Titel Promotor Affiliaties "Korte inhoud" "Computational design and engineering of fluid flow in 3D printed microfluidic lab-on-chips" "Bart Nicolai" "Membraanscheidingen, Adsorptie, Katalyse en Spectroscopie voor Duurzame Oplossingen (cMACS), Mechatronica, Biostatistiek en Sensoren (MeBioS)" "Vroegtijdige diagnose van infectieziekten is cruciaal om patiënten doeltreffend te kunnen behandelen en de genezingskansen te vergroten. Diagnostische analyses worden echter meestal uitgevoerd in een gecentraliseerde omgeving, wat een tijdige identificatie van de ziekte en de daaropvolgende behandeling belemmert. Dit geldt in het bijzonder voor ontwikkelingslanden waar weinig analytische laboratoria bestaan die bovendien voor de meeste patiënten vaak moeilijk te bereiken zijn. Daarom werken de instellingen voor gezondheidszorg en onderzoeksinstellingen aan het ontwikkelen van diagnostische tests die naast of in de buurt van de patiënt kunnen worden uitgevoerd, de zogenaamde point-of-care (POC) testen. Door analytische laboratoriumtechnieken te miniaturiseren en integreren op kleine microfluïdische chips, of lab-on-chips (LOCs), kunnen zulke POC tests worden ontworpen. LOCs die bedoeld zijn voor POC diagnoses, moeten aan bepaalde eisen voldoen, met name gebruiksvriendelijk, draagbaar en autonoom zijn. Poreuze materialen zijn veelbelovende substraten voor de ontwikkeling van zelfgestuurde LOCs omdat de capillariteit van de poriën kan gebruikt worden als aandrijfkracht voor de actuatie van vloeistofstromen zonder externe krachtbronnen te vereisen. Ondanks de duidelijke voordelen worden autonome, of passieve, microfluïdische LOCs nog zelden gebruikt, zowel wegens de beperkingen van de meest gebruikelijke fabricagetechnieken, als wegens het tijdrovende ontwerpproces dat meestal uit een trial-and- xii error methode bestaat. Binnen deze context was de algemene doelstelling van deze doctoraatsthesis het ontwikkelen van een methodologie om computeraided-design (CAD) van powder-bed 3D-geprinte poreuze passieve microfluïdische LOCs, mogelijk te maken. Meer specifiek identificeerden we in dit doctoraatswerk drie deeldoelstellingen: i) het onderzoeken van de materiaaleigenschappen van powder-bed 3D-geprinte monolithische poreuze microfluïdische platforms, ii) het bestuderen van enkel- en meerfasige vloeistofstroming in de poriën van de 3D-geprinte objecten en iii) het implementeren van alle verworven materiaal- en stroomeigenschappen in een multischaalmodel van capillair transport, waardoor computergebaseerd ontwerp van poreuze microfluïdische kanalen mogelijk wordt. Het eerste deel van deze thesis geeft uitleg over de 3D-printtechniek die werd benut om de microfluïdische platforms te fabriceren die in de rest van het proefschrift worden gebruikt. Na het 3D-printen, werden de poreuze print-outs gekarakteriseerd door middel van niet-destructieve X-ray microcomputed tomography (µCT). Door 3D-beelden met hoge resolutie en verschillende beeldverwerkingstechnieken te combineren, werden de (micro)structurele en chemische eigenschappen van de poreuze 3D-geprinte objecten bepaald (bv. poriegrootteverdeling en contacthoek). Bovendien werden iteratieve reconstructiealgoritmen en dynamische µCT-beelden gebruikt om de werking van een 3D hydraulische triggerklep te visualiseren. De ontwikkelde protocollen voor beeldvorming en beeldanalyse maakten een volledig geautomatiseerde karakterisering van het 3D-geprinte materiaal mogelijk en werden ook in andere secties van dit werk benut. In het tweede deel van dit proefschrift werden de poriën, gesegmenteerd volgens de eerder ontwikkelde workflow voor beeldverwerking, gebruikt om het poriënnetwerk van de 3D-geprinte platforms te verkrijgen. Op dit poriënnetwerk werd eerst eenfasige stroming gesimuleerd door het effect van de hydraulische weerstand van elke porie en porieverbinding te analyseren. Uit de simulatieresultaten werd vervolgens de verzadigde permeabiliteit van de print-outs berekend. Deze analyse toonde aan dat het 3D-geprinte materiaal anisotroop is, waarbij de richting waarin het poeder werd verspreid en