Computational modeling of the properties of TiO2 nanoparticles

In this study we discuss the electronic, structural, and optical properties of titanium dioxide nanoparticles, and also the properties of Ni(II) diimine dithiolato complexes as dyes in dye-sensitized TiO2 based solar cells. The abovementioned properties have been modeled by using computational codes based on the density functional theory. The results achieved show slight evidence on the structure-dependent band gap broadening, and clear blue-shifts in absorption spectra and refractive index functions of ultra-small TiO2 particles. It is also shown that these properties are strongly dependent on the shape of the nanoparticles. Regarding the Ni(II) diimine dithiolato complexes as dyes in dye-sensitized TiO2 based solar cells, it is shown that based on the experimental electrochemical investigation and DFT studies all studied diimine derivatives could serve as potential candidates for the light harvesting, but the e ciencies of the dyes studied are not very promising.

Conventional and nonconventional Kramers-Kronig analysis in optical spectroscopy

This Master’s Thesis is dedicated to the investigation and testing conventional and nonconventional Kramers-Kronig relations on simulated and experimentally measured spectra. It is done for both linear and nonlinear optical spectral data. Big part of attention is paid to the new method of obtaining complex refractive index from a transmittance spectrum without direct information of the sample thickness. The latter method is coupled with terahertz tome-domain spectroscopy and Kramers-Kronig analysis applied for testing the validity of complex refractive index. In this research precision of data inversion is evaluated by root-mean square error. Testing of methods is made over different spectral range and implementation of this methods in future is considered.

Sesame and flaxseed oil: nutritional quality and effects on serum lipids and glucose in rats

This study evaluated the nutritional value of sesame and flaxseed oils and their effects on the lipid and glucose profile of rats fed diets containing different fat combinations. Fatty acid composition, refractive index, and iodine and saponification values were analyzed to characterize the oils. In the biological assay, Wistar rats were fed different diets, whose fat composition consisted of varying combinations of flaxseed oil, sesame oil, and animal fat. The primary constituents of the sesame oil were oleic (28.6%), linoleic (28.4%), and lauric acid (14.6%); for the flaxseed oil they were alpha-linolenic (39.90%), oleic (17.97%) and linoleic acid (12.25%). The iodine and saponification values of the oils were within the reference range. Rats fed flaxseed oil-based diets had the lowest serum cholesterol values, whereas rats fed diets with flaxseed oil + sesame oil + animal fat had the highest glucose levels. HDL levels decreased significantly with flaxseed oil. Sesame and flaxseed oils are sources of polyunsaturated fatty acids (PUFA), and the flaxseed oil-based diet had a hypocholesterolemic effect, whereas sesame oil showed oxidative stability since it contains high levels of monounsaturated and saturated fatty acids.

Alterations of palm oil (Elaeis guineensis) in the continuous industrial par frying of breaded chicken snacks

The physical and chemical alterations in palm oil during continuous industrial par frying of breaded chicken snacks were evaluated using a pseudo first-order kinetic model. The acidity index, refractive index, concentration of polar compounds, viscosity, color, and absorbance (232 and 268 nm) of 238 samples of the frying oil collected during 26 days of production were analyzed. For all of the analyses, the results of the oil were below the limits recommended for oil disposal, indicating that the processing conditions were safe and that under these experimental conditions the oil remained suitable for frying. The linear regressions were significant for refractive index, content of polar compounds, and lightness (L*). The content of polar compounds was determined using a cooking oil tester, and it had the best fit to the proposed model and can be used as an effective index for monitoring palm oil during the continuous par frying of breaded chicken snacks. The high turnover rate of the oil was important for maintaining the oil in good running conditions.

Development and optimization of a HPLC-RI method for the determination of major sugars in apple juice and evaluation of the effect of the ripening stage

The sugars in apple juice prove its authenticity and its sensory and nutritional properties. The aim of this study was to develop and validate a simple analytical method using high performance liquid chromatography with refractive index detection (HPLC-RI) to determinate and quantify the sugars sucrose, D-glucose, D-fructose, and D-sorbitol polyol in apple juices, as well as to analyze the juices from the Fuji suprema and Lis Gala cultivars at three ripening stages. The analytical performance parameters evaluated indicated that the method was specific for the compounds analyzed, and the linearity of the calibration curves of sugars showed high correlation coefficients (close to 1.0). The limits of detection and quantification are consistent with recommendations available in the literature for this type of matrix. Sample preparation is simple and generates small amount of residues. Over 70% of the sugars were determined in the juices of apples at the pre-ripe stage, with an increase during senescence. This method is applicable for the determination of sugars in juices and evaluation of apple ripening.

