Sensori ottici ed optofluidici integrati

SensOpto

I sensori optofluidici rappresentano una recente innovazione nel campo della sensoristica che unendo le caratteristiche uniche dei liquidi a quelle della microfluidica permette la realizzazione di dispositivi innovativi. In tale ambito ricadono ad esempio i sensori basati su guide liquide a getto recentemente realizzati all’IREA. Inoltre, i sensori optofluidici si prestano agevolmente ad una integrazione con altri dispositivi elettronici.

La realizzazione di sensori ottici integrati con circuiti microelettronici deputati all’elaborazione del segnale ed incorporati all’interno di micro-analizzatori offre notevoli vantaggi in termini di peso, dimensioni e costo. Essi possono essere, infatti, realizzati con costi notevolmente inferiori rispetto alle strumentazioni convenzionali, hanno un elevata portabilità, ed inoltre consentono di eseguire numerose analisi con una ridottissima quantità di sostanza con ulteriore riduzione dei costi in termini di reagenti e manutenzione.

L’attività di ricerca svolta è indirizzata allo sviluppo di dispositivi optofluidici, in cui i sistemi ottici vengono sintetizzati mediante l’uso di fluidi. Ciò consente in principio una completa integrazione tra componente ottica e componente microfluidica, che si traduce in una maggiore compattezza e stabilità del dispositivo e, grazie al confinamento della luce e del fluido nella stessa regione del dispositivo, alla realizzazione di sensori ad elevata efficienza. Tali dispositivi optofluidici sono stati realizzati utilizzando diversi materiali e tecnologie di fabbricazione. In particolare, sono stati sviluppati micro-dispositivi optofluidici in polimero e micro-dispositivi ibridi, questi ultimi ottenuti attraverso l’integrazione di componenti in silicio e materiali polimerici. I dispositivi optofluidici realizzati con materiali polimerici (quali ad esempio PMMA e PDMS) sono stati fabbricati impiegando tecniche di fabbricazione quali la litografia “soffice” e la microfresatura.

In questo contesto i ricercatori dell’IREA hanno sviluppato un approccio alternativo che consiste nell’utilizzare un diverso tipo di guide integrate, chiamate guide ottiche a riflessione antirisonante (ARROW), il cui principale vantaggio risiede nella possibilità di realizzare guide con indice di rifrazione del core più basso dei cladding circostanti.

Guide ARROW ibride (h-ARROW), fabbricate sostituendo allo strato antirisonante un sottile layer di PDMS, sono state progettate e caratterizzate e applicate con successo come elemento base per la realizzazione di piattaforme optofluidiche di tipo lab-on-a-chip per applicazioni biomedicali.

Le guide ARROW, secondo come sono progettate, possono essere usate sia direttamente come sensori d’indice di rifrazione sia come celle per aumentare l’interazione fra la luce e le sostanze, liquidi o gas, di cui è riempito il core. Infatti, esse consentono di confinare simultaneamente nel core della guida sia la luce sia la sostanza sotto analisi. Esse inoltre possono essere utilizzate come elemento base per la realizzazione di complessi sensori e dispositivi ottici integrati in cui la luce non si propaga in un solido bensì in un liquido. Quest’approccio ha consentito la realizzazione di:

- Sensori d’indice di rifrazione

- Accoppiatori direzionali optofluidici tunabili

- Filtri optofluidici tunabili

- Inteferometri Mach-Zhender optofluidici

- Risonatori optofluidici ad anello 

Dispositivo optofluidico integrato ibrido per misure di fluorescenza


Additional Info

G.Testa, G. Persichetti, R.Bernini “A hibrid silicon-PDMS optofluidic platform for biosensing applications” Biomedical Optics Express, 5 (2) pp.417-426 (2014).

G. Persichetti, G.Testa, R.Bernini, “High sensitivity UV fluorescence spectroscopy based on an optofluidic jet waveguide” Optics Express, 21, pp 24219-24230 (2013)

G. Persichetti, G.Testa, R.Bernini, “Optofluidic jet-waveguide for laser-induced fluorescence spectroscopy” Optics Lett., 37, Issue 24, pp. 5115-5117 (2012).

A. Minardo, G. Persichetti, G. Testa, L. Zeni and R. Bernini, “Long term structural health monitoring by Brillouin fibre-optics sensing: a real case”, J. Geophys. Eng. , 9, S64, (2012).

G.Testa, R.Bernini, “Hybrid Silicon-PDMS Optouidic ARROW Waveguide”, IEEE Photonic Technology letters, 24, 1307, (2012).

G.Testa, R.Bernini, “Integrated tunable liquid optical fiber”, Lab Chip, 12, 3670, (2012).

G.Testa, R.Bernini, “Slot and Layer-Slot waveguide in the visible spectrum”, IEEE Journal of Lightwave Technology, 29, 2979 (2011).

G.Testa, Y. Huang, L. Zeni, P.M.Sarro, R. Bernini, “Integrated optofluidic ring resonator”, Appl. Phys. Lett. 97, 131110 (2010).

R. Bernini, A. Minardo, G. Testa, L. Zeni, “Dynamic strain measurements on a cantilever beam using stimulated Brillouin scattering”, Smart Mater. Struct. 19, 045024 (2010).

A. Minardo, G. Testa, L. Zeni, R. Bernini, “Theoretical and experimental analysis of Brillouin scattering in single mode optical fiber excited by an intensity- and phase-modulated pump”, IEEE Journal of Lightwave Technology 28, 193 (2010).

G.Testa, Y. Huang, L. Zeni, P.M.Sarro, R. Bernini,”High visibility Optofluidic Mach-Zehnder Interferometer ”, Optics Lett. 35, 1584 (2010).