geëgaliseerd de laagste weerstand biedt aan vloeistofstroom. Ten tweede werd het poriënnetwerk gebruikt om spontaan capillair transport op porieschaal te simuleren en werd het voorspelde capillaire gedrag gevalideerd door middel van in-situ dynamische synchrotron µCT. In zowel de experimenten als de simulaties stelden we vast dat de capillaire stroming een preferentiële richting heeft. Dit gedrag bleek een gevolg te zijn van de wijziging van de oppervlakte-eigenschappen van het materiaal (bv. de contacthoek) binnen de poreuze kanalen, wat zowel tijdens het 3D-printen als tijdens de daaropvolgende droogprocessen plaatsvindt. Ten slotte werden in het laatste deel van dit onderzoek effectieve materiaal- en stromingsparameters, bepaald uit de poriënnetwerksimulaties, gebruikt om een multischaalmodel van capillair transport, gebaseerd op de oplossing van de Richards vergelijking, in de 3D-geprinte kanalen te ontwikkelen. Dit model gaf inzicht in de evolutie van de vloeistofverzadiging in de tijd in elk punt van een poreus kanaal en kan worden gebruikt om de voortgang van het vloeistoffront te voorspellen. Door gebruik te maken van zowel dit computermodel als van dynamische µCT-beeldvorming van capillaire stroom in de kanalen, werd opnieuw het effect aangetoond van de oppervlaktewijzigingen van de poreuze kanalen tijdens en na het 3Dprinten. Het multischaalmodel werd met succes toegepast op kanalen van verschillende groottes en geometrieën, wat een computergebaseerd ontwerp van poreuze microfluïdische LOCs mogelijk maakt. Het onderzoek beschreven in dit proefschrift toonde het potentieel aan van multischaalmodellen om het ontwerpproces van autonoom poreuze LOC's te vergemakkelijken. Ondanks de behaalde resultaten is verder onderzoek noodzakelijk om i) alternatieve poreuze materialen te bestuderen die relevant zijn voor autonome microfluïdica, ii) computermodellering van massatransport te integreren om bioassays te kunnen simuleren en iii) snelle prototyping te bieden door middel van reduced order modelling. Ten slotte moet toekomstig onderzoek ook gericht zijn op het verminderen van de oppervlaktewijzigingen in de 3D-geprinte kanalen, bijvoorbeeld door hydrofiele inkten te gebruiken om de chemische eigenschappen van het kanaal te homogeniseren" "Fundamentele bouwstenen voor real-time high-throughput (sub-)THz lab-on-chip systemen voor het label-vrije monitoren van biomoleculaire interacties" "Johan Stiens" "Fysiologie, Toegepaste Biologische Wetenschappen, Elektronica en Informatica" "Het doel van dit project is het bevorderen van de interdisciplinaire convergentie tussen de ingenieurs-, fysische en de wetenschapsgemeenschap. We gebruiken hierbij fundamentele bouwstenen voor real-time high-throughput (sub)-THz lab-on-chip systemen voor het lab-vrije monitoren van biomoleculaire interacties." "Ontwikkeling van een innovatief multiparameter sensing platform gebaseerd op geïntegreerde impedantie en thermische sensoren voor de screening van veranderingen aan de interface en in bulk vloeistof voor lab-on-chip toepassingen." "Ronald THOELEN" "Engineering Materials and Applications" "Het gebruik van meerdere sensoren en dus fusie van verschillende gegevensbronnen is een belangrijke en fundamentele zaak aan het worden. Met dit project willen we de mogelijkheden van multiparameter sensing uit breiden door impedantie en thermische sensoren te integreren in één platform voor de gelijktijdige bepaling van elektrische en thermische eigenschappen. Deze combinatie zou toelaten om gelijktijdig fysische en/of chemische interacties aan het oppervlak van de sensor of in de bulkvloeistof te monitoren door geavanceerde verwerking van data of aanpassingen in het protocol. Thermische veranderen worden gemonitord via het 'transient plane source' meetprincipe en voor impedantie metingen worden interdigitale elektrodes gebruikt. Binnen het project zullen 'eindigeelementen multi-fysische' simulaties, gecombineerd met equivalente elektrische en thermische modellen, dienen als tools voor het ontwerpen, karakteriseren en testen. Deze designs zullen in de praktijk