Multifunctional Biosensor Based on Localized Surface Plasmon Resonance for Monitoring Small Molecule–Protein Interaction

We report an optical sensor based on localized surface plasmon resonance (LSPR) to study small-molecule protein interaction combining high sensitivity refractive index sensing for quantitative binding information and subsequent conformation-sensitive plasmon-activated circular dichroism spectroscopy. The interaction of α-amylase and a small-size molecule (PGG, pentagalloyl glucose) was log concentration-dependent from 0.5 to 154 μM. In situ tests were additionally successfully applied to the analysis of real wine samples. These studies demonstrate that LSPR sensors to monitor small molecule–protein interactions in real time and in situ, which is a great advance within technological platforms for drug discovery.

Old cellulose for new multifunctional networks

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Ciência e Engenharia de Materiais

Sensores de fibra ótica baseados em novos materiais flexíveis

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e de Computadores

Behaviours implemented using a vision system based on coded light projection

In a search for new sensor systems and new methods for underwater vehicle positioning based on visual observation, this paper presents a computer vision system based on coded light projection. 3D information is taken from an underwater scene. This information is used to test obstacle avoidance behaviour. In addition, the main ideas for achieving stabilisation of the vehicle in front of an object are presented

Surface deterioration of dental materials after simulated toothbrushing in relation to brushing time and load.

OBJECTIVES: (1) To evaluate the changes in surface roughness and gloss after simulated toothbrushing of 9 composite materials and 2 ceramic materials in relation to brushing time and load in vitro; (2) to assess the relationship between surface gloss and surface roughness. METHODS: Eight flat specimens of composite materials (microfilled: Adoro, Filtek Supreme, Heliomolar; microhybrid: Four Seasons, Tetric EvoCeram; hybrid: Compoglass F, Targis, Tetric Ceram; macrohybrid: Grandio), two ceramic materials (IPS d.SIGN and IPS Empress polished) were fabricated according to the manufacturer's instructions and optimally polished with up to 4000 grit SiC. The specimens were subjected to a toothbrushing (TB) simulation device (Willytec) with rotating movements, toothpaste slurry and at three different loads (100g/250g/350g). At hourly intervals from 1h to 10h TB, mean surface roughness Ra was measured with an optical sensor and the surface gloss (Gl) with a glossmeter. Statistical analysis was performed for log-transformed Ra data applying two-way ANOVA to evaluate the interaction between load and material and load and brushing time. RESULTS: There was a significant interaction between material and load as well as between load and brushing time (p<0.0001). The microhybrid and hybrid materials demonstrated more surface deterioration with higher loads, whereas with the microfilled resins Heliomolar and Adoro it was vice versa. For ceramic materials, no or little deterioration was observed over time and independent of the load. The ceramic materials and 3 of the composite materials (roughness) showed no further deterioration after 5h of toothbrushing. Mean surface gloss was the parameter which discriminated best between the materials, followed by mean surface roughness Ra. There was a strong correlation between surface gloss and surface roughness for all the materials except the ceramics. The evaluation of the deterioration curves of individual specimens revealed a more or less synchronous course suspecting hinting specific external conditions and not showing the true variability in relation to the tested material. SIGNIFICANCE: The surface roughness and gloss of dental materials changes with brushing time and load and thus results in different material rankings. Apart from Grandio, the hybrid composite resins were more prone to surface changes than microfilled composites. The deterioration potential of a composite material can be quickly assessed by measuring surface gloss. For this purpose, a brushing time of 10h (=72,000 strokes) is needed. In further comparative studies, specimens of different materials should be tested in one series to estimate the true variability.

Reduction of the effect of aberrations in a joint transform correlator

We report the study of the influence of optical aberrations in a joint-transform correlator: The wave aberration of the optical system is computed from data obtained by ray tracing. Three situations are explored: We consider the aberration only in the first diffraction stage (generation of power spectrum), then only in the second (transformation of the power spectrum into correlation), and finally in both stages simultaneously. The results show that the quality of the correlation is determined mostly by the aberrations of the first diffraction stage and that we can optimize the setup by moving the cameras along the optical axis to a suitable position. The good agreement between the predicted data and the experimental results shows that the method explains well the behavior of optical diffraction systems when aberrations are taken into account.

Round robin test: wear of nine dental restorative materials in six different wear simulators - supplement to the round robin test of 2005.