G.Testa, Y. Huang, L. Zeni, P.M.Sarro, R. Bernini, “Liquid core ARROW waveguides by Atomic Layer Deposition”, IEEE Photonic Technology letters 22, 616 (2010).

R. Gravina, G.Testa, R.Bernini, “Perfluorinated Plastic Optical Fiber Tapers for Evanescent Wave Sensing”, Sensors 9, 10423 (2009)

R.Bernini, G.Testa, L. Zeni, P.M. Sarro, “2x2 Optofluidic Multimode Interference Coupler”, IEEE J. Select. Topics Quantum Electron. 15, 1478 (2009).

R.Bernini, G.Testa, L. Zeni, P.M. Sarro ,“Integrated Optofluidic Mach-Zehnder Interferometer based on liquid core waveguides”, Appl. Phys. Lett. 93, 011106 (2008).

R. Bernini, E. De Nuccio, A. Minardo, L. Zeni and P.M. Sarro,“Liquid-core/liquid-cladding integrated silicon ARROW waveguides”, Optics Communications, 281, pp.2062-2066 (2008)

R. Bernini, E. De Nuccio, A. Minardo, L. Zen, P. M. Sarro, “2D MMI devices based on integrated hollow ARROW waveguides”, IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., 13, no.2, pp.194-201 (2007)

A.Minardo, R. Bernini, F. Mottola and L. Zeni “Optimization of metal-clad waveguides for sensitive fluorescence detection”, Optics Express, 14 (8), pp.3512-3527 (2006). Scelto per The virtual journal for biomedical optics Vol. 1, Iss. 5 -- May 5 (2006).

R. Bernini . E. De Nuccio, F. Brescia, A. Minardo, L. Zeni, P. M. Sarro, R. Palumbo, M. R. Scarfi, “Development and characterization of an integrated silicon micro flow cytometer”, Analytical and Bioanalytical Chemistry, 386, pp.1267–1272 (2006).

Bernini R., Cennamo N., Minardo A., Zeni L. “Planar waveguides for fluorescence-based biosensing: optimization and analysis” IEEE sensors journal vol. 6, pp. 1218-1226 (2006).

Minardo A., Bernini R., Mottola F., Zeni L. “Optimization of metal-clad waveguides for sensitive fluorescence detection,” Optics express vol.14, pp. 3512-3517 (2006).

Bernini R., De Nuccio E., Brescia F., Minardo A., Zeni L., Sarro P.M., Palumbo R., Scarfì M.R. “Development and characterization of an integrated silicon micro flow cytometer”, Analytical & bioanalytical chemistry vol. 386, pp. 1267-1272 (2005).

Bernini R., Campopiano S., Sarro P.M., Zeni L. “Arrow optical waveguides based sensors” Sensor and Actuator B vol. 100, pp. 143-146 (2004).

Campopiano S., Bernini R., Zeni L., Sarro P.M. “Microfluidic sensor based on integrated optical hollow waveguides,” Optics letters, vol. 29 pp. 1894-1896 (2004).

Bernini R, Campopiano S, de Boer C, Sarro PM, Zeni L,” Planar antiresonant reflecting optical waveguides as integrated optical refractometer”, IEEE Sensors Journal vol. 3, pp. 652-657 (2003).

    Le attività di ricerca svolte nell'ambito della tematica Sensori ottici ed optofluidici integrati si inquadrano nei seguenti progetti di ricerca

    2012-2016: “Microrisonatori Optofluidici Ultra-Sensibili di Tipo "Flow-Through" per Applicazioni Biosensoristiche (SENS4BIO)” ( FIRB 2012)

    2013-2016 “Advanced spectroscopic hemogram for personalized care against live threatening infections using an integrated chip-assisted bio-photonic system (HEMOSPEC)” (European Union project, FP7-ICT-2013-10) *

    2012-2016: “NANOphotonic DEvice for Multiple therapeutic drug monitoring (NANODEM)” (European Union project , FP7-NMP-2010-LARGE-4)

    2011 – 2014 “Sviluppo di sistemi di controllo, applicazione di materiali e processi per il miglioramento della qualità dell’acqua potabile (ACQUASENSE)” (MISE, Bando nuove tecnologie per il made in Italy: "Tecnologie e soluzioni impiantistiche per gli ambienti civili ed industriali")

    2009-2010: “Progettazione e fabbricazione di componenti ottici e microfluidici integrati per la realizzazione di sensori chimici e biochimici” (Ricerca Spontanea a tema libero CNR -RSTL n.0083)

    2006-2007: “Sviluppo e caratterizzazione di un microcitofluorimetro integrato (MCFI) per analisi in situ” (L.R. n5./2002 – Regione Campania)

     

    Technical University of Delft

    Seconda Università di Napoli

    Università di Firenze

    Nel laboratorio di ottica e optoelettronica dell’IREA è disponibile la maggior parte dell’attrezzatura utile alla caratterizzazione ottica di sensori ottici e optoelettronici tra cui banchi ottici, laser tunabili, sorgenti ad ampio spettro in fibra, spettrofotometri ad alta risoluzione e diverse sorgenti ottiche nella regione UV-VIS-NIR.

    Sistemi ottici di allineamento ad alta precisione per la caratterizzazione di guide ottiche/optofluidiche integrate

    Profilometro ottico

    Una fresatrice a controllo numerico (CNC)

    Attrezzatura per la fabbricazione di dispositivi microfluidici

    Sistema al plasma a ossigeno

    Sistema laser al femtosecondo

    Una camera pulita classe 10000, attrezzata con un sistema litografico di scrittura diretta via laser e uno spin-coater per la deposizione di film polimerici sottili.

    Il laboratorio è inoltre equipaggiato con computer ad alte prestazioni dedicati alla progettazione e simulazione di dispositivi ottici e optofluidici.


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