worden gefabriceerd en getest. Zowel een microfluïdisch als een well-plaat design zal onderzocht worden. Verschillende proof-ofapplications zullen worden overwogen tijdens het project om de brede toepasbaarheid aan te tonen. In die zin werkt het project aan de ontwikkeling van een generisch sensor meet platform onafhankelijk van de toepassing. Door dit technologieplatform te valoriseren, kan men verschillende verticale pijlers verkennen, werkend naar een specifieke sensor voor een specifieke toepassing." "Lab-on-Chip sample preparation for high-throughput biomolecule Electron Microscopy." "Jan Vanfleteren" "Vakgroep Elektronica en Informatiesystemen" "Het doel van dit project is de voorbereiding van een spin-off die zich richt op de ontwikkeling van de technologie voor de HT (high-throughput) karakterisering van eiwitstructuren via cryo-elektronenmicroscopie." "Sabbatperiode Eleonora Ferraris : 3D-printen voor bio-elektronica-interfaces en in-vitro-apparaten" "Eleonora Ferraris" "Maakprocessen en -Systemen (MaPS)" "Deze sabbatical is gericht op het onderzoeken en verkennen van het gebruik van multi-materiaal additive manufacturing-oplossingen, met focus op jetprinten, voor de ontwikkeling van in-vitro-platforms, zoals lab-on-chip, tissue-on-chip, 3D-celkweek, enz. voor toepassingen op het gebied van weefselmanipulatie en preventieve geneeskunde, zoals in-vitrodiagnostiek, in-vitroonderzoek, medicijntesten, ontwikkeling van gepersonaliseerde behandelingen, regeneratie van patiëntspecifieke transplantaten, enz. Deze apparaten zijn meestal ontworpen in een gelaagde structuur, waarbij elk laag gewijd aan een specifieke functie, en typisch omvattend: i) een ondersteunend substraat; ii) een microfluïdische laag om voedingsstoffen te leveren; iii) een elektrische interface van elektroden en onderlinge verbindingen voor detectie en stimulatie; en iv) een biologische laag, b.v. in de vorm van nauwkeurige patronen van biologische reagentia of in de vorm van op hydrogel gebaseerde constructies met hoge resolutie, met ingezaaide of geprinte cellen, om op een weefsel te lijken. In deze context kan Aerosol Jet Printing (AJ®P) nieuwe mogelijkheden bieden, aangezien direct schrijven resoluties tot 20 µm in de breedte en 100 nm in de dikte kan printen in een grote verscheidenheid aan materialen en op vrije-vormsubstraten (flexibel, rigide, plat of 3D gevormd). AJ®P wordt typisch toegepast in het domein van gedrukte elektronica, en de recente expertise van de Prof Ferrari's in AJ®P van collageen is uniek in deze context. Ondanks dit potentieel is het gebruik van AJ®P in deze richting nog niet volledig onderzocht. Het doel van deze periode is dan ook om het veld verder te analyseren en de kansen en beperkingen in kaart te brengen, door intensief literatuuronderzoek maar ook door het opzetten van internationale samenwerking en bezoeken aan strategische labs. Daarom zal de onderzoeksperiode grotendeels plaatsvinden in het centrum van 3D-printen aan de Nanyang Technological University, Singapore, een wereldwijd expertisecentrum op het gebied van additive manufacturing en volledig uitgerust met belangrijke faciliteiten en expertise op het gebied van 3D-bioprinting, geprinte elektronica en een geïntegreerd platform voor biomedische toepassingen." "GEAR: “Brussels Photonics 2025: B-PHOT als stuwende kracht achter fotonica innovatie in Europa en daarbuiten”" "Hugo Thienpont" "Industrieel Onderzoeksfonds, IR Academische Eenheid, Fotonica Team Brussel, Toegepaste Natuurkunde en Fotonica, Technology Transfer & Interface" "Brussels Photonics, de fotonica onderzoeksgroep van de Vrije Universiteit Brussel (B-PHOT VUB), is een pioneer in de wereld van de fotonica of lichttechnologie sinds 1985. Gedurende de laatste 35 jaar is B-PHOT uitgegroeid tot een wereldvermaard onderzoeks en innovatiecentrum met een eigen prototypeer en productielijn (TRL3-6) voor optische en fotonische systemin. Gedurende de laatste 15 jaar heeft B-PHOT, in het kader van haar IOF roadmap, zeer aanzienlijke hefbomen kunnen creëren voor de IOF KPI’s wat voornamelijk te danken is aan