Spectral characteristics of bacteriorhodopsin water solution

The object of the study is bacteriorhodopsin. This light-sensitive protein have been selected as perspective substance for optical and optoelectronic applications. Bacteriorhodopsin carries out pumping protons through the cell membrane. Biomolecule converts light into an electric signal when sandwiched between electrodes. These properties were utilized in this research to implement photosensors on the basis of BR layers. These properties were utilized in this research to the bR water solution. According to the absorption spectra and using Kramers – Kronig relation the extinction coefficient has been calculated, as well as the related change of the refractive index value.

Propriétés optiques et analytiques des nanotrous : vers la conception de biocapteurs en résonance des plasmons de surface localisés

Les biocapteurs sont utilisés quotidiennement pour déterminer la présence de molécules biologiques dans une matrice complexe, comme l’urine pour les tests de grossesses ou le sang pour les glucomètres. Les techniques courantes pour la détection des autres maladies nécessitent fréquemment le marquage de l’analyte avec une autre molécule, ce qui est à éviter pour fin de simplicité d’analyse. Ces travaux ont pour but la maximisation de la sensibilité d’une surface d’or ou d’argent nanotrouée, afin de permettre la détection de la liaison de molécules biologiques par résonance des plasmons de surface localisés (LSPR), en utilisant la spectroscopie de transmission. Un biocapteur portable, rapide et sans marquage pour quantifier des analytes d’intérêt médical ou environnemental pourrait être construit à partir de ces travaux. Dans l’objectif d’étudier de nombreuses configurations pour maximiser la sensibilité, le temps et le coût des méthodes de fabrication de nanostructures habituelles auraient limité le nombre de surfaces nanotrouées pouvant être étudiées. Un autre objectif du projet consiste donc au développement d’une technique de fabrication rapide de réseaux de nanotrous, et à moindres coûts, basée sur la lithographie de nanosphères (NSL) et sur la gravure au plasma à l’oxygène (RIE). La sensibilité à la variation d’indice de réfraction associée aux liaisons de molécules sur la surface du métal noble et la longueur d’onde d’excitation du plasmon de surface sont influencées par les caractéristiques des réseaux de nanotrous. Dans les travaux rapportés ici, la nature du métal utilisé, le diamètre ainsi que la périodicité des trous sont variés pour étudier leur influence sur les bandes LSPR du spectre en transmission pour maximiser cette sensibilité, visant la fabrication d’un biocapteur. Les surfaces d’argent, ayant un diamètre de nanotrous inférieur à 200 nm pour une périodicité de 450 nm et les nanotrous d’une périodicité de 650 nm démontre un potentiel de sensibilité supérieur.

Monocouches peptidiques auto-assemblées et applications dans le domaine des biocapteurs de résonance de plasmon de surfaces

