Terahertz Microfluidic Sensing mit einem Parallel-Platte Waveguide Sensor

Dieses Protokoll verwendet einen gerillten parallelen Plattenwellenleiter, um den Brechungsindex einer mikrofluidischen Probe bei Terahertz-Frequenzen zu messen. Zuerst wird der gerillte Wellenleiter so konstruiert und hergestellt, dass er eine Resonanz im Terahertz-Bereich aufweist. Messen Sie dann mit einem Terahertz-Zeitbereichsspektroskopiesystem die Resonanzfrequenz des Wellenleiters. Füllen Sie anschließend den Wellenleiter mit einem sorgfältig abgemessenen Volumen der Probenflüssigkeit.

Der letzte Schritt besteht darin, die Resonanzfrequenz des gefüllten Hohlleiters zu messen. Letztlich kann die Differenz zwischen den Resonanzfrequenzen für den leeren und den gefüllten Wellenleiter genutzt werden, um den Brechungsindex der Probe im Terahertz-Frequenzbereich zu bestimmen. Im Allgemeinen werden Personen, die mit dieser Methode noch nicht vertraut sind, Schwierigkeiten haben, da eine sehr hohe Genauigkeit erforderlich ist, um wiederholbare Ergebnisse zu erzielen.

Kim Reel, ein weiterer Doktorand aus Daniel Middlemans Labor, und ich werde nun das Verfahren demonstrieren. Entwerfen Sie einen parallelen Platten-Waveguide mit einem oder mehreren integrierten Hohlräumen oder Rillen. Stützen Sie sich bei der Geometrie auf Parameter, die im begleitenden Manuskript detailliert beschrieben sind, und beziehen Sie sich auch auf unsere früheren Publikationen.

Dies sind einige allgemeine Leitprinzipien. Beginnen Sie mit einer Plattengröße, die breit genug ist, dass sie im Vergleich zum Eingabebalken als unendlich betrachtet werden kann, um einen einfachen Zugang zur Nut zu ermöglichen. Machen Sie die untere Wellenführungsplatte deutlich breiter als die obere Platte, so dass sich die Nut fast über die gesamte Breite der Platte erstreckt.

Die Ausbreitungslänge ist so zu gestalten, dass der Wellenleiter als Ganzes mindestens dreimal so lang ist, wie die Ausdehnung der Nut und die Löcher in der Bodenplatte mit einem Gewinde versehen sind, während die Löcher in der Oberseite nicht durchbohrt sind. Das Design der Nut hängt unter anderem von der gewünschten Resonanzfrequenz, der gewünschten Linienbreite und dem gewählten Plattenabstand ab. Es ist wichtig, die Grenzen Ihrer Fertigungstechniken für sehr schmale oder sehr flache Rillen zu berücksichtigen. Als Referenz verwenden.

Stellen Sie auch ein identisches Design ohne Nut her. Halten Sie den Plattenabstand mit dielektrischen Abstandshaltern ein, z. B. Scherben von einem zerbrochenen Mikroskop. Die Gleitmaschine stellt den Wellenleiter her.

Wichtig ist, dass Sie die Kanten der Platten nicht abstumpfen, insbesondere nicht auf der Eingabefläche. Abgerundete Kanten sind aus Sicherheitsgründen in vielen Werkstätten üblich, aber eine abgerundete Kante auf der Eingangsfläche verzerrt das Signal. Beginnen Sie die Montage mit einer Struktur mit zwei flachen Flächen senkrecht zueinander.

Legen Sie die Bodenplatte auf die horizontale Fläche und drücken Sie sie. Bündig mit der vertikalen Fläche. Setzen Sie die dielektrischen Abstandshalter so nah wie möglich an den Schraubenlöchern ein.

Zwei pro Schraube, eine auf jeder Seite. Vergewissern Sie sich, dass die Schrauben die Nut nicht blockieren oder über die Eingabefläche hinausragen. Sorgfältig. Platzieren Sie die obere Platte bündig mit der vertikalen Oberfläche und schieben Sie sie nach unten, um sie auf die untere Platte und die Abstandshalter zu setzen.

Halten Sie nun beide Platten bündig mit der senkrechten Fläche an. Setzen Sie die Schrauben ein und schrauben Sie sie abwechselnd schrittweise fest. Untersuchen Sie den endgültigen Wellenleiter auf eine perfekt flache Eingangsfläche und einen gleichmäßigen Plattenabstand.

Beginnen Sie mit der Konfiguration des Geräts. Falls noch nicht vorhanden, führen Sie vier Linsen in konfokaler Ausrichtung in den Rah-Hertz-Strahlengang ein. Um einen engen Fokus in der Mitte des Pfades zu gewährleisten, platzieren Sie eine Blende von 12 Millimetern im Fokuspunkt.