de groei in externe projectfinanciering. Met haar nieuwe IOF roadmap voor 2021-2025, die aangepast is aan de steeds wijzigende Vlaamse en Europese innovatiestrategie, wenst B-PHOT haar positie in het fotonica innovatielandschap verder te verstevigen om aldus het fotonica innovatiecentrum te worden voor Europa en daarbuiten. Om dat te verwezenlijken zal BPHOT inzetten op 1) een verhoging van haar innovatie activiteiten met een veelheid van Europese KMO’s en grote bedrijven, 2) het intensief aanwenden van haar prototypeer en pilootlijn infrastructuur voor vrije vorm optiek, optische vezel sensoren en lab-on-chips in het kader van interdisciplinaire onderzoeks en innovatieprojecten met de industrie, 3) een schaalvergroting van het aantal bilaterale projecten met industriële wereldspelers, gebaseerd op haar unieke high-end fotonica technologieën." "Actieve microfluïdische componenten met halfgeleidertechnologie compatibele materialen en methoden" "Paul Heremans" "Fysica van Zachte Materie en Biofysica, Elektronische Circuits en Systemen (ECS)" "Lab-on-chip en micro-totaal-analyse-systemen hebben de afgelopen 30 jaar grote belangstelling gekregen van zowel de onderzoeksgemeenschap als de commerciële sector na de eerste introductie van microfluïdica als een individueel onderwerp in de jaren tachtig. Een typisch geïntegreerd actief lab-on-chipapparaat bestaat uit vloeistofonderdelen met microkleppen en micropompen om de routing, timing en menging van vloeistoffen nauwkeurig aan te drijven en te regelen, en uit niet-vloeibare onderdelen met elektrische en optische componenten voor apparaatbesturing en extra functionaliteiten. De eerste chips met silicium gebaseerde micro-elektromechanische systemen zijn in de loop der jaren voortdurend verbeterd met oog op de complexiteit en energieefficiëntie voor actieve microfluïdische apparaten. Afgezien van de hoge kosten per oppervlakte-eenheid, heeft de op silicium gebaseerde technologieroute echter minder de voorkeur wanneer een grote trillingsamplitude nodig is voor zinvolle microfluïdische operaties. Polydimethylsiloxaan (PDMS)-achtige materialen, die al tientallen jaren zijn ontwikkeld, en de bijbehorende zachte-lithografiemethode hebben snelle prototyping mogelijk gemaakt en hebben het mogelijk gemaakt de activeringsamplitude met grootte ordes te verbeteren in vergelijking met de silicium gebaseerde apparaten. Niettemin is de integratie van PDMS-achtige polymeren in industriële halfgeleideromgevingen ongewenst voor middelgrote en grootschalige productie.In dit proefschrift evalueren we mogelijke oplossingen om de industrialisatie van microfluïdica te verbeteren. In het bijzonder richten we ons op de ontwikkeling van twee onmisbare actieve microfluïdische componenten, namelijk de geïntegreerde actieve micropomp en de actieve microklep, met halfgeleidertechnologie-compatibele materialen en fabricagemethoden. Twee verschillende polymeren van halfgeleiderkwaliteit, polyimide en een op polyisopreen gebaseerd elastomeer, worden gebruikt om membraan gebaseerde actieve microfluïdische componenten op te bouwen. Op basis van drie aansturingsmethoden worden piëzo-elektrische, pneumatische en elektrostatische actuatoren vervaardigd op glassubstraten met behulp van standaard cleanroomfaciliteiten.Specifiek is een piëzo-elektrisch aangedreven actieve micropomp ontwikkeld met polyimide als vibrerend membraan. We onderzoeken de integratiemethode voor het aanbrengen van een dunne laag polyimide op een microfluïdische laag met behulp van verschillende laserbronnen, evenals de ontwerpregels van efficiënte micropompgeometrieën, met name de mondstuk/diffusorelementen met vaste geometrie die worden gebruikt als de vloeistofgelijkrichter om de stroomrichting te reguleren.Om het hoofd te bieden aan de noodzaak om een 30 μm diep microfluïdisch kanaal af te knijpen, worden verschillende elastomeerkandidaten met een lage Young-modulus (MPa) gescreend, met speciale aandacht voor de chemische compatibiliteit met verschillende zuren en oplosmiddelen om lithografie gebaseerde metaalpatronering mogelijk te maken. Naast