Investigation of a SPR based refractive index sensor using a single mode fiber with a large D shaped microfluidic channel

In this work, a highly sensitive surface plasmon resonance (SPR) sensor based on a single mode fiber (SMF) incorporating a large microfluidic channel (MFC) for refractive index (RI) sensing is designed and optimized using a full-vectorial finite element method (FEM). The fluidic channel size can be varied according to the requirement due to the availability of the large cladding diameter of SMF, which makes it simple and easy to fabricate. The proposed novel sensor is favourable to both analytes and metallic strips. The D-shaped hollow section above the core is filled with the measurand analytes and a gold (Au) strip is deposited on the base of the MFC, as it is known as the most attractive metal for SPR. Our numerical simulations illustrate that the confinement loss of the designed sensor is highly influenced by the distance of the MFC from the core along with the width and thickness of the Au strip. The designed sensor shows an average sensitivity of 1350 nm/RIU and maximum sensitivity of 8250 nm/RIU in the sensing range of 1.33-1.35 and 1.41-1.43, respectively. However, for a small variation of na at a step of 0.005, within ranges like 1.415, 1.420, and 1.425, we have achieved a maximum sensitivity of 7000 nm/RIU, 9000 nm/RIU and 11000 nm/RIU, respectively. This novel SPR sensor with MFC can open up a new opportunity in the application of chemical and biological sensing

Recent advances in plasmonic sensor-based fiber optic probes for biological applications

Funding: This research was funded by National Natural Science Foundation of China (NSFC), grant number [61675008]. Acknowledgments: KN wishes to thank The Royal Society Kan Tong Po International Fellowship 2018 for the travel fund to visit Hong Kong Polytechnic University and Shenzhen Science and Technology Innovation Commission (Project GJHZ20180411185015272).Peer reviewedPublisher PD

Towards the development of cascaded surface plasmon resonance POF sensors exploiting gold films and synthetic recognition elements for detection of contaminants in transformer oil

The possibility of developing a multichannel optical chemical sensor, based on molecularly imprinted polymers (MIPs) and surface plasmon resonance (SPR) in a D-shaped multimode plastic optical fiber (POF), is presented by two cascaded SPR-POF-MIP sensors with different thicknesses of the gold layer. The low cost, the high selectivity and sensitivity of the SPR-POF-MIP platforms and the simple and modular scheme of the optical interrogation layout make this system a potentially suitable on-line multi-diagnostic tool. As a proof of principle, the possibility of simultaneous determination of two important analytes, dibenzyl disulfide (DBDS) and furfural (2-FAL), in power transformer oil was investigated. Their presence gives useful indication of underway corrosive or ageing processes in power transformers, respectively. Preliminarily, the dependence of the performance of the D-shaped optical platform on the gold film thickness has been studied, comparing two platforms with 30 nm and 60 nm thick gold layers. It has been found that the resonance wavelengths are different on platforms with gold layer of different thickness, furthermore when MIPs are present on the gold as receptors, the performances of the platforms are similar in the two considered sensors. Keywords: Cascaded multianalyte detection, Surface plasmon resonance, Dibenzyl disulfide, Furfural (furan-2-carbaldehyde), Molecularly imprinted polymers, Plastic optical fiber

Optical Lossy-mode-resonance Relative Humidity Sensor on a Fiber Tip

Real-time measurement of relative humidity (RH) is important to many physical, chemical, and biological processes. However, in processes that involve harsh conditions such as high temperatures, strong electromagnetic interferences, and complex spatial constraints, conventional electrical sensors often fall short due to their intrinsic limitations. Here, we developed an optical lossy-mode-resonance (LMR) RH sensor based on the SnO2 film coated D-shaped fiber tip. Thanks to the high-temperature endurance and electromagnetic interference immunity, the developed optical fiber-tip sensor is ideal for RH sensing in critical environments, such as in the microwave drying process. Furthermore, unlike other reported in-line LMR sensors, our sensor is located at the D-shaped fiber tip with a probe-like form factor, allowing it to be readily implemented in a spatially confined environment. We have developed a custom fabrication setup for the novel D-shaped LMR fiber-tip sensor. The LMR signal from the sensor was experimentally characterized. The lossy mode resonances are understood by the finite element analysis, the results of which agree well with the experimental measurements. The fiber-tip sensor had a linear RH response between 6.1% to 75.0% and a resolution better than 4.0% RH. The fiber-tip sensor demonstrated a response time and reversibility comparable to that of commercial electrical sensors. The novel D-shaped fiber-tip LMR RH sensor developed in this work will benefit many applications that require RH monitoring in a harsh environment. Furthermore, our innovative D-shaped fiber tip design can be readily applied to LMR-based fiber sensors in general. This will allow the design's advantages of small footprint and agile maneuverability to benefit a wide range of LMR fiber sensing applications beyond RH sensing.Comment: 9 pages, 5 figure

