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guida a getto

Un getto d’acqua che, oltre ad essere la sostanza da analizzare, diventa una guida d’onda per la rilevazione di sostanze inquinanti. E’ quanto è stato progettato e realizzato da un gruppo di ricercatori dell’IREA. Il gruppo, composto da Gianluca Persichetti e Genni Testa e guidato da Romeo Bernini, ha sviluppato un sensore optofluidico che elimina completamente la presenza di strutture solide in cui inglobare le guide d’onda di contenimento della soluzione da esaminare.
 
I tipici rivelatori microfuidici per il monitoraggio della qualità dell’acqua si basano sulla proprietà fluorescente degli inquinanti. Quando si illuminano i campioni d’acqua con luce ultravioletta, infatti, le sostanze organiche e i batteri eventualmente presenti in essa assorbono la luce UV e la riemettono come luce di diversa lunghezza d'onda. Tuttavia, uno dei maggiori limiti di tali dispositivi è determinato dal fatto che viene fatto uso di guide d’onda, utilizzate per raccogliere la luce di fluorescenza, che sono completamente immerse all’interno di una struttura solida. Le superfici di tali strutture causano la diffusione della luce di eccitazione ostacolando la rivelazione di sostanze inquinanti.
 
Grazie alla nuova tecnica messa a punto dai ricercatori dell’IREA, invece, i campioni d’acqua da analizzare vengono iniettati in un ago producendo un getto d’acqua il cui diametro è inferiore al millimetro. Illuminando in direzione ortogonale il getto d’acqua mediante radiazione UV, la luce fluorescente prodotta dalle sostanze inquinanti resta intrappolata all’interno del getto, per il fenomeno della riflessione interna totale (TIR), e convogliata poi ad una comune fibra ottica che trasporta il segnale ad un rivelatore.
 
I sensori optofluidici basati su guide d’onda a getto, progettati e interamente realizzati dai ricercatori dell’IREA, hanno permesso la rivelazione a bassissime concentrazioni di numerose sostanze inquinanti, come idrocarburi aromatici (Benzene, Toluene, Xilene e Naftelene, pericolose sostanze chimiche cancerogene) e di batteri, come il Bacillus Subtilis (noto come simulante dell’antrace) o la Microcystis Aeruginosa (legata a fenomeni di eutrofizzazione delle acque). Il dispositivo si è dimostrato dunque estremamente sensibile, in grado di rivelare livelli di sostanze inquinanti ancora più bassi rispetto a quelli consentiti dalla Environmental Protection Agency (EPA).
 
Il dispositivo a guida d’onda a getto, realizzato nell’ambito del progetto di ricerca ACQUASENSE e delle attività di ricerca dell'IREA sui sensori ottici e optofluidici integrati, non richiede alcun pretrattamento del campione da analizzare e può essere facilmente innestato nelle normali tubature dell’acqua. L’estrema economicità e compattezza del dispositivo rendono idoneo l’utilizzo di tale sensore in sistemi di early warning per il monitoraggio della qualità dell’acqua.
 
L’interesse suscitato dal risultato della ricerca è dimostrato dall’essere stato selezionato per le news dell’Optical Society of America (OSA).
 
Studi preliminari sulla fattibilità di utilizzo di sensori microfluidici basati su guide d’onda a getto sono stati pubblicati sulla rivista Optics Letters (http://dx.doi.org/10.1364/OL.37.005115), mentre l’utilizzo di tali sensori in spettroscopia di liquidi e nella rivelazione di tracce di inquinanti nell’acqua potabile sono stati pubblicati sulla rivista Optics Express (http://dx.doi.org/10.1364/OE.21.024219). 
 
 
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Progettazione e simulazione sono due aspetti fondamentali nello sviluppo di nuovi dispositivi e sensori.

Con particolare riferimento alla sensoristica ottica i ricercatori dell’IREA vantano una pluriennale esperienza nella messa a punto di metodologie consolidate per la progettazione di nuovi dispositivi integrati che combinino sia proprietà ottiche, per l’analisi dei liquidi, sia proprietà microfluidiche per il controllo del liquido da analizzare. In particolare sono state progettate guide ottiche integrate capaci di confinare simultaneamente in uno stesso microcanale sia il liquido da analizzare che la luce utilizzata per analizzarlo. Questi dispositivi sono stati progettati e simulati mediate l’uso sia di codici appositamente sviluppati presso l’IREA sia attraverso software commerciali.