het ontwikkelen van de route om de dunne elastomeren te integreren in een microfluïdische kanaal, onderzoeken we de directe metallisatiemogelijkheid van het elastomeer met behulp van conventionele fysieke dampafzetting en op lithografie gebaseerde patroonvormingsmethoden door te kijken naar de theoretische en experimentele optimalisatie van een metaal/polymeer dubbelle laag. Een hybride elektrostatisch-pneumatische actieve microklepconfiguratie wordt voorgesteld en ontwikkeld.Door zorgvuldig de juiste aandrijfmechanismen te kiezen, hetzij geïntegreerde elektromechanische koppelingen zoals piëzo-elektrische of elektrostatische aandrijfmethoden, hetzij externe aandrijfkracht zoals een pneumatische bron, hebben we met succes proof-of-concept-apparaten gedemonstreerd voor drie soorten actieve microfluïdische transducers die zijn vervaardigd in een standaard cleanroom-omgeving. De ultieme compatibiliteit van de voorgestelde materialen en verwerkingsmethoden met de halfgeleider en beeldscherm industrie maakt de weg vrij voor toekomstige industrialisatie van complexe lab-on-chip-systemen met een hoge mate van integratie en de mogelijkheid voor massaproductie." "Geintegreerde surface-enhanced Raman-spectroscopie voor de detectie van biologische molecules" "Roel Baets" "Vakgroep Informatietechnologie" "In dit project wordt een geïntegreerd nanofotonisch-plasmonisch platform voor lab-on-chip detectie van biomolecules ontwikkeld. Hierbij maken we gebruik van surface-enhanced Raman spectroscopy, waarbij goud-nanostructuren voor een sterke licht-molecule interactie zorgen. Deze techniek zal aangewend worden voor de detectie van biologische molecules." "Componenten voor lab op chip-systemen" "Liesbet Lagae" "Fysica van Zachte Materie en Biofysica" "Point-of-care-microsystemen, ook wel lab-on-chips (LOC) genoemd, zullen in de nabije toekomst een revolutie teweegbrengen in de gezondheidszorg. De microfluïdische gemeenschap is de afgelopen 25 tot 30 jaar productief geweest in het ontwikkelen van een groot aantal betrouwbare microfluïdische apparaten, die elk een specifieke taak uitvoeren die nodig is voor de werking van een LOC-systeem. Helaas hebben deze goed presterende apparaten hun unieke fabricagestroomproces waardoor het onmogelijk is om ze te fabriceren op een enkele chip die essentieel is voor de constructie van een LOC-systeem.Dit proefschrift is een poging om componenten met verschillende functionaliteiten onder de motorkap te brengen van een enkele processtroom met glas en silicium als substraat en aluminium als metaallaag. Het rapporteert het ontwerp en de ontwikkeling van een geminiaturiseerde Polymerase Chain Reaction (PCR) -chip, een capillaire microklep die wordt aangedreven door thermopneumatische druk en tenslotte een capillaire microklep die wordt aangedreven door elektrohydrodynamische krachten.Voor DNA-amplificatie op de chip is een micro-Polymerase Chain Reaction-chip ontworpen en ontwikkeld met een geïntegreerde aluminium microverwarmer waarvan de vorm is geoptimaliseerd voor uniformiteit op hoge temperatuur van ongeveer 1 K door de hele reactor. Hiervoor wordt een gekoppeld 3D elektro-thermisch model met eindige elementen gebruikt. Een proportionele integrale regeling is ingebed in het eindige-elementenmodel om de ingestelde PCR-temperatuur te traceren. Op basis van Rayleigh-getalanalyse wordt een overweldigende dominantie van geleiding boven convectie voor warmteafvoer naar de omgeving gevonden en wordt het probleem beperkt tot alleen geleiding en straling. De prestaties van de microverwarmer werden gevalideerd door DNA-smeltpuntexperimenten die een zeer hoge temperatuuruniformiteit vertoonden, gevolgd door een PCR-experiment van 50 amplificatiecycli en de resultaten werden vergeleken met die van een commercieel instrument met een fout van 1 eenheid in de drempelwaarde, CT .Vloeistofregeling met behulp van een capillaire afsluiter is een zeer lonende benadering in microfluïdica vanwege de eenvoud in fabricage. Een nieuwe methode voor het activeren van een capillaire afsluiter wordt gedemonstreerd met behulp van