OBJECTIVE: The purpose of the present study was to submit the same materials that were tested in the round robin wear test of 2002/2003 to the Alabama wear method. METHODS: Nine restorative materials, seven composites (belleGlass, Chromasit, Estenia, Heliomolar, SureFil, Targis, Tetric Ceram) an amalgam (Amalcap) and a ceramic (IPS Empress) have been submitted to the Alabama wear method for localized and generalized wear. The test centre did not know which brand they were testing. Both volumetric and vertical loss had been determined with an optical sensor. After completion of the wear test, the raw data were sent to IVOCLAR for further analysis. The statistical analysis of the data included logarithmic transformation of the data, the calculation of relative ranks of each material within each test centre, measures of agreement between methods, the discrimination power and coefficient of variation of each method as well as measures of the consistency and global performance for each material. RESULTS: Relative ranks of the materials varied tremendously between the test centres. When all materials were taken into account and the test methods compared with each other, only ACTA agreed reasonably well with two other methods, i.e. OHSU and ZURICH. On the other hand, MUNICH did not agree with the other methods at all. The ZURICH method showed the lowest discrimination power, ACTA, IVOCLAR and ALABAMA localized the highest. Material-wise, the best global performance was achieved by the leucite reinforced ceramic material Empress, which was clearly ahead of belleGlass, SureFil and Estenia. In contrast, Heliomolar, Tetric Ceram and especially Chromasit demonstrated a poor global performance. The best consistency was achieved by SureFil, Tetric Ceram and Chromasit, whereas the consistency of Amalcap and Heliomolar was poor. When comparing the laboratory data with clinical data, a significant agreement was found for the IVOCLAR and ALABAMA generalized wear method. SIGNIFICANCE: As the different wear simulator settings measure different wear mechanisms, it seems reasonable to combine at least two different wear settings to assess the wear resistance of a new material.

Land use/cover classification in the Brazilian Amazon using satellite images

Land use/cover classification is one of the most important applications in remote sensing. However, mapping accurate land use/cover spatial distribution is a challenge, particularly in moist tropical regions, due to the complex biophysical environment and limitations of remote sensing data per se. This paper reviews experiments related to land use/cover classification in the Brazilian Amazon for a decade. Through comprehensive analysis of the classification results, it is concluded that spatial information inherent in remote sensing data plays an essential role in improving land use/cover classification. Incorporation of suitable textural images into multispectral bands and use of segmentation‑based method are valuable ways to improve land use/cover classification, especially for high spatial resolution images. Data fusion of multi‑resolution images within optical sensor data is vital for visual interpretation, but may not improve classification performance. In contrast, integration of optical and radar data did improve classification performance when the proper data fusion method was used. Among the classification algorithms available, the maximum likelihood classifier is still an important method for providing reasonably good accuracy, but nonparametric algorithms, such as classification tree analysis, have the potential to provide better results. However, they often require more time to achieve parametric optimization. Proper use of hierarchical‑based methods is fundamental for developing accurate land use/cover classification, mainly from historical remotely sensed data.

Confocal and two-photon microscopy : image enhancement /

Confocal and two-photon microcopy have become essential tools in biological research and today many investigations are not possible without their help. The valuable advantage that these two techniques offer is the ability of optical sectioning. Optical sectioning makes it possible to obtain 3D visuahzation of the structiu-es, and hence, valuable information of the structural relationships, the geometrical, and the morphological aspects of the specimen. The achievable lateral and axial resolutions by confocal and two-photon microscopy, similar to other optical imaging systems, are both defined by the diffraction theorem. Any aberration and imperfection present during the imaging results in broadening of the calculated theoretical resolution, blurring, geometrical distortions in the acquired images that interfere with the analysis of the structures, and lower the collected fluorescence from the specimen. The aberrations may have different causes and they can be classified by their sources such as specimen-induced aberrations, optics-induced aberrations, illumination aberrations, and misalignment aberrations. This thesis presents an investigation and study of image enhancement. The goal of this thesis was approached in two different directions. Initially, we investigated the sources of the imperfections. We propose methods to eliminate or minimize aberrations introduced during the image acquisition by optimizing the acquisition conditions. The impact on the resolution as a result of using a coverslip the thickness of which is mismatched with the one that the objective lens is designed for was shown and a novel technique was introduced in order to define the proper value on the correction collar of the lens. The amoimt of spherical aberration with regard to t he numerical aperture of the objective lens was investigated and it was shown that, based on the purpose of our imaging tasks, different numerical apertures must be used. The deformed beam cross section of the single-photon excitation source was corrected and the enhancement of the resolution and image quaUty was shown. Furthermore, the dependency of the scattered light on the excitation wavelength was shown empirically. In the second part, we continued the study of the image enhancement process by deconvolution techniques. Although deconvolution algorithms are used widely to improve the quality of the images, how well a deconvolution algorithm responds highly depends on the point spread function (PSF) of the imaging system applied to the algorithm and the level of its accuracy. We investigated approaches that can be done in order to obtain more precise PSF. Novel methods to improve the pattern of the PSF and reduce the noise are proposed. Furthermore, multiple soiu'ces to extract the PSFs of the imaging system are introduced and the empirical deconvolution results by using each of these PSFs are compared together. The results confirm that a greater improvement attained by applying the in situ PSF during the deconvolution process.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