Sono stati sviluppati altresì modelli per la descrizione e l’analisi dello scattering stimolato di Brillouin in fibra ottica. Tali modelli consento di simulare in maniera rapida ed accurata lo scattering stimolato di Brillouin in una fibra ottica mononomodale tenendo in conto anche dei fenomeni non lineari. Questi modelli sono stati successivamente utilizzati per la messa a punto di algoritmi per l’elaborazione dei dati di sensori distribuiti in fibra ottica basati sullo scattering di Brillouin che consentono di aumentare sia l’accuratezza che la risoluzione.

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Giovedì, 20 Febbraio 2014 17:39

Guide ARROW ibride (h-ARROW)

h-ARROWLe guide ARROW sono generalmente fabbricate utilizzando processi diffusi nella tecnologia in silicio, quali wafer-bonding o etching sacrificale. Utilizzando questi processi sono state fabbricate guide ARROW con buone prestazioni ottiche. Nel caso in cui il processo coinvolga un bonding tra due substrati di silicio, il core è realizzato in uno dei substrati mediante dry etching, seguito poi dalla deposizione chimica (o per strati atomici) degli strati di cladding. Va sottolineato che in questi casi l’integrazione della componente microfluidica prevede un etching molto profondo nei substrati di silicio, processo spesso molto lungo e dispendioso. Per queste ragioni negli ultimi anni stanno diventando sempre piu diffusi approcci innovativi per la realizzazione di dispositivi optofluidici, basati sull’utilizzo di materiali e tecnologie ibride. In particolare, l’utilizzo di materiali polimerici quali PMMA o PDMS per fabbricare la parte microfluidica, unitamente al silicio per fabbricare i componenti fotonici, offre notevoli vantaggi in termini di costo e di rapidità di realizzazione.  I dispositivi polimerici possono essere fabbricati impiegando tecniche di fabbricazione a basso costo quali la litografia “soffice” e la microfresatura.

In questo scenario, i ricercatori dell’IREA hanno recentemente dimostrato la possibilità di realizzare delle guide d’onda ibride di tipo ARROW (h-ARROW), ottenute sostituendo al substrato superiore in silicio un sottile strato di PDMS (figura). Dopo un’accurata progettazione, queste guide sono state fabbricate e caratterizzate otticamente, dimostrando la possibilità di ottenere un’attenuazione sul modo fondamentale di 6.9cm-1 alla lunghezza d’onda di 635nm. Questo risultato dimostra la fattibilità di guide d’onda ARROW ibride con attenuazione comparabile a quella delle guide ARROW convenzionali (realizzate completamente in silicio). Le guide h-ARROW sono state utilizzate per la realizzazione di una piattaforma optofluidica ibrida silicio-PDMS per applicazioni sensoristiche. Il vantaggio offerto dall’utilizzo di un approccio ibrido è stato dimostrato integrando nella parte polimerica un sistema microfluidico utile alla manipolazione del fluido sotto analisi.

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Giovedì, 20 Febbraio 2014 17:42

Interferometro Mach-Zender optofluidico

optofluidic Mach-ZehnderUtilizzando guide d’onda liquide ARROW è stato progettato e fabbricato un interferometro Mach-Zenhder optofluidico integrato, con un’elevata visibilità. La geometria è stata opportunamente ottimizzata in modo da ridurre la differenza tra le intensità trasmesse dai due rami dell’interferometro, anche in caso di elevato sbilanciamento tra i cammini ottici. Il dispositivo è molto compatto, con una lunghezza di 2.5mm e un volume di fluido richiesto di circa 0.16nl. Due configurazioni Mach-Zehnder differenti sono state realizzate, corrispondenti a due diverse differenze di lunghezze ΔL. Nel particolare caso ΔL=200µm, dall’analisi dello spetro trasmesso è stato misurato un free spectral range (FSR) intorno a λ=640nm di FSR»1.48nm, in ottimo accordo con il valore atteso. La sensibilità di volume teorica di questo dispositivo è Δn=1x10-5 RIU alla lunghezza d’onda λ=635nm.

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Giovedì, 20 Febbraio 2014 17:49

Risonatore optofluidico ad anello integrato

risonatore ad anelloLe guide d’onda liquide ARROW sono state utilizzate dai ricercatori dell’IREA per realizzare un risonatore ad anello optofluidico integrato. Il risonatore presenta una forma rettangolare, una lunghezza totale di circa 167µm e un volume di liquido richiesto di circa 0.11nl. Per accoppiare la luce nella struttura ad anello è stato progettato un’ accoppiatore optofluidico di tipo MMI (basato su interferenza multimodale) . L’utilizzo di guide liquide ARROW permette di utilizzare il core per far fluire il liquido di sensing, conferendo al dispositivo un elevato grado di compattezza e di integrazione con la parte microfluidica. La caratterizzazione ottica del dispositivo ha dimostrato un fattore di qualità Q≈800, in buon accordo con i risultati numerici attesi.

