Bright-field and fluorescence chip-scale microscopy for biological imaging

Optical microscopy is an essential tool in biological science and one of the gold standards for medical examinations. Miniaturization of microscopes can be a crucial stepping stone towards realizing compact, cost-effective and portable platforms for biomedical research and healthcare. This thesis reports on implementations of bright-field and fluorescence chip-scale microscopes for a variety of biological imaging applications. The term “chip-scale microscopy” refers to lensless imaging techniques realized in the form of mass-producible semiconductor devices, which transforms the fundamental design of optical microscopes.

Our strategy for chip-scale microscopy involves utilization of low-cost Complementary metal Oxide Semiconductor (CMOS) image sensors, computational image processing and micro-fabricated structural components. First, the sub-pixel resolving optofluidic microscope (SROFM), will be presented, which combines microfluidics and pixel super-resolution image reconstruction to perform high-throughput imaging of fluidic samples, such as blood cells. We discuss design parameters and construction of the device, as well as the resulting images and the resolution of the device, which was 0.66 µm at the highest acuity. The potential applications of SROFM for clinical diagnosis of malaria in the resource-limited settings is discussed.

Next, the implementations of ePetri, a self-imaging Petri dish platform with microscopy resolution, are presented. Here, we simply place the sample of interest on the surface of the image sensor and capture the direct shadow images under the illumination. By taking advantage of the inherent motion of the microorganisms, we achieve high resolution (~1 µm) imaging and long term culture of motile microorganisms over ultra large field-of-view (5.7 mm × 4.4 mm) in a specialized ePetri platform. We apply the pixel super-resolution reconstruction to a set of low-resolution shadow images of the microorganisms as they move across the sensing area of an image sensor chip and render an improved resolution image. We perform longitudinal study of Euglena gracilis cultured in an ePetri platform and image based analysis on the motion and morphology of the cells. The ePetri device for imaging non-motile cells are also demonstrated, by using the sweeping illumination of a light emitting diode (LED) matrix for pixel super-resolution reconstruction of sub-pixel shifted shadow images. Using this prototype device, we demonstrate the detection of waterborne parasites for the effective diagnosis of enteric parasite infection in resource-limited settings.

Then, we demonstrate the adaptation of a smartphone’s camera to function as a compact lensless microscope, which uses ambient illumination as its light source and does not require the incorporation of a dedicated light source. The method is also based on the image reconstruction with sweeping illumination technique, where the sequence of images are captured while the user is manually tilting the device around any ambient light source, such as the sun or a lamp. Image acquisition and reconstruction is performed on the device using a custom-built android application, constructing a stand-alone imaging device for field applications. We discuss the construction of the device using a commercial smartphone and demonstrate the imaging capabilities of our system.

Finally, we report on the implementation of fluorescence chip-scale microscope, based on a silo-filter structure fabricated on the pixel array of a CMOS image sensor. The extruded pixel design with metal walls between neighboring pixels successfully guides fluorescence emission through the thick absorptive filter to the photodiode layer of a pixel. Our silo-filter CMOS image sensor prototype achieves 13-µm resolution for fluorescence imaging over a wide field-of-view (4.8 mm × 4.4 mm). Here, we demonstrate bright-field and fluorescence longitudinal imaging of living cells in a compact, low-cost configuration.

Dynamic Stall on Vertical Axis Wind Turbines

In this study the dynamics of flow over the blades of vertical axis wind turbines was investigated using a simplified periodic motion to uncover the fundamental flow physics and provide insight into the design of more efficient turbines. Time-resolved, two-dimensional velocity measurements were made with particle image velocimetry on a wing undergoing pitching and surging motion to mimic the flow on a turbine blade in a non-rotating frame. Dynamic stall prior to maximum angle of attack and a leading edge vortex development were identified in the phase-averaged flow field and captured by a simple model with five modes, including the first two harmonics of the pitch/surge frequency identified using the dynamic mode decomposition. Analysis of these modes identified vortical structures corresponding to both frequencies that led the separation and reattachment processes, while their phase relationship determined the evolution of the flow.

