IREA. Istituto per il Rilevamento Elettromagnetico dell Ambiente

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1 IREA Istituto per il Rilevamento Elettromagnetico dell Ambiente Romeo Bernini Istituto per il Rilevamento Elettromagnetico dell Ambiente (IREA) Consiglio Nazionale delle Ricerche Via Diocleziano 328, Napoli, Italy

2 Attività Sensori per il monitoraggio ambientale Biosensori Sviluppo e realizzazione di sensori microfluidici in silicio e in polimero Studio di configurazioni ottiche innovative

3 Lab-on-chip Integrazione di complesse reti di microcanali Microfluidica La rivelazione ottica è uno strimento molto diffuso nelle moderne tecniche di analisi chimiche e biochimiche Ottica Guide cave Vantaggi Compattezza Guida ottica Lo stesso canale viene usato per trasportare sia il liquido che la luce Elevata efficienza d interazione tra il liquido e la luce Semplificazione del dispositivo

4 Guide cave a confinameneto antirisonante (ARROW) La luce è confinata nella regione di core, dove l indice di rifrazione n c è più basso rispetto ai mezzi circostanti, per mezzo di strati dielettrici progettati per essere degli specchi Fabry-Perot ad elevata riflettività ( cavità antirisonanti). Struttura 1D substrate n 2, d 2 n 1, d 1 x n2 n1 ns x z y Core n c n 1, d 1 n 2, d 2 substrate Specchio Fabry Perot R>99% nc n2 n1 n(x) ns

5 Guide cave ARROW bidimensionali Struttura bidimensionale Top wafer substrate n 2, d 2 n 1, d 1 n n, 1, d 1 n 2, d 2 d h d c Semplice geometria Non richiede allineamento 1 Cladding Si 3 N 4 n 1 = Cladding Substrato Si SiO 2 n 2 =1.488 n s = i Bottom wafer substrate

6 Canale d ingresso Applicazione 1 Cella di assorbimento per misure di colorimetriche di concentrazione di proteine Canale d uscita Fibra d ingresso Principio di misura La guida ottica cava è utilizzata come cella di assorbimento (Biorad protein assay dye reagent) E un saggio colorimetrico per cui c è un cambiamento di colore del dye al variare della concentrazione di proteine. Flow in 0.5 cm Flow out Input Fibra d uscita fiber in 2.5 cm fiber out

7 Applicazione Absorbance Volume richiesto=0.34 nl Bovine serum albumin [ μg/ml]

8 Applicazione (2) Micro citofluorimetro a flusso La citofluorimetria a flusso è una tecnica che consente di misurare ed analizzare la fluorescenza di una singola particella, tipicamente una cellula, che fluendo in microcanale è illuminata da una luce laser. La focalizzazione idrodinamica permette di disporre le cellule in fila ad una ad una davanti alla luce di eccitazione.

9 Micro citofluorimetro a flusso integrato in Silicio Flusso di focheggiamento Fibre ottiche per la raccolta della fluorescenza Luce di eccitazione Fluorescenza Flusso campione Cellule/particelle Fibre ottiche per la raccolta Flusso di focheggiamento della fluorescenza Rivelazione della fluorescenza multi lunghezza d onda La guida cava ARROW permette l integrazione del canale microfluidico per il trasporto del campione con la guida utilizza per eccitare la fluorescenza

10 Micro citofluorimetro a flusso integrato in Silicio Ingressi del liquido di focheggiamneto Canale di focheggiamento Scavi per le fibre di raccolta Scavo per la fibra di eccitazione 1cm uscita 2.5cm Ingresso del Liquido campione Canale di focheggiamento

11 Micro citofluorimetro a flusso integrato in Silicio Fibre per la raccolta della fluorescenza Fibra di eccitazione Tubi

12 Risultati sperimentali su cellule marcate Cellule umane Jurkat (leucemia a cellule T), con un diametro di circa 20 μm Le cellule sono marcate con ioduro di propidio (PI). Il PI si lega al DNA in maniera stechiometrica così risulta una relazione diretta tra il contenuto di DNA e la fluorescenza del PI. Infatti, questo dye fluorescente è correntemente usato per studiare il ciclo cellulare

13 Risultati sperimentali su cellule marcate Focalizzazione idrodinamica di cellule marcate in fluorescenza

14 Risultati sperimentali su cellule marcate 0.05 Fluorescence intensity [a.u.] Time [s]

15 Analisi dei dati G 0 /G 1 18 G 0 /G Events 10 8 Events G 2 /M 600 G 2 /M Fluorescence intensity [a.u.] micro citofluorimetro Fluorescence intensity [a.u.] Citofluorimetro da laboratorio

16 Chip polimerici Sviluppo e realizzazione di sensori microfluidici in polimero

17 Ottimizzazione di guide ottiche per la raccolta della fluorescenza water 120 Blu - d fluo = 0μm, β θ TIR anticritical angle TIR anticritical angle 270 glass

18 Ottimizzazione di guide ottiche per la raccolta della fluorescenza Plasmonic waveguide e e e-005 2e-005 1e Metal-clad leaky waveguide water β Blu λ=570nm Rosso λ=490nm z dielectric film metal df dm θinc Excitation θ glass

19 Ottimizzazione di guide ottiche per la raccolta della fluorescenza

20 Pubblicazioni R. Bernini, N. Cennamo, A. Minardo, L. Zeni, Planar waveguides for fluorescence-based biosensing: optimization and analysis, IEEE Sensors Journal, VOL. 6, NO. 5, pp , 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 , A. Minardo, R. Bernini, F. Mottola and L. Zeni Optimization of metal-clad waveguides for sensitive fluorescence detection, Optics express, Vol. 14, No. 8, pp , R. Bernini, E. De Nuccio, A. Minardo, L. Zeni, P.M. Sarro, Integrated silicon optical sensors based on hollow core waveguide, Photonics West, Proceedings of SPIE -- Volume 6477, Silicon Photonics II, Joel A. Kubby, Graham T. Reed, Editors, (Feb. 9, 2007) R. Bernini, E. De Nuccio, A. Minardo, L. Zeni and P.M. Sarro, Liquid-core/liquid-cladding integrated silicon ARROW waveguides, Optics Comm., Vol.281, pp , 2008 R. Bernini, G. Testa, L. Zeni, P.M. Sarro Integrated optofluidic Mach-Zehnder interferometer based on liquid core waveguides, Appl. Phys. Lett. 93, (2008) R. Bernini,. R. Gravina, Polymer optical fiber tapers for biosensing applications, Optical Fibers and Sensors for Medical Diagnostics and Treatment Applications IX. Proceedings of the SPIE, Volume 7173, pp (2009).