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piattaformaLe guide d’onda ARROW ibride sono state utilizzate dai ricercatori dell’IREA per la realizzazione di una piattaforma optofluidica per applicazioni sensoristiche. La piattaforma, schematizzata in figura, è stata realizzata utilizzando un approccio modulare. Il substrato inferiore in silicio costituisce il canale optofluidico di una guida ARROW convenzionale, mentre il substrato superiore è stato realizzato in PDMS e integra il sistema microfluidico. Per la fabbricazione della parte polimerica sono state utilizzate le tecniche della litografia soffice e della microfresatura. In particolare, la struttura in PDMS si compone di due layer posti l’uno sull’altro. Sul layer a sono state realizzate due ridges in PDMS, le quali, una volta inserite nel canale optofluidico, costituiscono il core solido di una guida d’onda ARROW ibrida (h-ARROW solida). Il layer a insieme al substrato di silicio realizzano complessivamente una guida liquida h-ARROW con integrate due guide solide h-ARROW, perfettamente allineate con il canale optofluidico. Due fori sono stati realizzati in corrispondenza delle ridges per creare la connessione microfluidica con il layer b. Il layer a è quindi parte del sistema microfluidico ma ha allo stesso tempo anche una funzione ottica. Il layer b è dedicato completamente alla microfluidica e integra un micromixer. Il chip è stato utilizzato per misure di fluorescenza, ottenendo una un limite di rivelazione di 2.5 nM. Il dispositivo realizzato offre i vantaggi di una rapida prototipizzazione e una grande versatilità. La parte polimerica, infatti, può essere facilmente sostituita e adattata a differenti schemi di rivelazione ottica.

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Giovedì, 01 Gennaio 2015 15:35

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

Giovedì, 14 Luglio 2011 17:18

Monitoraggio di inquinanti in acque potabili

jet waveguideSecondo uno studio recentemente svolto dall’Environmental Protection Agency (EPA), un sistema di allarme per il monitoraggio della qualità dell’acqua potabile dovrebbe essere in grado di dare risposte immediate rilevando con elevata sensibilità una vasta gamma di potenziali sostanze inquinanti e minimizzando il numero di falsi positivi e falsi negativi. Tale sistema dovrebbe, anche, presentare un buon livello di automazione e semplicità d’uso.

Ad oggi, un simile sistema non esiste e quelli attualmente in uso monitorizzano la qualità dell’acqua: (i) misurando continuativamente un ridotto numero di parametri fisico/ chimici (pH, eH, temperatura, conduttività, torbidità); (ii) effettuando analisi periodiche in laboratorio su campioni. Non esiste pertanto alcun sistema in grado di fornire allarmi in tempo reale del verificarsi di una contaminazione accidentale o dolosa.

La realizzazione di un sistema innovativo per il monitoraggio capillare ed in tempo reale della qualità dell’acqua potabile, in grado di soddisfare i requisiti delineati EPA, richiede l’integrazione di diverse tipologie di sensori, tra cui sensori ottici ed elettromagnetici. E’, infatti, possibile rilevare sostanze inquinanti organiche e microorganismi tossici sfruttando la loro fluorescenza naturale, emessa quando illuminati da una luce UV (260-400nm), ed usando la tecnologia microfluidica per prelevare in modo attentamente controllato i campioni di acqua. D’altra parte, la presenza di sostanze inquinanti determina un’alterazione delle caratteristiche elettromagnetiche (conducibilità specifica, permittività) del campione, che possono essere rilevate mediante tecniche di diagnostica a microonde.

Tra i sensori optofluidici recentemente progettati e realizzati presso l’IREA, sono da annoverare quelli basati su guide d’onda a getto. In tali dispositivi viene sfruttata la proprietà di guida offerta da un getto liquido per veicolare segnali utili a fini di sensing.

Illuminando in direzione ortogonale il getto d’acqua mediante radiazione UV, la luce fluorescente prodotta dalle sostanze inquinanti resta intrappolata all’interno del getto, per il fenomeno della riflessione interna totale (TIR), e convogliata poi ad una fibra ottica che trasporta il segnale ad un rivelatore. Tale approccio elimina completamente inconvenienti che tipicamente affliggono altre metodologie, dovuti alla presenza di strutture solide in cui inglobare la guide d’onda e la soluzione da esaminare.