Die Apertur sollte groß genug sein, um die Ausbreitung der gesamten Strahlung außer durch den Wellenleiter zu verhindern. Die Größe der Apertur bestimmt die Strahlgröße, die sich im Wellenleiter ausbreitet. Verwenden Sie eine sichere Halterung, um eine wiederholbare Platzierung des Hohlleiters zu gewährleisten.

Positionieren Sie anschließend den Wellenleiter unmittelbar hinter der Apertur, wobei die Eingangsfläche mit der Apertur in Kontakt kommt und die Wellenleiterausbreitungsachse so nah wie möglich an der optischen Achse ausgerichtet ist. Die Ausrichtung ist hier kritisch: Reflexionen, Dispersionsschwankungen in der Grenzgrenze, in den Resonanzfrequenzen und andere Probleme können aufgrund einer falschen Ausrichtung des Wellenleiters auftreten. Platzieren Sie nun den Spritzenhalter so, dass die Spitze der Spritze mit der Rille ausgerichtet ist.

Um optimale Ergebnisse zu erzielen, verwenden Sie für jedes Material eine andere Spritze, um eine Kreuzkontamination zu vermeiden. Füllen Sie die Spritze mit der zu testenden Flüssigkeit und beseitigen Sie alle Blasen. Auch zwischen den Läufen.

Befolgen Sie ein Reinigungsverfahren, bei dem der Wellenleiter zuerst zerlegt werden muss. Waschen Sie dann beide Platten gründlich in einem geeigneten Lösungsmittel, um alle Rückstände aus dem Experiment zu entfernen. Mit Druckluft trocken pusten und den Hohlleiter wie zuvor gezeigt wieder zusammenbauen.

Beginnen Sie mit einer Referenzwellenform des Grod-Wellenleiters. Eine Referenzwellenform ist nur einmal alle paar Stunden während jeder experimentellen Sitzung erforderlich, abhängig von der Langzeitstabilität der Zeit. Signal des Domänenspektrometers.

Entfernen Sie den nicht gruppierten Hohlleiter. Setzen Sie anschließend den sauberen, gerillten Wellenleiter in das Gerät ein. Nehmen Sie eine Wellenform für den leeren gruppierten Wellenleiter.

Der Prozess des Aus- und Abbaus kann zu sehr geringen Abweichungen in der Geometrie des Hohlleiters führen. Diese Schwankungen wirken sich auf die absolute Resonanzfrequenz der leeren und gefüllten Rillen aus, nicht jedoch auf die beobachtete Verschiebung. Daher erfordert jede vollständige Messung eine eigene leere Referenz.

So berechnen Sie die Verschiebung Ohne den Hohlleiter zu bewegen, setzen Sie die gefüllte Spritze in den Halter ein. Füllen Sie langsam die Rille und behalten Sie sie. Achten Sie darauf, dass die Füllung gut ist und keine Blasen oder Überläufe aufweist.

Nehmen Sie eine andere Wellenform. Wenn das System mehr als eine Rille hat, fahren Sie mit dem Füllen der Rillen fort und entnehmen Sie wie gewünscht. Entfernen Sie den Wellenleiter und reinigen Sie ihn, bevor Sie den nächsten Datensatz sammeln.

Beachten Sie in diesem Beispiel eines gut verarbeiteten Hohlleiters, dass sich die Nut nicht über die gesamte Länge oder Breite des Hohlleiters erstreckt. Nach dem Zusammenbau der parallelen Platte eignet sich die Wellenleitergeometrie für die Implementierung eines Brechungsindexsensors für Terahertz-Frequenzen. Für die Messung des Brechungsindex wird ein kleines Volumen Flüssigkeit benötigt.

Diese Daten zeigen typische Frequenzspektren und stammen aus einer Analyse von Tetradecan. Das Spektrum, das aus dem nicht gerillten Referenz-Wellenleiter erhalten wurde, ist in schwarz dargestellt, die Messungen des gerillten Wellenleiters ohne Flüssigkeitsfüllung sind blau und der gerillte Wellenleiter mit einer Tetra-Dekan-Probe ist rot dargestellt. Die Amplitudenspektren für den leeren und den voll gerillten Wellenleiter werden dann quadriert und durch das Spektrum aus dem Referenzwellenleiter dividiert, um Leistungsübertragungsspektren zu erhalten.

Die Frequenzdifferenz zwischen den Resonanzmerkmalen des leeren und vollen Wellenleiters ist die Resonanzverschiebung, die sich auf den Brechungsindex bezieht. Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, daran zu denken, so konsistent wie möglich zu sein und darauf zu achten, Kreuzkontaminationen im Wellenleiter zu minimieren. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie eine Messung des Brechungsindex einer mikrofluidischen Probe erhalten, indem Sie die Resonanzfrequenz eines gerillten parallelen Plattenwellenleiters mit Hilfe der Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie messen.