Imunossensores de fibra ótica baseados em SPR para a deteção de cortisol

Stress is a normal physiological and behavioral response to a stimulus that somehow disturbs the maintenance of homeostasis, leading to changes in cortisol (stress hormone) levels. When stress is persistent and uncontrolled, it can severely affect several areas, such as human health and some applications in marine biology, including aquaculture production. Currently, the detection of cortisol is performed in laboratories using conventional techniques which have several disadvantages, one of them being the long waiting time for a response. Therefore, it is essential to develop biosensors that detect cortisol directly in point of care (POC). Biosensors are miniaturized analytical devices capable of detecting and quantifying specific biomarkers. In addition, they allow real-time monitoring, overcoming the disadvantages of conventional techniques. Silica optical fibers (SOF) and polymeric optical fibers (POF) coated with gold (Au) were used in this work to develop immunosensors for cortisol detection. Throughout the entire experimental process, simulation of the response to the refractive index (RI) of the optical fibers coated with Au was also carried out to compare the experimental results with those obtained from the simulation. In the laboratory, Au-coated fibers were initially characterized at RI with eight glucose concentrations ranging from 1.333 to 1.386 RI units (RIU). The obtained sensitivity with Au-SOF was 1646.67 ± 91.66 nm/RIU, being lower than the simulated (2138.95 ± 142.65 nm/RIU), and for Au-POF the sensitivity presented a value of 1566.81 ± 96.87 nm/RIU, was not possible to obtain results by the simulation. Subsequently, the fibers were functionalized with anti-cortisol antibody (AB) and passivated with bovine serum albumin (BSA), using cysteamine which has a thiol group and an amine group to allow binding to Au and AB, respectively. After this procedure, both immunosensors were tested for a range of cortisol concentrations from 0.01 to 100 ng/ml, in which the SOF immunosensors had a mean total resonance wavelength shift of 3.70 ± 0.39 nm, and a limit of detection (LOD) of 1.46 ng/mL, whereas for POF immunosensors it was not possible to trace a calibration line. Control tests on sensors functionalized with anti-cortisol AB were also performed using glucose (50 mg/dL and 500 mg/dL) and cholesterol (170 mg/dL and 240 mg/dL). The functionalization and detection test of immunosensors were accompanied by morphological and chemical characterization. Finally, a preliminary test of a SOF immunosensor regeneration showed promising results. In the future, it will be necessary to perform regeneration and reuse tests to validate the applied procedure.O stress é uma resposta fisiológica e comportamental normal a um estímulo que, de alguma forma, perturba a manutenção da homeostase, levando à alteração dos níveis de cortisol (hormona do stress). Quando o stress é perseverante e descontrolado pode afetar gravemente várias áreas, como a saúde humana e algumas aplicações na biologia marinha, incluindo a produção de aquacultura. Atualmente, a deteção de cortisol é realizada em laboratórios por técnicas convencionais que apresentam várias desvantagens, sendo uma delas o elevado tempo de espera pela resposta. Deste modo, é imprescindível o desenvolvimento de biossensores que detetem o cortisol diretamente no local de interesse (POC, do inglês point of care). Os biossensores são dispositivos analíticos miniaturizados capazes de detetar e quantificar biomarcadores específicos. Ademais, permitem a monitorização em tempo real superando as desvantagens das técnicas convencionais. Fibras ótica de sílica (SOF, do inglês silica optical fibers) e fibras ótica poliméricas (POF, do inglês polymeric optical fibers) revestidas com ouro (Au) foram utilizadas neste trabalho para desenvolver imunossensores para a deteção de cortisol. Ao longo de todo o processo experimental, foi também efetuada a simulação da resposta ao índice de refração (RI, do inglês refractive index) das fibras óticas revestidas com Au de forma a poder comparar os resultados experimentais com os obtidos a partir da simulação. Em laboratório, as fibras revestidas com Au foram inicialmente caracterizadas ao RI com oito concentrações de glicose com RI de 1,333 a 1,386 unidades de RI (RIU, do inglês refractive index unit). A sensibilidade obtida com a Au-SOF foi 1646,67 ± 91,66 nm/RIU, sendo inferior à simulada (2138,95 ± 142,65 nm/RIU), e para a Au-POF a sensibilidade apresentou um valor de 1566,81 ± 96,87 nm/RIU, não sendo possível obter resultados pela simulação. Posteriormente, as fibras foram funcionalizadas com o anticorpo (AB, do inglês antibody) anti-cortisol e passivadas com albumina do soro bovino (BSA, do inglês bovine serum albumin), utilizando a cisteamina que apresenta um grupo tiol e um grupo amina para permitir a ligação ao Au e ao AB, respetivamente. Após este procedimento, ambos os imunossensores foram testados para uma gama de concentrações de cortisol de 0,01 a 100 ng/mL, no qual os imunossensores de SOF apresentaram um desvio total médio do comprimento de onda de ressonância de 3,70 ± 0,39 nm e um limite de deteção (LOD, do inglês limit of detection) de 1,46 ng/mL, enquanto que para os imunossensores de POF não foi possível traçar uma reta de calibração. Testes de controlo em sensores funcionalizados com AB anti-cortisol foram também realizados utilizando glicose (50 mg/dL e 500 mg/dL) e colesterol (170 mg/dL e 240 mg/dL). A funcionalização e o teste de deteção dos imunossensores foram acompanhados de caraterização morfológica e química. No final, um teste preliminar de regeneração de um imunossensor de SOF mostrou resultados promissores. Futuramente, será necessário realizar ensaios de regeneração e reutilização para validação do procedimento aplicado.Mestrado em Engenharia Biomédic

