capilar, e se for muito fina o confinamento óptico é perdida e as WGMS tornam-se fracas. Assim, a fabricação de um FCM é um processo difícil, exigindo uma preparação cuidadosa. Este é o tema principal do trabalho atual.

<table border="1"><tbody><tr><td> Tabela de Materiais </td><td> Companhia </td><td> Catalogo </td><td> Comentários </td></tr><tr><td> sílica microcapilares </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> tubulação flexível microbore </td><td></td><td></td><td> tygon, polietileno, etc </td></tr><tr><td> adesivo </td><td> Mascote, Norland NOA </td><td></td><td></td></tr><tr><td> HSQ dissolvido em MIBK </td><td></td><td></td><td> por exemplo., Fox-15 </td></tr><tr><td> metanol </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> etanol </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> água destilada </td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table> Lista Tabela 1. Dos materiais utilizados.

synthesis and operation of fluorescent-core microcavities for refractometric sensing

Este artigo discute fluorescentes núcleo microcavidade sensores baseados em que podem operar em uma configuração de análise de microfluídica. Estas estruturas são baseadas na formação de um fluorescente quantum dot-revestimento (QD) sobre a superfície de canal de um microcapilar convencional. QDs silício são especialmente atractivo para esta aplicação, devido em parte à sua toxicidade insignificante comparado com o II-VI e QDs II-VI compostos, os quais são controlados legislativamente substâncias em muitos países. Embora o espectro de emissão conjunto é ampla e sem características, uma película de Si-QD na parede do canal capilar de Características de um conjunto de cortantes, picos estreitos no espectro de fluorescência, que corresponde às ressonâncias electromagnéticas de luz aprisionada dentro do filme. O comprimento de onda de pico de estas ressonâncias é sensível ao meio externo, permitindo assim que o dispositivo funcione como um sensor refractométrico em que nunca os QDs entrar em contacto físico com o analito. O experimentalmétodos associados com a fabricação do microcapilares fluorescente de núcleo são discutidos em detalhe, assim como os métodos de análise. Por fim, é feita uma comparação entre as estruturas e as mais amplamente investigada líquido do núcleo de anéis ópticos ressonadores, em termos de capacidades de detecção microfluidicos.

Pequenos desvios no processo de fabricação capilar pode conduzir a alterações significativas na taxa de sucesso de amostra. Na Figura 5 (anúncio), mostramos exemplos representativos de capilares falhou, assim como um sucesso. Geralmente, a indicação visual de uma amostra de sucesso é uma fluorescência vermelha combinada com uma intensidade elevada para as paredes capilares e um interior featureless. O espectro de fluorescência também indica claramente a diferença entre o sucesso eo fracasso ...

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Synthesis and Operation of Fluorescent-core Microcavities for Refractometric Sensing

Os sensores fluorescentes de núcleo microcavidade empregar um alto índice de revestimento quantum dot-no canal de sílica microcapilares. As mudanças no índice de refracção dos fluidos bombeados para a causa do canal capilar se desloca no espectro de fluorescência microcavidade que pode ser utilizado para analisar o meio do canal.

Síntese e Operação de Fluorescente-core microcavidades de Sensoriamento refractométricos

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 visualizações.  University of Alberta. Os sensores fluorescentes de núcleo microcavidade empregar um alto índice de revestimento quantum dot-no canal de sílica microcapilares. As mudanças no índice de refracção dos fluidos bombeados para a causa do canal capilar se desloca no espectro de fluorescência microcavidade que pode ser utilizado para analisar o meio do canal.

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Terahertz Microfluidic Sensing Using a Parallel-plate Waveguide Sensor

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

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

Sensoriamento terahertz microfluídicos usando um sensor de guia de onda de placas paralelas

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

Engenharia

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.

Fabricação, Operação e Visualização de Fluxo em superfície acústico de ondas orientadas Microfluidics acústico contrafluxo

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.

Fabricação e operação de uma Correia Transportadora Nano-óptica

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

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

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

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

Fabricação e operação de Acoustofluidic dispositivos que suportam a granel ondas acústicas pe para Sheathless Focando de Partículas

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

Colloidal Synthesis of Nanopatch Antennas for Applications in Plasmonics and Nanophotonics

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

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

Coloidal Síntese de nanopatch Antenas para aplicações em plasmônica e Nanophotonics

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

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

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

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

Filamentos de Femtosecond Laser para uso em Sub-Diffraction-Limited imagens e sensoriamento remoto

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.

Quatro ondas infravermelho degenerada mistura com detecção de Upconversion para detecção de gás 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.

Síntese e caracterização de nanopartículas de silício poroso de Fusogenic para a entrega do Oligonucleotide Functionalization

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.

Sensoriamento robótico e provisão de estímulos para crescimento de plantas guiadas

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.

Operação do sistema colaborativo de manufatura composta (CCM)

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