GaInAsP-basierende Resonatorstrukturen

Physikalische Grundlagenforschung und anwendungsorientierte physikalische Forschung auf den Gebieten nanoskaliger kristalliner und amorpher fester Körper haben in vielfacher Weise eine große Bedeutung. Neben dem Verständnis für die Struktur der Materie und die Wechselwirkung von Objekten von der Größe einiger Atome ist die Erkenntnis über die physikalischen Eigenschaften nanostrukturierter Systeme von hohem Interesse. Diese Forschung eröffnet die Möglichkeit, die mit der Mikroelektronik begonnene Miniaturisierung fortzusetzen und wird darüber hinaus neue Anwendungsfelder eröffnen. Das Erarbeiten der physikalischen Grundlagen der Methoden zur Herstellung und Strukturierung ist dabei zwingend notwendig, da hier Wirkungsprinzipien dominieren, die erst bei Strukturgrößen im Nanometerbereich auftreten oder hinreichend stark ausgeprägt sind. Insbesondere Halbleitermaterialien sind hier von großem Interesse. Die in dieser Arbeit untersuchten Resonatorstrukturen, die auf dem kristallinen Verbindungshalbleitermaterial GaInAsP/InP basieren, erschließen wichtige Anwendungsfelder im Bereich der optischen Datenübertragung sowie der optischen Sensorik. Hergestellt wird das Halbleitermaterial mit der Metallorganischen Gasphasenepitaxie. Die experimentell besimmten Kenngrößen lassen Rückschlüsse auf die Güte der Materialien, die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien und die Bauelementcharakteristik zu und führen zu optimal angepassten Kristallstrukturen. Auf Basis dieser optimierten Materialien wurde ein durchstimmbarer Fabry-Perot-Filter hergestellt, der aus einer Kombination aus InP-Membranen und Luftspalten besteht und elektromechanisch aktuiert werden kann. Das GaInAsP dient hierbei als wenige hundert nm dicke Opferschicht, die ätztechnisch hochselektiv beseitigt wird. Die Qualität der Grenzflächen zum InP ist entscheidend für die Qualität der freigeätzten Kavitäten und damit für die mechanische Gesamtstabilität der Struktur. Der in dieser Arbeit beschriebene Filter hat eine Zentralwellenlänge im Bereich von 1550 nm und weist einen Durchstimmbereich von 221 nm auf. Erzielt wurde dieser Wert durch ein konsistentes Modell der wirkenden Verspannungskomponenten und einer optimierten epitaktischen Kontrolle der Verspannungsparameter. Das realisierte Filterbauelement ist vielversprechend für den Einsatz in der optischen Kommunikation im Bereich von WDM (wavelength division multiplexing) Anwendungen. Als weitere Resonatorstrukur wurde ein Asymmetrisch gekoppelter Quantenfilm als optisch aktives Medium, bestehend aus GaInAsP mit variierender Materialkomposition und Verspannung, untersucht, um sein Potential für eine breitbandige Emission zu untersuchen und mit bekannten Modellen zu vergleichen. Als Bauelementdesign wurde eine kantenemittierende Superlumineszenzleuchtdiode gewählt. Das Ergebnis ist eine Emissionskurve von 100 nm, die eine höhere Unabhängigkeit vom Injektionsstrom aufweist als andere bekannte Konzepte. Die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien - im wesentlichen die Kopplung der beiden asymmetrischen Potentialtöpfe und die damit verbundene Kopplung der Wellenfunktionen - werden qualitativ diskutiert. Insgesamt bestätigt sich die Eignung des Materials GaInAsP auch für neuartige, qualitativ höchst anspruchsvolle Resonatorstrukturen und die Bedeutung der vorgestellten und untersuchten Resonatorkonzepte. Die vorgestellten Methoden, Materialien und Bauelemente liefern aufgrund ihrer Konzeption und der eingehenden experimentellen Untersuchungen einen Beitrag sowohl zu den zugrunde liegenden mechanischen, optoelektronischen und quantenmechanischen Wirkungsprinzipien der Strukturen, als auch zur Realisierung neuer optoelektronischer Bauelemente.