Ces travaux visent à étendre les applications de la résonance de plasmons de surface (SPR) L’objectif est d’offrir des outils diagnostics plus rapides, efficaces et simple d’utilisation pour diagnostiquer ou effectuer le suivi de conditions cliniques. Pour se faire, un nouveau type d’instrumentation SPR basé sur l’utilisation d’un prisme d’inversion (dove) a permis d’atteindre une limite de détection (LOD) de 10-6 unité d’indice de réfraction (RIU), une valeur comparable aux instruments commerciaux complexes tout en demeurant peu dispendieux, robuste et simple d’utilisation. Les travaux présentés dans cet ouvrage visent, dans un second temps, à réduire les interactions nonspécifiques (NSB) entre la surface des biocapteurs SPR et les composants de la matrice biologique complexe telles que: l’urine, le lysat cellulaire, le sérum et le sang. Ces dernières induisent des réponses empêchant l’utilisation de biocapteurs SPR en milieux complexes. Les acides aminés (AA) offrent une grande variété de propriétés physico-chimiques permettant la mise au point de monocouches auto-assemblées (SAM) aux propriétés diverses. Initialement, 19 des 20 acides aminés naturels ont été attachés à l’acide 3-mercaptopropionique (3-MPA) formant des SAMs peptidomimétiques. La quantité d’interactions nonspécifiques engendrées par ces différentes surfaces a été mesurée en exposant ces surfaces au sérum sanguin bovin complet variant de 400 ng/cm² jusqu’à 800 ng/cm². La détection à l’aide de ces surfaces de la β-lactamase (une enzyme responsable de la résistance aux antibiotiques au niveau μM) a démontré la possibilité d’employer ces surfaces pour bâtir des biocapteurs SPR. Des peptides de longueur allant de 2 à 5 résidus attachés à 3-MPA ont été synthétisés sur support solide. Cette étude a démontré que l’augmentation de la longueur des peptides formés d’AA résistants aux NBS accroit leur résistance jusqu’à 5 résidus. Le composé le plus performant de ce type (3-MPA-(Ser)5-OH) a permis d’atteindre 180 ng/cm². Cette valeur est similaire à celle des meilleures surfaces disponibles commercialement, notamment les surfaces de polyethylène glycol (PEG) à 100 ng/cm². Des surfaces de 3-MPA-(Ser)5-OH ont permis l’étalonnage de la β-lactamase et sa quantification directe dans un lysat cellulaire. La LOD pour ces biocapteurs est de 10 nM. Une troisième génération de surfaces peptidiques binaires a permis la réduction de la NSB jusqu’à un niveau de 23±10 ng/cm² une valeur comparable aux meilleures surfaces disponibles. Ces surfaces ont permis l’étalonnage d’un indicateur potentiel du cancer la metalloprotéinase-3 de matrice (MMP-3). Les surfaces formées de peptides binaires (3-MPA-H3D2-OH) ont permis la quantification directe de la MMP-3 dans le sérum sanguin complet. Une quatrième génération de surfaces peptidiques a permis de réduire davantage le niveau de NSB jusqu’à une valeur de 12 ± 11 ng/cm². Ces surfaces ont été modifiées en y attachant une terminaison de type acide nitriloacétique (NTA) afin d’y attacher des biomolécules marquées par six résidus histidines terminaux. Ces surfaces ont permis le développement d’une méthode rapide de balayage des ligands ciblant le « cluster of differenciation-36 » (CD36). L’étude d’électroformation des monocouches de peptide a permis de déterminer les conditions de formation optimales d’une couche de 3-MPA-HHHDD-OH permettant ainsi la formation de monocouches résistantes au NSB en moins de 6 minutes en appliquant un potentiel de formation de 200mV vs Ag/AgCl.

Fabrication des films microstructurés et leurs caractéristiques en spectroscopie de résonance des plasmons de surface

Cette thèse caractérise les propriétés optiques des matériaux plasmoniques microstructurés et procède à l’évaluation des paramètres analytiques afin de les employer comme plateforme de biodétection en spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR). Aux dimensions micrométriques, les matériaux plasmoniques présentent des caractéristiques optiques propres aux nano- et macromatériaux. La cartographie physicooptiques en SPR de matériaux méso- et microscopiques s’est effectuée à l’aide de films structurés de motifs périodiques triangulaires et circulaires fabriqués par une technique modifiée de lithographie par nanosphères (nanosphere lithography, NSL). À partir de cette vue d’ensemble, quelques films structurés ont été sélectionné en fonction d’aspects analytiques tels que la sensibilité et la résolution face aux variations d’indice de réfraction (RI) pour déterminer le potentiel de ces matériaux comme plateforme de biodetection. Les propriétés optiques distinctes des films microstructurés proviennent d’interactions résonantes entre les modes de plasmons de surface (SP) localisé et délocalisé identifiés par la relation de dispersion en SPR ainsi que l’imagerie Raman. Les conditions de résonance des modes SP dépendant de paramètres expérimentaux (λ, θ, η) tel qu’observés numériquement par rigorous coupled wave analysis (RCWA) et empiriquement. Ces travaux démontrent la nature plasmonique distincte des micro-matériaux et leur potentiel d’intégration aux techniques analytiques SPR existantes. Les matériaux plasmoniques micrométriques furent également étudiés pour l’implémentation de la SPR à une pointe de microscopie à force atomique (atomic force microscopy, AFM) combinant ainsi la spectroscopie à l’imagerie topographique. Des travaux préliminaires se sont concentrés sur la signature spectroscopique de leviers en silicium (Si) et en nitrure de silicium (Si3N4), l’impact d’un revêtement d’or sur les pointes et l’influence de milieu environnant. Une image d’origine plasmonique a été obtenue avec des leviers en Si3N4 revêtus d’or en transmission dans un environnement aqueux, indiquant ainsi le potentiel de ces pointes comme micro-biocapteur SPR. Ces résultats préliminaires servent de fondement pour orienter les prochaines investigations dans ce projet.