Detailed analysis of the leading edge vortex found multiple regimes of vortex development coupled to the time-varying flow field on the airfoil. The vortex was shown to grow on the airfoil for four convection times, before shedding and causing dynamic stall in agreement with 'optimal' vortex formation theory. Vortex shedding from the trailing edge was identified from instantaneous velocity fields prior to separation. This shedding was found to be in agreement with classical Strouhal frequency scaling and was removed by phase averaging, which indicates that it is not exactly coupled to the phase of the airfoil motion.

The flow field over an airfoil undergoing solely pitch motion was shown to develop similarly to the pitch/surge motion; however, flow separation took place earlier, corresponding to the earlier formation of the leading edge vortex. A similar reduced-order model to the pitch/surge case was developed, with similar vortical structures leading separation and reattachment; however, the relative phase lead of the separation mode, corresponding to earlier separation, necessitated that a third frequency to be incorporated into the reattachment mode to provide a relative lag in reattachment.

Finally, the results are returned to the rotating frame and the effects of each flow phenomena on the turbine are estimated, suggesting kinematic criteria for the design of improved turbines.

Modelagem do comportamento dinâmico de passarelas tubulares em aço e mistas (aço-concreto)

A experiência dos engenheiros estruturais e os conhecimentos adquiridos pelo uso de materiais e novas tecnologias, têm ocasionado estruturas de aço e mistas (aço-concreto) de passarelas cada vez mais ousadas. Este fato tem gerado estruturas de passarelas esbeltas, e consequentemente, alterando os seus estados de limite de serviço e último associados ao seu projeto. Uma consequência direta desta tendência de projeto é o aumento considerável das vibrações das estruturas. Portanto, a presente investigação foi realizada com base em um modelo de carregamento mais realista, desenvolvido para incorporar os efeitos dinâmicos induzidos pela caminhada de pessoas. O modelo de carregamento considera a subida e a descida da massa efetiva do corpo em cada passo. A posição da carga dinâmica também foi alterada de acordo com a posição do pedestre sobre a estrutura e a função do tempo gerada, possui uma variação espacial e temporal. O efeito do calcanhar do pedestre também foi incorporado na análise. O modelo estrutural investigado baseia-se em uma passarela tubular (aço-concreto), medindo 82,5m. A estrutura é composta por três vãos (32,5 m, 20,0 m e 17,5 m, respectivamente) e dois balanços (7,5 m e 5,0 m, respectivamente). O sistema estrutural é constituído por perfis de aço tubular e uma laje de concreto, e é atualmente utilizada para travessia de pedestres. Esta investigação é realizada com base em resultados experimentais, relacionando a resposta dinâmica da passarela com as obtidas via modelos de elementos finitos. O modelo computacional proposto adota as técnicas de refinamento de malha, usualmente presente em simulações pelo método de elementos finitos. O modelo de elementos finitos foi desenvolvido e validado com resultados experimentais. Este modelo de passarela tubular permitiu uma avaliação dinâmica completa, investigando especialmente ao conforto humano e seus limites de utilização associados à vibração. A resposta dinâmica do sistema, em termos de acelerações de pico, foi obtida e comparada com os valores limites propostos por diversos autores e padrões de projeto. As acelerações de pico encontradas na presente análise indicou que a passarela tubular investigada apresentou problemas relacionados com o conforto humano. Por isso, foi detectado que este tipo de estrutura pode atingir níveis de vibrações excessivas que podem comprometer o conforto do usuário na passarela e especialmente a sua segurança.

Gerenciamento de resíduos químicos de laboratórios: estudo de caso do Instituto de Química da Universidade do Estado do Rio de Janeiro.