thermische uitzetting van opgesloten luchtbellen als het bedieningselement. Net als in het eerdere project is een microverwarmer geïntegreerd als verwarmingselement aan de achterkant van een kamer met een bel die wordt opgesloten tijdens het vullen van het apparaat. De dynamica van het systeem wordt bestudeerd met behulp van het bekende analoge elektrische equivalent van een vloeistofcircuit. De thermische eigenschappen van de bel en de chip worden geschat met behulp van het eindige-elementenmodel (FEM) dat temperatuur levert als input voor het equivalente circuitmodel. Er worden experimenten uitgevoerd om het concept te bewijzen en de beeldanalyse wordt gedaan om te vergelijken met de resultaten van het circuitmodel.Als laatste bijdrage wordt een capillaire klep bediend met behulp van elektrohydrodynamische krachten. Dit is een open microfluïdica-apparaat dat twee capillaire kleppen die tegelijkertijd naar elkaar toe gericht zijn, aandrijft. Elke klepmeniscus werkt als een elektrode. De karakteristieken van de klep worden bestudeerd met behulp van de Volume of Fluid-methode (VOF), een bekende computational fluid dynamic (CFD) techniek waarbij een op maat gemaakte pseudocode bekend als User Defined Function (UDF) werd geschreven in Ansys Fluent-software om neem elektrohydrodynamische effecten op in de CFD-simulaties. Er werden experimenten uitgevoerd om het concept te bewijzen en een faalmechanisme werd voorgesteld om de niet-coherentie van experimentele en numerieke resultaten te verklaren.Dit proefschrift probeert de bestaande kennis en aspiraties van de microfluïdische gemeenschap van een stand-alone lab-on-chip-systeem te overbruggen door middel van een systeemniveau-benadering om lab-on-chip te ontwikkelen in een naadloze processtroom." "INTEGRATED OPTICAL DETECTION AND TRAPPING OF MICRO AND NANO BIOPARTICLES" "Liesbet Lagae" Kwantum-vastestoffysica "Medische en moleculair diagnostiek is gebaseerd op de detectie van biologische deeltjes. De afmetingen van deze deeltjes zijn typisch in de micro- of nano-schaal. Vaak worden deze deeltjes gedetecteerd door middel van relatief grote conventionele microscopen en toestellen, waarvoor vaak een groot en goed uitgerust laboratorium vereist is. Om die reden is deze technologie vaak duur en complex. In vele gevallen moet een patiënt zich naar een hospitaal begeven voor een onderzoek, waarna er meerdere dagen gewacht moet worden op de resultaten en de diagnose. In de loop van het afgelopen decennium werd daarom veel onderzoek gedaan naar point-of-care lab-on-chip toepassingen. Deze toestellen kunnen nagenoeg instantaan resultaten genereren en laten toe om de gezondheidstoestand van de patiënt ook thuis te monitoren. Vaak maken deze toepassingen gebruik van elektrische en optische detectiemethodes. Chip-gebaseerde optische componenten hebben op die manier bijgedragen aan de miniaturisatie van microscopische technologie naar de nano-schaal. Grote hoeveelheden aan detectoren kunnen op die manier in parallel aangewend worden op een enkele chip en op die manier kan het stellen van een diagnose op een veel snellere manier gebeuren. Deze parallellisatie en de eenvoudige integratie met elektronica resulteert bovendien in een grote reductie van de kosten. Deze lage kost en hoge snelheid voor optische detectoren op  chip niveau zullen waarschijnlijk centraal staan in de ontwikkeling van point-of-care toestellen in de nabije toekomst. Deze thesis focust op de detectie van micro- en nano-partikels door middel van chip-gebaseerde optische detectie, waarvoor twee verschillende technieken worden aangewend. Gelabelde micro-partikels en label-vrije nano-partikels werden op die manier gedetecteerd en geïdentificeerd door middel van optische chips. De toepassingen van deze technieken worden besproken in deze thesis. Enerzijds werden micro-partikels, zoals eencellige perifere mononucleaire bloedcellen, gedetecteerd door middel van focusserende roosterkoppelaars in een SiN golfgeleider platform. Anderzijds werden diëlectrische nano-partikels gevangen, gedetecteerd en geïdentificeerd met behulp van