Étude des propriétés plasmoniques des réseaux de nanotrous

Les réseaux de nanotrous sont des structures plasmoniques ayant un énorme potentiel en tant que transducteurs pour la conception de biocapteurs. De telles structures sont prometteuses pour l’élaboration de biocapteurs capable d’effectuer du criblage à haut débit. L’intérêt de travailler avec des réseaux de nanotrous est dû à la simplicité d’excitation des polaritons de plasmons de surface en transmission directe, à la sensibilité et à la facilité de fabrication de ces senseurs. L’architecture de tels réseaux métalliques permet la conception de nanostructures ayant de multiples propriétés plasmoniques. L’intensité, la signature spectrale et la sensibilité du signal plasmonique sont grandement affectées par l’aspect physique du réseau de nanotrous. L’optimisation du signal plasmonique nécessite ainsi un ajustement du diamètre des trous, de la périodicité et de la composition métallique du réseau. L'agencement de l'ensemble de ces paramètres permet d'identifier une structure optimale possédant une périodicité de 1000 nm, un diamètre des nanotrous de 600-650 nm et un film métallique ayant une épaisseur de 125 nm d'or. Ce type de transducteur a une sensibilité en solution de 500-600 nm/RIU pour des bandes plasmoniques situées entre 600-700 nm. L'intérêt de travailler avec cette structure est la possibilité d'exciter les plasmons de polaritons de surface (SPPs) selon deux modes d'excitation : en transmission exaltée (EOT) ou en réflexion totale interne par résonance des plasmons de surface (SPR). Une comparaison entre les propriétés plasmoniques des senseurs selon les modes d'excitation permet de déterminer expérimentalement que le couplage de la lumière avec les ondes de SPP de Bloch (BW-SPPs) en transmission directe résulte en un champ électromagnétique davantage propagatif que localisé. D'un point de vue analytique, la biodétection de l'IgG en SPR est 6 fois plus sensible par rapport au mode EOT pour une même structure. Une étude du signal plasmonique associé au BW-SPP pour un certain mode de diffraction démontre que la distance de pénétration de ces structures en EOT est d'environ 140 nm. La limite de détection de l'IgG humain pour un réseau de nanotrous de 1000 nm de périodicité est d'environ 50 nM en EOT. Ce mémoire démontre la viabilité des réseaux de nanotrous pour effectuer de la biodétection par criblage à haut débit lors de prochaines recherches. L'investigation de l'effet de l'angle d'excitation en transmission exaltée par rapport au signal plasmonique associé au mode (1,0) d'un réseau de nanotrous de 820 nm d'or démontre que la sensibilité en solution n'est pas proportionnelle à la sensibilité en surface du senseur. En fait, une optimisation de l'angle d'incidence pour le mode (1,0) de diffraction des BW-SPP permet d'amplifier la sensibilité en surface du senseur jusqu'à 3-fois pour un angle de 13,3°. Ce mémoire démontre ainsi la nécessité d'optimiser l'angle d'excitation et les propriétés physiques du senseur afin de développer un transducteur de grande sensibilité basé sur l'excitation en transmission de réseaux de nanotrous.

