基于平行板波导传感器的太赫兹微流控检测

摘要

本文描述了基于带凹槽平行板波导结构的太赫兹频率折射率传感器的实现方法。该方法通过监测波导结构谐振频率的偏移，实现对微量液体折射率的测量。

摘要

折射率（RI）传感是一种强大的非侵入性、无标记传感技术，可用于识别、检测和监测微流控样品，其传感器设计形式多样，例如干涉仪和谐振器^1,2。目前大多数折射率传感应用集中在可见光和红外频率下水溶液中的生物材料，如DNA杂交和基因组测序。在太赫兹频率下，其应用包括质量控制、工业过程监测，以及涉及非极性材料的传感与检测应用。

在太赫兹波段，存在多种折射率传感器的潜在设计方案，包括光子晶体波导³、非对称开口环谐振器⁴以及集成于平行板波导中的光子带隙结构⁵。这些设计中的许多基于光学谐振器，例如环形谐振器或谐振腔。这些结构的谐振频率取决于谐振器内部或周围材料的折射率。通过监测谐振频率的偏移，可精确测量样品的折射率，进而用于材料识别、污染或稀释程度监测等应用。

我们采用的传感器设计基于一种简单的平行板波导^6,7。在其中一个表面加工出的矩形凹槽充当谐振腔（图1和图2）。当太赫兹辐射被耦合进入波导并以最低阶的横电（TE₁）模式传播时，会产生一个单一的强谐振特征，其谐振频率可调，并取决于凹槽的几何结构^6,8。该凹槽可填充非极性液体微流控样品，样品会导致观测到的谐振频率发生偏移，偏移量取决于凹槽中液体的量及其折射率⁹。

与其他太赫兹技术相比，我们的技术在制备和实施方面均具有简单性的优势，因为该过程仅需使用常规实验室设备即可完成，无需洁净室或任何特殊的制备或实验技术。通过引入多个凹槽，该技术还可轻松扩展为多通道操作¹⁰。在本视频中，我们将完整描述整个实验流程，从传感器的设计到数据分析以及样品折射率的确定。

方案

1. 传感器设计与制备

1. 设计一个带有一个或多个集成谐振腔（或“凹槽”）的平行板波导。参见图1和图2。几何结构可基于我们先前发表的研究^8,9中的设计，也可针对特定应用专门设计。建议遵循以下一般性指导原则：
   1. 板间距：本实验中采用1 mm的板间距，以实现与TE1模式的有效耦合，且无需使用特殊光学元件。该间距还可确保在目标频率范围内实现单模传播。当使用其他板间距时，应考虑多模传播、色散及耦合效率的影响。
   2. 间隔物：通过介电间隔物维持该板间距。厚度高度均匀的玻璃小片是极佳的间隔物——在本实验中，我们使用破碎显微镜载玻片的碎片，其厚度为1 mm ± 3 μm。
   3. 板尺寸：板本身的宽度应足够大，使其相对于输入光束可视为无限宽（在本实验中，输入光束为1.2 cm，板宽为4.75 cm）。每块板的厚度必须远大于趋肤深度，建议使用更厚的板（> 1 cm），以减少能量从波导上方或下方泄漏并到达探测器的可能性。传播长度应足够长，使凹槽距离输入端面和输出端面至少为其自身宽度的两倍，但应尽量缩短以减少色散。
   4. 底板几何结构：为便于接近凹槽，底板应明显宽于顶板，而凹槽应几乎（但不完全）贯穿整块板的宽度（参见图1）。这种设计可显著方便对凹槽的访问以及对填充液位的监测。
   5. 螺钉：顶板和底板均设有延伸部分，以便插入螺钉....

讨论

需要注意的是，待测液体的折射率仅在谐振腔共振频率下被确定，而非在宽频带范围内测定。这种方法具有若干明显优势。首先，尽管我们的测量使用了宽带太赫兹源进行表征，但也可以采用仅具有有限频率可调性的单频太赫兹源构建等效的传感系统，这种方案可能成本更低且结构更紧凑。其次，通过在单个波导中集成多个凹槽，该传感方法可实现并行化¹⁰。每个凹槽具有略微不同的几何结构，因而具有不同的传感频率。利用宽带太赫兹脉冲，可对多个液体样品独立且同时地测定其折射率（及偏移量）。这种并行传感能力难以整合到传统的太赫兹时域测量系统中，因为后者每次只能测量一种液体样品。

该实验技术最关键的考虑因素是实验的一致性和可重复性。如果波导的组装与放置以及填充体积不一致，可能会引入较大的误差。保持填充体积的一致性可通过多种方式实现。其一，如本实验步骤所示，使用高精度移液器精确量取液体体积。另一种方法是采用激光干涉系统实时监测沟槽内的实际填充液位⁹。为确定最佳的移液器体积或填充高度，可通过逐步填充沟槽并监测相应共振特征位移的方式获得最优结果。当沟槽完全充满、液体开始溢出时，共振特征将处于.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
10 μl 注射器	Hamilton	80314	高精度注射器
液态烷烃	Acros Organics		用于校准和测试的样品
本实验无需特殊设备。合适的测试材料和溶剂由实验者自行选择。本实验所用的高精度注射器已在下表中列出，但实验者也可根据需要选用不同体积或设计的注射器，包括数字式注射器以提高准确性。实验中所用的测试烷烃也一并列出。