Sensores em POF baseados em intensidade para a avaliação da qualidade de águas

Nowadays there is the need for low-cost and user-friendly solutions for water quality assessment which can allow for remote, in-site and real-time monitoring of water contaminants. POF sensing technologies combined with specially developed sensitive layers for chemical detection may offer these possibilities, with proper interrogation systems. POF sensing platforms based on low-cost procedures were developed and characterized using aqueous solutions of different refractive indices (RI). The POF RI sensors were optimized by varying the length and/or roughness of the sensing region. The suitability of these sensing platforms for chemical detection was evaluated through the coating with sensitive layers, namely molecularly imprinted polymers (MIPs) using different deposition techniques. The dependency of proteins immobilization on the POF’s surface was evaluated aiming future developments in chemical detection using POF biosensors. A D-shaped POF chemical sensor was successfully developed using a sensitive MIP layer, allowing the detection of perfluorooctanoate (POFA/PFO-) in aqueous media with a limit of detection of 0.20 – 0.28 ppb. The collaboration of researchers from different areas was essential for the success of the developed work.Hoje em dia há uma necessidade de soluções simples e de baixo custo para a avaliação da qualidade de águas e que permitam a monitorização remota de contaminantes, no local e em tempo real. As tecnologias baseadas em POF podem oferecer essa possibilidade através de sistemas de interrogação óptica adequados, combinados com camadas sensíveis especialmente desenvolvidas para detecção química. As plataformas ópticas baseadas em POF foram desenvolvidas e caracterizadas com soluções aquosas com diferentes índices de refracção. Os sensores foram optimizados através da variação do comprimento e/ou rugosidade da região sensível. A capacidade de detecção química das plataformas ópticas desenvolvidas foi avaliada através do revestimento com camadas sensíveis, nomeadamente polímeros molecularmente impressos (PMI), utilizando diferentes técnicas de deposição. A dependência da imobilização de proteínas na superfície de POFs modificadas foi avaliada com o objectivo de desenvolver biossensores para detecção química. Um sensor POF para detecção química, em configuração D-shape, foi desenvolvido com sucesso através do revestimento com um PMI, permitindo a detecção de perfluorooctanoato (POFA/PFO-) em soluções aquosas com um limite de detecção entre 0.20 – 0.28 ppb. A colaboração com investigadores de diferentes áreas foi essencial para o sucesso do trabalho desenvolvido.Programa Doutoral em Engenharia Físic