plasmonische nano-poriën.SiN is een CMOS compatibel materiaal met een hoge brekingsindex van ongeveer 2. Omwille van zijn transparante eigenschappen in het zichtbare spectrum is het een zeer interessant materiaal voor biosensor toepassingen zoals bijvoorbeeld fluorescente detectie. Zulk geïntegreerd SiN platform werd daarom in deze thesis gebruikt voor de detectie van micropartikels.Microscopen en hun objectieven worden vaak gebruikt voor verschillende detectietechnieken. Ze laten toe om licht te concentreren en te collecteren vanuit een enkel focus punt. Een geminiaturiseerde versie van zulke microscopen werd in deze thesis ontworpen en bestudeerd in een geïntegreerd SiN platform. De structuren die hiervoor ontworpen werden bestaan uit roosterkoppelaars die gevoed worden door een SiN golfgeleider en die het licht focussen boven het oppervlak van de chip. De koppelaars voor de excitatie en de collectie van de signalen werd ontworpen met behulp van Finite-Difference Time Domain (FDTD) simulaties. Op die manier kon het licht gefocusseerd worden op de gewenste locaties en konden experimenteel afmetingen van het brandpunt gerealiseerd worden met afmetingen van 300 nm bij een golflengte van 638 nm.Op die manier konden micro-partikels gedetecteerd worden analoog aan conventionele microscopie. In het geïntegreerde platform werden roosterkoppelaars gebruikt voor de excitatie en de collectie van het fluorescente signaal. Beide koppelaars werden zo ontworpen dat hun focus slechts gedeeltelijk overlapt, omdat dit toelaat om confocaal te meten. De structuren en hun efficiëntie werden gemodelleerd door middel van FDTD simulaties. Het geheel werd geïntegreerd in een microfluidisch kanaal voor optimale karakterisatie. In de metingen van het excitatieprofiel werd een afmeting kleiner dan 750 nm gemeten voor de focus spot bij een excitatiegolflengte van 638 nm. Vervolgens werden fluorescent gelabelde polystyreen deeltjes van 1 en 15 µm en bloedcellen in het kanaal geinjecteerd en werd hun fluorescent signaal geexciteerd en geregistreerd door de rooster koppelaars. De fluorescente signalen werden opgemeten via een cameraopstelling. De collectie-efficiëntie van de rooster koppelaars werd geanalyseerd door middel van verschillende modellen. De experimentele collectie-efficiëntie werd gedefinieerd als de verhouding tussen het fluorescent signaal gedetecteerd door de camera en het totale fluorescente signaal gegeneerd door het partikel. Efficiënties tot 0.11% werden experimenteel gerealiseerd voor 1µm partikels, wat in goede overeenstemming is met de FDTD simulaties. Het werd bovendien aangetoond dat de maximale experimentele fluorescentie efficiëntie omgekeerd evenredig is met de afmetingen van de deeltjes. Deze resultaten zullen bijdragen tot chip-gebaseerde cytometrie- en spectroscopie toepassingen.Voor detectie van nano-partikels is het noodzakelijk om het licht te focussen in regio’s beneden de diffractie limiet. Plasmonische structuren laten toe om licht in deze nanoscopische dimensies te focussen. Nano-aperturen worden vaak gebruikt voor het detecteren van nano-partikels zoals proteïnen door gebruik te maken van elektrische en optische technieken. Plasmonische nano-poriën zijn metallische nano-aperturen die gerealiseerd worden door een dunne membraan te perforeren. Het werd aangetoond dat dit soort poriën met een specifieke geometrie verschillende molecules kunnen identificeren door middel van Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS). Voor label-vrije detectie van individuele diëlectrische nano-partikels is het noodzakelijk om het veld te lokaliseren op een schaal vergelijkbaar met de afmetingen van het partikel. Daarenboven beperkt de Brownse beweging van zulke partikels de totale hoeveelheid aan fotonen die gedetecteerd kunnen worden. In deze thesis wordt gedemonstreerd dat plasmonische nano-poriën gebruikt kunnen worden om 20nm grote polystereen partikels in oplossing te vangen en detecteren door middel van SERS. Dit opent interessante perspectieven voor de detectie van kleine biologische deeltjes en nanotribologische studies."