Instituições de Ensino e Pesquisa possuem um papel fundamental na formação de seus profissionais considerando a ciência, tecnologia e o conhecimento que afetam toda a sociedade. A falta de um programa de gestão de resíduos, na maioria das instituições de ensino e pesquisa do país, tem levado, com certa frequência, a um descarte pouco responsável dos materiais residuais no ambiente, através das pias dos laboratórios ou do lixo comum, ou em muitos casos, resultando na geração de passivos ambientais acumulados precariamente por longo tempo à espera de um eventual tratamento. Entretanto, essas Instituições de Ensino Superior (IES), através de suas atividades de pesquisa, ensino e extensão, acabam gerando resíduos químicos perigosos, como os de laboratórios químicos. Nas Universidades, o volume de resíduos gerados é muito pequeno, porém a diversidade de resíduos é muito grande, o que dificulta o tratamento dos mesmos. Os resíduos químicos perigosos gerados no Instituto de Química situado no Pavilhão Reitor Haroldo Lisboa da Cunha da Universidade do Estado do Rio de Janeiro, necessitam de procedimentos seguros de manejo para a sua passivação e/ou disposição final, já que eles requerem um descarte distinto daquele dado ao lixo doméstico, conforme estabelecidos na legislação. Este trabalho objetiva estudar os aspectos de gestão, saúde e segurança do trabalho relacionado ao manejo de resíduos gerados em laboratórios químicos, potencialmente perigosos, enfocando ações preventivas de minimização dos resíduos e o seu tratamento, particularmente nas fontes geradoras, estudando o caso dos laboratórios de Química Geral e Inorgânica comparando-os com o laboratório de Engenharia e Tecnologia de Petróleo e Petroquímica. O trabalho classificou-se como pesquisa exploratória e empírica através do estudo de caso. A metodologia utilizada constituiu-se da aplicação de um questionário, dirigido aos técnicos dos laboratórios, e observações, para avaliação do manejo de resíduos químicos perigosos de forma a propor uma possível adequação dos laboratórios às legislações vigentes, como as resoluções NBR RDC 306/04, CONAMA 358/05, das Fichas de Informação de Segurança, das Normas Regulamentadoras e a OHSAS 18001/07. Os resultados obtidos demonstram que os dois laboratórios estudados de Química Geral e Inorgânica não atendem, ainda, o que preconiza a legislação RDC 306/04 da ANVISA. Observa-se que os resíduos químicos perigosos são manejados inadequadamente, expondo a graves riscos físicos, químicos e de acidentes para os usuários dos laboratórios, além da poluição ambiental gerado pelo lançamento dos efluentes nas redes de esgoto, sem tratamento. O estudo corrobora para a necessidade da implementação do Programa de Gerenciamento de Resíduos Químicos Perigosos, da criação de uma Coordenação de Gestão Ambiental presidida por um especialista da área, da construção de saídas de emergência, com escadas de escape externo para os laboratórios estudados e, sobretudo, de capacitação permanente dos funcionários e alunos.

Da fragmentação às práticas integradoras: contribuições da informática educativa à educação em tempos de complexidade

A tese pesquisa a problemática da inserção da Escola na Sociedade do Conhecimento no contexto da Cibercultura, considerando o distanciamento que as práticas educativas escolares vêm apresentando em relação ao universo midiático da cultura social contemporânea na qual os alunos estão inseridos. Utiliza como referencial teórico os fundamentos da Teoria da Complexidade, a partir do que ficou conhecido como paradigma complexo de Edgar Morin. Neste contexto, visa refletir sobre a necessidade de ampliar o olhar sobre o conhecimento como forma de superação do paradigma fragmentador. Parte da hipótese de que as práticas educativas, permeadas pela tecnologia, quando fundamentadas em um paradigma complexo, podem abrir novas possibilidades de superação com a promoção de mudanças pedagógicas em direção a um novo paradigma educativo mais dinâmico, criativo e integrador. Investiga se o uso da Informática na Educação pode, de fato, contribuir com as reformas necessárias à Educação em tempos de complexidade. Tendo o Colégio Pedro II como espaço de investigação, a pesquisa desenvolveu-se em duas fases e objetivou compreender o movimento do Colégio para ajustar-se e atender as demandas educacionais da sociedade contemporânea em acelerado processo de transformação e imersa na Cultura da Convergência. Analisa a incorporação e apropriação das tecnologias no processo de escolarização pelo corpo docente do Colégio e como isto tem se dado na prática da instituição. A pesquisa qualitativa de caráter exploratório tem como cenário de investigação os laboratórios de Informática Educativa (espaços multimídia com conexão a Internet) nos diferentes CAMPI do 1 e 2 Segmentos do Ensino Fundamental e nas atividades desenvolvidas, através da atuação dos professores de Informática Educativa, em parceria ou não, com os professores de outras disciplinas. Para analise dos dados foram utilizados conceitos da Teoria da Complexidade, como por exemplo, as categorias provenientes do Tetragrama Organizacional e os Operadores da Complexidade. O material empírico extraído da análise documental e das entrevistas sobre as práticas realizadas nos laboratório do Colégio resulta em mapeamento das diferentes formas de estruturação do trabalho pedagógico dos laboratórios, análise do ciclo docente: planejamento, execução e avaliação. A pesquisa de campo exploratória, inicialmente de caráter descritivo, passa a enfatizar, progressivamente, o caráter qualitativo da pesquisa, objetivando assim, oferecer maior clareza e visibilidade ao real estado da Informática Educativa para o Colégio Pedro II. A pesquisa desenvolvida analisa a realidade escolar no ponto onde estamos, que é a prática da interdisciplinaridade em direção a transdisciplinaridade. A transdisciplinaridade, em vários aspectos, ainda representa uma utopia pedagógica no contexto formal do sistema educacional brasileiro que estrutura-se de modo visivelmente fragmentado.