Desenvolvimento de sensores óticos de pH para aplicação em aquacultura e integração em plataforma híbrida multi-parâmetro

Optical fiber sensors have shown a lot of potential for application in marine environments e regarding monitoring multiple parameters crucial to the growth and well-being of fish, of which pH is one of the most important. Regarding this work, two types of optical fiber sensors were produced: tapers made from a silica single mode fiber with a fiber Bragg grating, and D-shape plastic optical fibers. There were used two different types of D-shape plastic optical fibers: home-made, using a polishing machine, and reused, from old cortisol sensors. Polyaniline (PANI) was synthesized by oxidative polymerization of aniline that was carried out onto the fibers and the selected synthesis time, for which better results were obtained, was 20 minutes. The sensitivity and the sensors’ behavior are determined by the geometry modifications applied onto the fibers, which allow the access of the evanescent wave to the surrounding medium which, in combination with polyaniline, results in a transmission decrease of the spectra as pH increases. The sensors present a certain degree of reproducibility and repeatability with the tapers, the D-shapes home-made and reused having a sensitivity of –0.25 dB/pH, –500 counts/pH and –2500 counts/pH, respectively. However, this is only valid for the increasing order. Regarding the stabilization time, for extreme pH values, whether very acidic, totally protonated, or very basic, totally unprotonated, the stabilization time is shorter. On the other hand, for the transition values of pH, this time is longer, since the PANI is in a transition phase. There were also made cross-sensitivity tests related to ionic strength and temperature, where the sensors did not show a spectra variation in the range of interest. Additionally, the pH sensor was integrated in a hybrid platform with a sensor of nitrites and the optical response to the increment of nitrites in a PBS solution was observed, having only slight variations. The tapers are very useful due to their remote sensing and multiplexing, which is the reason they were spliced with a sensor of nitrites. However, these lack mechanical robustness and ease of fabrication. On the other hand, the opposite happens in the D-shapes. These are more robust and easier to manufacture, but the possibility of multiplexing or remote sensing is challenging or unknown. As a future work, it is intended that the pH sensors produced are applied directly on the aquaculture tanks in order to identify possible water interferences in the measurements and perform tests to optimize the hybrid structure.Os sensores em fibra ótica têm-se mostrado muito promissores para a aplicação em ambientes marinhos na monitorização de vários parâmetros cruciais ao bom crescimento e reprodução dos peixes, dos quais o pH é dos mais importantes no setor da aquacultura. No caso deste trabalho, dois tipos de sensores em fibra ótica foram produzidos: tapers feitos a partir de uma fibra de sílica monomodo com uma rede de Bragg e fibras óticas de plástico com uma D-shape. Em relação às fibras óticas de plástico D-shape, foram usados dois tipo diferentes: umas produzidas no laboratório, usando uma máquina de polir, e outras foram reutilizadas a partir de sensores antigos de cortisol. A polianilina (PANI) foi sintetizada por polimerização oxidativa da anilina na presença das fibras e o tempo de síntese escolhido, para o qual se obteve melhores resultados, foi 20 minutos. A sensibilidade e comportamento do sensor são determinados pelas modificações de geometria aplicadas nas fibras que permitem que a onda evanescente tenha acesso ao meio circundante e, em combinação com a polianilina, isto resulta numa diminuição da transmissão dos espetros à medida que o pH aumenta. Os sensores apresentam um certo grau de reprodutibilidade e repetibilidade, com os tapers, as fibras D-shape produzidas no laboratório e as reutilizadas com sensibilidade de –0.25 dB/pH, –500 contagens/pH e –2500 contagens/pH, respetivamente. Contudo, isto apenas é válido no sentido ascendente de pH. Relativamente ao tempo de estabilização, para os extremos das regiões de pH, quer seja muito ácido, totalmente protonado, ou muito básico, totalmente desprotonado, o tempo de estabilização é mais curto. Já para os valores de transição de pH este tempo é mais elevado, pois a PANI também está numa fase de transição. Foram ainda efetuados testes de sensibilidade cruzada no que diz respeito à força iónica e à temperatura, sendo que os sensores não mostraram uma alteração espetral na zona de interesse. Adicionalmente, integrou-se o sensor de pH numa plataforma híbrida com um sensor de nitritos e observou-se a resposta ótica ao adicionar nitritos a uma solução de PBS, o que resultou em variações pouco significativas. As fibras tapers são bastante úteis devido às suas capacidades de monitorização remota e multiplexagem, daí terem sido fundidos com um sensor de nitritos. No entanto, estes carecem de robustez mecânica e facilidade de fabrico. Por outro lado, nas fibras D-shape o oposto é observado. Estas são mais robustas mecanicamente e fáceis de fabricar, mas a possibilidade de multiplexar ou monitorizar remotamente é desconhecida ou mais complicada. Como trabalho futuro pretende-se que os sensores de pH produzidos sejam aplicados diretamente nos tanques de aquacultura a fim de identificar possíveis interferentes da água nas medidas e de realizar testes para otimizar a estrutura híbrida.Mestrado em Engenharia Físic

