Detection of per- and polyfluoroalkyl water contaminants with multiplexed 4D microcavities sensor

The per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) constitute a group of organofluorine chemicals treated as the emerging pollutants and currently are of particularly acute concern. These compounds have been employed intensively as surfactants over multiple decades and are already to be found in surface and ground waters at amounts sufficient to have an effect on the human health and ecosystems. Because of the carbon-fluorine bonds the PFAS have an extreme environmental persistence and their negative impact accumulates with further production and penetration into the environment. In Germany alone, more than thousands sites have been identified to be contaminated with PFAS and thus timely detection of PFAS residues is becoming a high-priority task. In this paper we report on the high performance optical detection method based on whispering gallery modes microcavities applied for the first time for detection of the PFAS contaminants in aqueous solutions. A self-sensing boosted 4D microcavity fabricated with two-photon polymerization is employed as an individual sensing unit. On example of the multiplexed imaging sensor with multiple hundreds of simultaneously interrogated microcavities we demonstrate the possibility to detect the PFAS chemicals representatives at the level of down to 1 ppb

Application of 3D printing for creating and probing biophotonic array sensor based on optical resonance methods.

A new technique for microcavity array sensor construction used for detection and identification of drugs on the basis of spectroscopy of optical resonance of WGM has been developed

МИКРОФЛЮИДНАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ МАТРИЦ ОПТИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРНЫХ СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ

Microfluidic cell containing spherical optical sensor array has been developed. Fluid dynamics simulation has shown that the cell provides a high degree of homogeneity of the analyte flow. Test experiments for biological environmental changes detection inside the cell has been performed.Разработана микрофлюидная ячейка, содержащая матрицу распределенных сферических оптических сенсоров. Моделирование динамики потока жидкости показало, что ячейка обеспечивает высокую степень гомогенности скорости движения потока исследуемого биомедицинского раствора. Проведены тестовые эксперименты по детектированию изменений биологической среды внутри ячейки

ДИАГНОСТИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ОПТИЧЕСКИМИ МАТРИЦАМИ РЕЗОНАНСНОГО ТИПА

The mechanism of biochemical compounds diagnostics using matrices based on optical resonance in closed dielectric microcavities is discuss in this paper. A method for sensor fabrication, interrogation of the optical elements as well as approach for spectral data processing are represented. Experimental data of the protein molecules detection using a matrix sensor in the photonic and photonic-plasmonic configurations is realized.В работе рассматривается механизм диагностики биохимических соединений с помощью матриц, основанных на принципе оптического резонанса в замкнутых диэлектрических резонаторах. Приводятся методика формирования матриц, опроса оптических резонаторов, а также подход по обработке спектральных данных чувствительных элементов. Проведен эксперимент по детектированию осаждения молекул белка с помощью матричного сенсора в фотонной и фотонно-плазмонной конфигурациях

Автономное потоковое детектирование космических объектов на базе удалённой оптической системы

Traditional image processing techniques provide sustainable efficiency in the astrometry of deep space objects and in applied problems of determining the parameters of artificial satellite orbits. But the speed of the computing architecture and the functions of small optical systems are rapidly developing thus contribute to the use of a dynamic video stream for detecting and initializing space objects. The purpose of this paper is to automate the processing of optical measurement data during detecting space objects and numerical methods for the initial orbit determination.This article provided the implementation of a low-cost autonomous optical system for detecting of space objects with remote control elements. The basic algorithm model had developed and tested within the framework of remote control of a simplified optical system based on a Raspberry Pi 4 single-board computer with a modular camera. Under laboratory conditions, the satellite trajectory had simulated for an initial assessment of the compiled algorithmic modules of the computer vision library OpenCV.Based on the simulation results, dynamic detection of the International Space Station in real-time from the observation site with coordinates longitude 25o41′49″ East, latitude 53o52′36″ North in the interval 00:54:00–00:54:30 17.07.2021 (UTC + 03:00) had performed. The video processing result of the pass had demonstrated in the form of centroid coordinates of the International Space Station in the image plane with a timestamps interval of which is 0.2 s.This approach provides an autonomous raw data extraction of a space object for numerical methods for the initial determination of its orbit.Привычные методы обработки стационарных изображений обеспечивают устойчивую результативность как в области астрометрии объектов глубокого космоса, так и в прикладных задачах определения параметров орбит искусственных спутников. Но быстродействие вычислительной архитектуры и функции малых оптических систем стремительно развиваются, что способствует возможности использования динамического видеопотока в приложении детектирования и инициализации космических объектов. Цель данной работы – автоматизировать процесс обнаружения и обработки данных оптических измерений космических объектов при мониторинге околоземного пространства и численных методах определения орбит.В работе предлагается реализация малобюджетной автономной оптической системы детектирования космических объектов с элементами удалённого управления. Аппаратное и программное исполнение реализовано и протестировано в формате встраиваемой программной системы на базе Linux-ядра одноплатного компьютера Raspberry Pi и модульной камеры. В лабораторных условиях проведено макетное моделирование траектории движения спутника для предварительной оценки эффективности работы скомпилированных алгоритмических модулей библиотеки компьютерного зрения OpenCV.На основании результатов моделирования выполнено экспериментальное динамическое обнаружение международной космической станции в режиме реального времени из точки наблюдения с координатами 25°41′49″ в.д. 53°52′36″ с.ш. в промежутке 00:54:00–00:54:30 17.07.2021 (UTC + 03:00). Продемонстрирован результат обработки видеосъёмки пролёта в виде массива координат центроида международной космической станции в плоскости изображения с временными метками периодичностью 0,2 с.Такой подход обеспечивает автономное извлечение предварительных данных с последующей их конвертацией в угловые координаты космического объекта для численных методов начального определения его орбиты