Soro-reatividade para hidatidose policística e análise sócio-epidemiológica em Sena Madureira, Acre - Brasil

Hidatidose policística é uma zoonose negligenciada causada pela larva do cestóide, Echinococcus vogeli, em habitantes de florestas úmidas da região neotropical. Caçar e alimentar cães com vísceras da caça são hábitos relatados nos indivíduos suspeitos ou com esta parasitose comprovada. O diagnóstico é baseado em dados clínicos, resultado de análise de imagens e detecção de anticorpos pelo teste de Immunoblot o que tem sido descrito para pacientes com a forma crônica da doença. Apenas nesta fase, os pacientes procuram por assistência médica. Este trabalho tem como objetivo avaliar a reatividade sorológica para hidatidose policística, caracterizar os aspectos epidemiológicos e avaliar a presença de enteroparasitoses nos indivíduos moradores de duas regiões de floresta em Sena Madureira (Acre). Os indivíduos concordaram em participar após apreciação do Termo de Consentimento Livre e Esclarecido. Por meio de questionário foram obtidas informações sobre identificação, endereço, sexo, idade e hábitos de caça. Foram coletadas amostras de sangue em 125 habitantes da unidade de conservação (Floresta Estadual do Antimary) e outra unidade de não conservação ambiental em Sena Madureira, onde foram obtidas 207 amostras de sangue. Os soros foram processados pelo teste de Immunoblot para a pesquisa de IgG, nas diluições 1:100 e 1:10, no Serviço de Referência Nacional em Hidatidose-IOC-Fiocruz. Na Unidade de conservação, 39,2% dos indivíduos apresentaram sorologia positiva e 17,4% na outra área. Demonstrou-se que existe diferença significativa entre as áreas, embora a correlação seja baixa. A maioria dos indivíduos reativos em ambas as áreas apresentou as bandas de 40kDA e 28kDa. Nas duas áreas de estudo não houve diferença significativa na reatividade em relação a faixa etária. O hábito de caçar entre os reativos foi de 100% dos indivíduos praticantes da caça na Unidade de conservação e na Unidade de não conservação foi de 88,9% dos indivíduos. A presença de um a três cães foi predominante nas duas áreas. A prática da caça e a presença de cães não teve associação significativa com a reatividade sorológica em ambas as áreas. A ocupação dos indivíduos reativos nas duas regiões foi predominantemente agricultores e estudantes. Em relação ao exame parasitológico não foi encontrado nenhum parasito nos indivíduos reativos que pudesse ter reação cruzada no teste imunológico. Conclui-se que existe diferença de reatividade entre as áreas, sendo que a Unidade de conservação tem maior número de indivíduos reativos. Não foi verificada associação entre a reatividade, o gênero, a faixa etária, prática de caça e presença de cães. Os indivíduos reativos também possuíam enteroparasitoses, porém estas não estão relacionadas com a possível reação cruzada no teste de Immunoblot. A presença das bandas de 40kDa e 28kDa no teste de Immunoblot podem ser uma característica do perfil sorológico de indivíduos de área endêmica que já entraram em contato com o parasito.