A numerical approach into new designs for SPR sensors in D-type optical fibers

This thesis investigates how to improve the performance of current designs of optical fiber sensors based on Surface Plasmon Resonance, and how to use a better understanding of the physical and sensing principles behind them to propose new sensing concepts and ideas. We adopt a methodology based on numerical simulations because they provide a better insight onto the operation of these sensors and because they allow an easy and quick way of testing new designs and concepts without the need to fabricate the sensors. We also show that these simulations have a good agreement with experimental results. We adopt a systematic approach to investigate the various parameters that influence the sensor performance, and present different sensors designs, where we study the localization, optical properties, shape and size of the metal components, combined with different type of fibers, resulting in the coupling between the plasmon and optical modes. Furthermore, we verify that choosing the optical modes used in sensing in multimode fibers can also have advantages. We investigate the use of modern artificial materials, such as metamaterials, as well as the inclusion of multiple wires in the fiber to enhance the performance of the SPR sensor. At a more fundamental level, we show that the control of the coupling between multiple plasmon modes in metal components and the optical modes in the fiber constitutes a new way to improve the performance of the sensor and can be inclusively used to develop a new type of SPR sensors capable of measuring simultaneously two variables, such as the external refractive index and temperatureEsta tese investiga como é possível melhorar o desempenho das estruturas atuais dos sensores de fibra ótica baseados em Ressonância Plasmónica de Superfície (SPR), bem como compreender melhor os princípios físicos e de sensorização na base do seu funcionamento, permitindo propor novos conceitos de sensores. Foi utilizada uma metodologia baseada em simulações numéricas, pois proporcionam um melhor entendimento do funcionamento desses sensores, constituindo uma maneira simples e rápida de testar novas estruturas e conceitos, sem a necessidade de fabricar os sensores. Mostra-se também que essas simulações têm uma boa concordância com os resultados experimentais. Foi adotada uma abordagem em que se investiga sistematicamente os diversos parâmetros que influenciam o desempenho do sensor e se apresentam diferentes estruturas de sensores onde foram estudadas a localização, propriedades óticas, forma e tamanho dos componentes metálicos, combinados com diferentes tipos de fibras, resultando no acoplamento entre os modos plasmónicos e os modos óticos. Também foi verificado que a escolha dos modos óticos utilizados na deteção em fibras multimodo pode apresentar vantagens. Foi investigado ainda o uso de materiais artificiais recentemente desenvolvidos, de que são exemplo os metamateriais, bem como, a inclusão de múltiplos fios metálicos na fibra, de forma a melhorar o desempenho dos sensores SPR. A um nível mais fundamental, foi demonstrado que o controlo do acoplamento entre os múltiplos modos plasmónicos gerados nos componentes metálicos e os modos óticos propagados na fibra constitui uma nova forma de melhorar o desempenho do sensor. Tal pode ser inclusivamente utilizado para desenvolver um novo tipo de sensores SPR capazes de medir simultaneamente duas variáveis, como por exemplo o índice de refração externo e a temperatura