Plasma Polymerised Organic Thin Films-A Study on the Structural, Electrical and Nonlinear Optical Properties for Possible Applications

This proposed thesis is entitled “Plasma Polymerised Organic Thin Films: A study on the Structural, Electrical, and Nonlinear Optical Properties for Possible Applications. Polymers and polymer based materials find enormous applications in the realm of electronics and optoelectronics. They are employed as both active and passive components in making various devices. Enormous research activities are going on in this area for the last three decades or so, and many useful contributions are made quite accidentally. Conducting polymers is such a discovery, and eversince the discovery of conducting polyacetylene, a new branch of science itself has emerged in the form of synthetic metals. Conducting polymers are useful materials for many applications like polymer displays, high density data storage, polymer FETs, polymer LEDs, photo voltaic devices and electrochemical cells. With the emergence of molecular electronics and its potential in finding useful applications, organic thin films are receiving an unusual attention by scientists and engineers alike. This is evident from the vast literature pertaining to this field appearing in various journals. Recently, computer aided design of organic molecules have added further impetus to the ongoing research activities in this area. Polymers, especially, conducting polymers can be prepared both in the bulk and in the thinfilm form. However, many applications necessitate that they are grown in the thin film form either as free standing or on appropriate substrates. As far as their bulk counterparts are concerned, they can be prepared by various polymerisation techniques such as chemical routes and electrochemical means. A survey of the literature reveals that polymers like polyaniline, polypyrrole, polythiophene, have been investigated with a view to studying their structural electrical and optical properties. Among the various alternate techniques employed for the preparation of polymer thin films, the method of plasma polymerisation needs special attention in this context. The technique of plasma polymerisation is an inexpensive method and often requires very less infra structure. This method includes the employment of ac, rf, dc, microwave and pulsed sources. They produce pinhole free homogeneous films on appropriate substrates under controlled conditions. In conventional plasma polymerisation set up, the monomer is fed into an evacuated chamber and an ac/rf/dc/ w/pulsed discharge is created which enables the monomer species to dissociate, leading to the formation of polymer thin films. However, it has been found that the structure and hence the properties exhibited by plasma polymerized thin films are quite different from that of their counterparts produced by other thin film preparation techniques such as electrochemical deposition or spin coating. The properties of these thin films can be tuned only if the interrelationship between the structure and other properties are understood from a fundamental point of view. So very often, a through evaluation of the various properties is a pre-requisite for tailoring the properties of the thin films for applications. It has been found that conjugation is a necessary condition for enhancing the conductivity of polymer thin films. RF technique of plasma polymerisation is an excellent tool to induce conjugation and this modifies the electrical properties too. Both oxidative and reductive doping can be employed to modify the electrical properties of the polymer thin films for various applications. This is where organic thin films based on polymers scored over inorganic thin films, where in large area devices can be fabricated with organic semiconductors which is difficult to achieve by inorganic materials. For such applications, a variety of polymers have been synthesized such as polyaniline, polythiophene, polypyrrole etc. There are newer polymers added to this family every now and then. There are many virgin areas where plasma polymers are yet to make a foray namely low-k dielectrics or as potential nonlinear optical materials such as optical limiters. There are also many materials which are not been prepared by the method of plasma polymerisation. Some of the materials which are not been dealt with are phenyl hydrazine and tea tree oil. The advantage of employing organic extracts like tea tree oil monomers as precursors for making plasma polymers is that there can be value addition to the already existing uses and possibility exists in converting them to electronic grade materials, especially semiconductors and optically active materials for photonic applications. One of the major motivations of this study is to synthesize plasma polymer thin films based on aniline, phenyl hydrazine, pyrrole, tea tree oil and eucalyptus oil by employing both rf and ac plasma polymerisation techniques. This will be carried out with the objective of growing thin films on various substrates such as glass, quartz and indium tin oxide (ITO) coated glass. There are various properties namely structural, electrical, dielectric permittivity, nonlinear optical properties which are to be evaluated to establish the relationship with the structure and the other properties. Special emphasis will be laid in evaluating the optical parameters like refractive index (n), extinction coefficient (k), the real and imaginary components of dielectric constant and the optical transition energies of the polymer thin films from the spectroscopic ellipsometric studies. Apart from evaluating these physical constants, it is also possible to predict whether a material exhibit nonlinear optical properties by ellipsometric investigations. So further studies using open aperture z-scan technique in order to evaluate the nonlinear optical properties of a few selected samples which are potential nonlinear optical materials is another objective of the present study. It will be another endeavour to offer an appropriate explanation for the nonlinear optical properties displayed by these films. Doping of plasma polymers is found to modify both the electrical conductivity and optical properties. Iodine is found to modify the properties of the polymer thin films. However insitu iodine doping is tricky and the film often looses its stability because of the escape of iodine. An appropriate insitu technique of doping will be developed to dope iodine in to the plasma polymerized thin films. Doping of polymer thin films with iodine results in improved and modified optical and electrical properties. However it requires tools like FTIR and UV-Vis-NIR spectroscopy to elucidate the structural and optical modifications imparted to the polymer films. This will be attempted here to establish the role of iodine in the modification of the properties exhibited by the films