Development of directly modulated high speed telecommunication lasers based on surface defined feedback gratings

High-speed semiconductor lasers are an integral part in the implemen- tation of high-bit-rate optical communications systems. They are com- pact, rugged, reliable, long-lived, and relatively inexpensive sources of coherent light. Due to the very low attenuation window that exists in the silica based optical fiber at 1.55 μm and the zero dispersion point at 1.3 μm, they have become the mainstay of optical fiber com- munication systems. For the fabrication of lasers with gratings such as, distributed bragg reflector or distributed feedback lasers, etching is the most critical step. Etching defines the lateral dimmensions of the structure which determines the performance of optoelectronic devices. In this thesis studies and experiments were carried out about the exist- ing etching processes for InP and a novel dry etching process was de- veloped. The newly developed process was based on Cl2/CH4/H2/Ar chemistry and resulted in very smooth surfaces and vertical side walls. With this process the grating definition was significantly improved as compared to other technological developments in the respective field. A surface defined grating definition approach is used in this thesis work which does not require any re-growth steps and makes the whole fabrication process simpler and cost effective. Moreover, this grating fabrication process is fully compatible with nano-imprint lithography and can be used for high throughput low-cost manufacturing. With usual etching techniques reported before it is not possible to etch very deep because of aspect ratio dependent etching phenomenon where with increasing etch depth the etch rate slows down resulting in non-vertical side walls and footing effects. Although with our de- veloped process quite vertical side walls were achieved but footing was still a problem. To overcome the challenges related to grating defini- tion and deep etching, a completely new three step gas chopping dry etching process was developed. This was the very first time that a time multiplexed etching process for an InP based material system was demonstrated. The developed gas chopping process showed extra ordinary results including high mask selectivity of 15, moderate etch- ing rate, very vertical side walls and a record high aspect ratio of 41. Both the developed etching processes are completely compatible with nano imprint lithography and can be used for low-cost high-throughput fabrication. A large number of broad area laser, ridge waveguide laser, distributed feedback laser, distributed bragg reflector laser and coupled cavity in- jection grating lasers were fabricated using the developed one step etch- ing process. Very extensive characterization was done to optimize all the important design and fabrication parameters. The devices devel- oped have shown excellent performance with a very high side mode suppression ratio of more than 52 dB, an output power of 17 mW per facet, high efficiency of 0.15 W/A, stable operation over temperature and injected currents and a threshold current as low as 30 mA for almost 1 mm long device. A record high modulation bandwidth of 15 GHz with electron-photon resonance and open eye diagrams for 10 Gbps data transmission were also shown.

Behaviours implemented using a vision system based on coded light projection

In a search for new sensor systems and new methods for underwater vehicle positioning based on visual observation, this paper presents a computer vision system based on coded light projection. 3D information is taken from an underwater scene. This information is used to test obstacle avoidance behaviour. In addition, the main ideas for achieving stabilisation of the vehicle in front of an object are presented

Development of chemical separation processes for the treatment and monitoring of metallic cations and oxoanions in polluted waters

The chemical contamination of natural waters is a global problem with a worldwide impact. Considering the relevance of this problem, this thesis is intended, on one hand, to develop different separation/preconcentration techniques based on membranes ability to permeate anions for the transport of toxic oxyanions of chromium(VI) and arsenic contained in aqueous matrices. In particular, we have investigated supported liquid membranes and polymer inclusion membranes, both of which contain the commercial quaternary ammonium salt Aliquat 336 as a carrier, as well as commercial anion exchange membranes. On the other hand, we have focused on the development of chemical sensors to facilitate the monitoring of several metals from different aqueous matrices. Thus, a selective optical sensor for Cr(VI) based on polymeric membranes containing Aliquat 336 as an ionophore has been designed. Additionally, mercury-based screen-printed electrodes have been evaluated for for cadmium, lead, copper and zinc detection.