Sensori optofluidici basati su guide d’onda a getto, hanno permesso la rivelazione a bassissime concentrazioni di numerose sostanze inquinanti, come idrocarburi aromatici (ad esempio: benzene, toluene, xilene e naftelene) e di batteri, come il Bacillus Subtilis (noto come simulante dell’antrace) o la Microcystis Aeruginosa (legata a fenomeni di eutrofizzazione delle acque).

Nell’ambito del progetto ACQUASENSE, sono state testate differenti versioni di tali dispositivi che hanno poi dato luogo alla realizzazione di un dispositivo portatile.

L’interesse suscitato per le ricerche svolte è testimoniato da diversi importanti media del settore:

Optical Society of America (OSA) (http://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/newsreleases/2013/naked_jets_of_water_make_a_better_pollutant_detect/)

Optics & Photonics News - December 2013 (http://www.opnmagazine-digital.com/opn/december_2013?pg=14#pg14)

Photonics Magazine OPLI (http://www.opli.net/opli_magazine/eo/2013/naked-jets-of-water-make-a-better-pollutant-detector/ )

Science Daily (http://www.sciencedaily.com/releases/2013/10/131003162942.htm )

Photonics Spectra (http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=55429 )

Red Orbit (http://www.redorbit.com/news/science/1112966652/naked-jets-water-better-way-to-detect-pollutants-100413/

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Mercoledì, 20 Luglio 2011 08:24

Sensori biochimici e biomedicali

Cito

L’analisi selettiva, veloce ed accurata di cellule o, in generale, di particelle è ampliamente usata in diversi ambiti applicativi come la biologia cellulare, la medicina, la tossicologia, il monitoraggio ambientale. Tali analisi sono effettuate mediante apparecchiature dedicate al conteggio di un elevato numero di singole cellule o particelle, i citofluorimetri a flusso, che sono realizzate usando una complessa serie di componenti fluidici, ottici, elettronici e software. In particolare, cellule/particelle in sospensione vengono iniettate in un flusso laminare e idrodinamicamente focheggiate in un flusso di singole cellule/particelle che passano sotto una luce monocromatica. La luce diffusa o emessa in fluorescenza è raccolta ed analizzata fornendo informazioni per la classificazione delle cellule/particelle.

Tipicamente i citofluorimetri a flusso sono strumenti ingombranti, complessi, delicati e costosi e questo limita fortemente il loro utilizzo al di fuori di laboratori di ricerca avanzati. Vi è quindi una forte necessità di sviluppare citofluorimetri a flusso che siano adatti ad applicazioni di monitoraggio diffuso ed in situ. A tal fine, parte dell’attività di ricerca svolta presso l’IREA è stata indirizzata alla progettazione, realizzazione e caratterizzazione di micro-citofluorimetri a flusso, sia in silicio che in materiali plastici. I dispositivi realizzati prevedono che tutta la parte di microfluidica e d’illuminazione e raccolta della luce venga integrata su uno stesso supporto consentendo così la realizzazione di un cosiddetto “Lab on Chip” con una notevole riduzione delle dimensioni, della complessità e dei costi del dispositivo.

I citifluorimetri non sono gli unici sensori biochimici/biomedici sviluppati all’IREA. Un diverso metodo è quello che viene considerato nella realizzazione di piattaforme ibride. Sfruttando un approccio modulare, è possibile utilizzare substrati di silicio per la realizzazione di canali optofluidici di guide d’onda ARROW mentre gli elementi microfluidici vengono realizzati in PDMS (polidimetilsilossano). Tale piattaforma ibrida, basata sull’utilizzo di guide ibride (h-ARROW), ha permesso di raggiungere bassi limiti di rivelazione (dell’ordine di poche nM). Grazie alla struttura modulare, offre il vantaggio di una rapida prototipizzazione ed una elevata versatilità in quanto gli elementi microfluidici possono essere rapidamente sostituiti.

Una rapida ed efficace rivelazione di sostanze chimiche o di batteri è stata ampiamente utilizzata avvalendosi di sensori optofluidici basati su guide d’onda a getto. In tali dispositivi la natura guidante di un getto liquido viene utilizzata per veicolare la fluorescenza naturale prodotta dalla soluzione analizzata, quando eccitata mediante radiazione UV. Tale approccio è stato utilizzato ad esempio nella rivelazione di inquinanti dell’acqua (in particolare idrocarburi) e nella rivelazione di batteri (ad esempio Bacillus Subtilis o Microcystis Aeruginosa). Sono stati realizzati diversi dispositivi di tal genere: da quelli integrati a dispositivi portatili. In particolare, la realizzazione di sensori da utilizzare per misure su campo è stata sviluppata nell’ambito del progetto ACQUASENSE.

 

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Una delle attività di ricerca irea

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