Análise de critérios de dimensionamento de carga em dutos de concreto instalados em vala na situação de recobrimento mínimo.

Perante diversas situações da engenharia são utilizadas formulações empíricas de dimensionamento baseadas em dados de campo e experiência profissional que definem muito o caráter subjetivo da metodologia padrão de projeto. O presente trabalho de pesquisa aborda os diversos métodos de obtenção dos esforços gerados em dutos enterrados submetidos a cargas dinâmicas e estáticas e sua posterior reavaliação através de modelagem numérica com o programa Plaxis 3D. Os métodos analíticos não convencionais foram comparados com o método padrão de cálculo sendo que o mesmo demonstrou ter uma boa precisão mesmo sem considerar outros fatores importantes como a parcela de resistência devida à coesão do solo e sua deformabilidade. A modelagem numérica demonstrou o conservadorismo do método de Marston e o subdmensionamento do espraiamento em prisma devido aos efeitos locais ocasionados pela adoção do recobrimento mínimo e sobrecarga dinâmica elevada. Também se observou, através da modelagem 3D, que a utilização dos dois métodos clássicos favorecem a obtenção de resultados dentro da razoabilidade.Verificou-se também, como resultado desta pesquisa, que a proposta de um método clássico modificado permite uma melhor aproximação da carga que atinge o duto.

Impact of mode localization on the motional resistance of coupled MEMS resonators

This paper investigates the effect of mode-localization that arises from structural asymmetry induced by manufacturing tolerances in mechanically coupled, electrically transduced Si MEMS resonators. We demonstrate that in the case of such mechanically coupled resonators, the achievable series motional resistance (R x) is dependent not only on the quality factor (Q) but also on the variations in the eigenvector of the chosen mode of vibration induced by mode localization due to manufacturing tolerances during the fabrication process. We study this effect of mode-localization both theoretically and experimentally in two pairs of coupled double-ended tuning fork resonators with different levels of initial structural asymmetry. The measured series R x is minimal when the system is close to perfect symmetry and any deviation from structural symmetry induced by fabrication tolerances leads to a degradation in the effective R x. Mechanical tuning experiments of the stiffness of one of the coupled resonators was also conducted to study variations in R x as a function of structural asymmetry within the system, the results of which demonstrated consistent variations in motional resistance with predictions. © 2012 IEEE.

All optical degenerate mode-group multiplexing using a Mode Selective Switch

A Mode Selective Switch based around an LCoS Spatial Light Modulator is demonstrated to optically demultiplex modes with the same propagation constants to the same output fibres, using a common phase mask for all channels. © 2012 IEEE.

When will a flame describing function approach to thermoacoustics work well?

In any thermoacoustic analysis, it is important not only to predict linear frequencies and growth rates, but also the amplitude and frequencies of any limit cycles. The Flame Describing Function (FDF) approach is a quasi-linear analysis which allows the prediction of both the linear and nonlinear behaviour of a thermoacoustic system. This means that one can predict linear growth rates and frequencies, and also the amplitudes and frequencies of any limit cycles. The FDF achieves this by assuming that the acoustics are linear and that the flame, which is the only nonlinear element in the thermoacoustic system, can be adequately described by considering only its response at the frequency at which it is forced. Therefore any harmonics generated by the flame's nonlinear response are not considered. This implies that these nonlinear harmonics are small or that they are sufficiently filtered out by the linear dynamics of the system (the low-pass filter assumption). In this paper, a flame model with a simple saturation nonlinearity is coupled to simple duct acoustics, and the success of the FDF in predicting limit cycles is studied over a range of flame positions and acoustic damping parameters. Although these two parameters affect only the linear acoustics and not the nonlinear flame dynamics, they determine the validity of the low-pass filter assumption made in applying the flame describing function approach. Their importance is highlighted by studying the level of success of an FDF-based analysis as they are varied. This is achieved by comparing the FDF's prediction of limit-cycle amplitudes to the amplitudes seen in time domain simulations.