Разработка внефокусного облучателя на основе фазированной антенной решетки для параболической зеркальной антенны космической связи

Mirror antenna systems are widely used in satellite and space communication systems and radio astronomy. Development of these areas requires new efficient antenna systems' design. Possible technical solution for creating an effective mirror antenna is a “hybrid” scheme, when an adaptive phased antenna array is used as an irradiator. This paper is devoted to the development of an out-of-focus irradiator based on a phased antenna array for a space communications' parabolic reflector antenna. The aim of the work is to develop an optimal design of the irradiator with the choice of the structural element of the antenna array and experimental studies of the selected structural element.The wavefront recovery method was used as a tool for selecting the irradiator configuration. The idea of this method use is to reproduce the electromagnetic field of an incident plane wave with an irradiator in order to uniformly illuminate the aperture of the antenna mirror.In order to select the structural element of the irradiator several antennas were considered: a patch antenna, a flat spiral antenna, a conical spiral antenna. The requirements for the phased antenna array element were defined. The irradiator based on the above mentioned was simulated and the irradiator geometry was optimized according to the maximum gain criterion.The maximum gain was achieved for the irradiator based on conical spiral antennas and amounted to 30.8 dB, which for the considered mirror aperture of 2.4 m is close to traditional focal schemes. The results obtained make it possible to create an adaptive antenna system able to compensate for the deviations of the mirror's shape from the theoretical profile, as well as phase distortions in the atmosphere by changing the lattice weights coefficients.В настоящее время в системах спутниковой и космической связи и радиоастрономии широко используются зеркальные антенные системы. Развитие данных отраслей требует разработки новых эффективных антенных систем. Возможным техническим решением для создания эффективной зеркальной антенны является «гибридная» схема, когда адаптивная фазированная антенная решетка используется в качестве облучателя. Данная работа посвящена разработке внефокусного облучателя на основе фазированной антенной решетки для параболической зеркальной антенны космической связи. Целью работы являлась разработка оптимальной конструкции облучателя с выбором элемента решетки и проведением экспериментальных исследований выбранного конструктивного элемента.В качестве инструмента выбора конфигурации облучателя использован метод восстановления волнового фронта. Идея его использования заключается в воспроизведении облучателем электромагнитного поля падающей плоской волны с целью равномерного засвета апертуры зеркала антенны.Для выбора конструктивного элемента облучателя рассмотрены несколько антенн: патч-антенна, плоская спиральная антенна, коническая спиральная антенна. Определены требования к элементу фазированной антенной решетки. Проведено моделирование облучателя на основе перечисленных конструктивных элементов и проведена оптимизация геометрии облучателя по критерию максимального усиления.Максимальное усиление достигнуто конструкцией облучателя на основе конических спиральных антенн и составило 30,8 дБ, что для рассматриваемого раскрыва зеркала 2,4 м близко к традиционным фокусным схемам. Полученные результаты позволяют создать адаптивную антенную систему с возможностью компенсировать отклонения формы зеркала от теоретического профиля, а также фазовые искажения в атмосфере изменением весовых коэффициентов решетки

АНАЛИЗ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ В РЕЗУЛЬТАТЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИНТЕРФЕРОНА IFN-γ НА КЛЕТКУ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОГО ПАКЕТА GeneExpressionAnalyser

The software package GeneExpressionAnalyser for analysis of the DNA microarray experi-mental data has been developed. The algorithms of data analysis, differentially expressed genes and biological functions of the cell are described. The efficiency of the developed package is tested on the published experimental data devoted to the time-course research of the changes in the human cell un-der the influence of IFN-γ on melanoma. The developed software has a number of advantages over the existing software: it is free, has a simple and intuitive graphical interface, allows to analyze different types of DNA microarrays, contains a set of methods for complete data analysis and performs effec-tive gene annotation for a selected list of genes.Предлагается программный пакет GeneExpressionAnalyser для анализа данных, полученных в ходе проведения экспериментов с использованием биочипов ДНК. Детально рассмотрены алгоритмы предварительного анализа данных, выделения дифференциально-выраженных генов и анализа биологических функций клетки. Работоспособность пакета исследуется на примере опубликованных экспериментальных данных, представляющих результаты эксперимента по ис-следованию изменений экспрессии генов в клетке меланомы под воздействием интерферона IFN-? с течением времени

MICROFLUIDIC CELL FOR OPTICAL RESONATOR ARRAY SENSOR

Microfluidic cell containing spherical optical sensor array has been developed. Fluid dynamics simulation has shown that the cell provides a high degree of homogeneity of the analyte flow. Test experiments for biological environmental changes detection inside the cell has been performed