Optical and electrical properties of co-sputtered amorphous transparent conducting zinc indium tin oxide thin films

Highly conductive and transparent thin films of amorphous zinc indium tin oxide are prepared at room temperature by co-sputtering of zinc 10 oxide and indium tin oxide. Cationic contents in the films are varied by adjusting the power to the sputtering targets. Optical transmission study of 11 films showed an average transmission greater than 85% across the visible region. Maximum conductivity of 6×102 S cm−1 is obtained for Zn/In/ 12 Sn atomic ratio 0.4/0.4/0.2 in the film. Hall mobility strongly depends on carrier concentration and maximum mobility obtained is 18 cm2 V−1 s−1 13 at a carrier concentration of 2.1×1020 cm−3. Optical band gap of films varied from 3.44 eV to 3 eV with the increase of zinc content in the film 14 while the refractive index of the films at 600 nm is about 2.0.

An analytical study of the power distribution pattterns of silica waveguides with high paraboloic cylindrical deformation

An attempt is made to determine the relative power distribution in a step-index parabolic cylindrical waveguide (PCW) with high deformation across the direction of propagation. The guide is assumed to be made of silica. The scalar field approximation is employed for the analysis under which a vanishing refractive-index (RI) difference in the waveguide materials is considered. Further, no approximation for folds- is used in the analytical treatment. Due to the geometry of such waceguides, PCWs lose the well-defined modal discreteness, and a kind of mode bunching is observed instead, which becomes much more prominent in PCWs with high bends. However, with the increase in cross-sectional size, the mode-bunching tendency is slightly reduced. The general expressions for power in the guiding and nonguiding sections are obtained, and the fractional power patterns in all of the sections are presented for PCWs of various cross-sectional dimensions. It is observed that the confinement of power in the core section is increased for PCWs of larger cross-sectional size. Moreover, a fairly uniform distribution of power is seen over the modes having intermediate values of propagation constants

Power characteristics of dielectric optical piet hein waveguides

A fairly rigorous analytical treatment of the power characteristics of dielectric optical waveguides with Piet Hein core-cross sectional geometry is presented in this paper. This kind of wareguide structure would be advantageous owing to the absence of corners, which are found in rectangular guides, resulting in undesirable loss (hit to the scattering of light. In order to simplify this theoretical approach. em approximation of vanishing refractive index difference between the guiding and the non-guiding sections is implemented. The variation eJ logarithmic power is shown for different dimensions of the core, corresponding to different azimuthal modal indices. It is found that the nutlet with higher index values carry less logaritlunic power in the lower tail of the propagation 's constant range, and this feature affects the higher tail. A better kind of uniformity of the power distribution is observed near the higher tail of the range of propagation Constants

Luminescence tuning and enhanced nonlinear optical properties of nanocomposites of ZnO–TiO2

In this article we present the spectral and nonlinear optical properties of ZnO–TiO2 nanocomposites prepared by colloidal chemical synthesis. Emission peaks of ZnO–TiO2 nanocomposites change from 340 nm to 385 nm almost in proportion to changes in Eg. The nanocomposites show self-defocusing nonlinearity and good nonlinear absorption behaviour. The nonlinear refractive index and the nonlinear absorption increase with increasing TiO2 volume fraction at 532 nm and can be attributed to the enhancement of exciton oscillator strength. ZnO–TiO2 is a potential nanocomposite material for the tunable light emission and for the development of nonlinear optical devices with a relatively small limiting threshold