Nanoscale mode selector in silicon waveguide for on chip nanofocusing applications.

We demonstrate a nanoscale mode selector supporting the propagation of the first antisymmetric mode of a silicon waveguide. The mode selector is based on embedding a short section of PhC into the waveguide. On the basis of the difference in k-vector distribution between orthogonal waveguide modes, the PhC can be designed to have a band gap for the fundamental mode, while allowing the transmission of the first antisymmetric mode. The device was tested by directly measuring the modal content before and after the PhC section using a near field scanning optical microscope. Extinction ratio was estimated to be approximately 23 dB. Finally, we provide numerical simulations demonstrating strong coupling of the antisymmetric mode to metallic nanotips. On the basis of the results, we believe that the mode selector may become an important building block in the realization of on chip nanofocusing devices.

Numerical and theoretical analysis of the crosstalk in linear optical amplifiers

The dynamic characteristics, including the crosstalk and relaxation oscillation, of linear optical amplifiers (LOAs) are investigated by small-signal analysis under an averaging carrier density approximation and compared with the results of numerical simulation. The good agreement between the numerical simulation and the small-signal analysis indicated the averaging carrier density is an appropriate approximation for analyzing LOAs. Theoretical analyzes also show that the dynamic properties of the vertical laser fields dominate the dynamic performance of LOAs. Based on the small-signal analysis, a concise equation for the crosstalk under high bit rate was derived, which can be applied to measure the differential gain of LOAs.

A novel contactless method for characterization of semiconductors: Surface electron beam induced voltage in scanning electron microscopy

We present a novel contactless and nondestructive method called the surface electron beam induced voltage (SEBIV) method for characterizing semiconductor materials and devices. The SEBIV method is based on the detection of the surface potential induced by electron beams of scanning electron microscopy (SEM). The core part of the SEBIV detection set-up is a circular metal detector placed above the sample surface. The capacitance between the circular detector and whole surface of the sample is estimated to be about 0.64 pf It is large enough for the detection of the induced surface potential. The irradiation mode of electron beam (e-beam) influences the signal generation. When the e-beam irradiates on the surface of semiconductors continuously, a differential signal is obtained. The real distribution of surface potentials can be obtained when a pulsed e-beam with a fixed frequency is used for irradiation and a lock-in amplifier is employed for detection. The polarity of induced potential depends on the structure of potential barriers and surface states of samples. The contrast of SEBIV images in SEM changes with irradiation time and e-beam intensity.

Ultra-compact silicon-on-insulator optical filter based on sidewall Bragg grating

Micro-cavity structure composed of silicon wire with 240nm square cross section and two symmetrical sidewall waveguide Bragg gratings is fabricated and studied for the operation under telecommunication wavelengths. Optical filter of quasi-TE mode was realized based on this cavity. In such micro-cavity, optical quality factor (Q) was measured up to 380 with a 4.8nm free spectral range (FSR) and 12dB fringe contrast (FC). The measured group index of silicon waveguide with only 240nm square cross section was between 3.80 and 5.43. It is the first time group delay of silicon wire waveguide with such small core dimension is studied. Larger group delay can be expected after optimizing the design parameters and the fabrication process.

基于模糊行为分析的移动自组网入侵检测

移动自组网络是一种不需要基础设施的网络．在这种网络中，移动节点是自组织的，并且需要互相提供网络路由服务．自组网络非常容易受到攻击，特别是内部攻击．提出了一个基于模糊行为分析的入侵检测方案，以检测网络内部的路由攻击．利用邻接节点监测，通过分析节点路由行为与路由规范的偏差，发现恶意行为．在数据分析的过程中引入了模糊路由行为分析的方法，大大降低了误报率．仿真实验表明，该方案能有效地检测出路由入侵行为，而将误报率控制在一个较低的水平．