Name: Terahertz Microfluidic Sensing mit einem Parallel-Platte Waveguide Sensor (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-08-30T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 28 s
Description: Lernen Sie die Messung des Brechungsindex mikrofluidischer Proben mit einem genuteten Parallel-Platten-Wellenleiter bei Terahertz-Frequenzen. Diese Methode ermöglicht präzise optische Analysen.

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Dieses Projekt wurde zum Teil von der National Science Foundation und von der Air Force Research Laboratory über die KONTAKT-Programm unterstützt.

Ein. Sensor-Design und Fertigung <ol><li> Entwerfen Sie eine Parallelplatten-Wellenleiter mit einem oder mehreren integrierten Hohlräume (oder &quot;Grooves&quot;). Siehe Abbildungen 1 und 2. Geometrie kann auf die in unserer früheren Veröffentlichungen 8,9 gegeben basieren oder speziell für die bestimmte Anwendung gestalten. Die folgenden allgemeinen Grundsätze vorgeschlagen: <ol><li> Platte-Abstand: In diesem Experiment wird ein Plattenabstand von 1mm ist für eine effektive Ankopplung an die TE1 Modus ohne die Notwendigkeit für spezielle Optik verwendet. Es stellt auch sicher Einmoden-Ausbreitung bei den Frequenzen von Interesse. Bei Verwendung anderer Plattenabstände sollte Mehrmodenausbreitung, Dispersion und Kopplungseffizienz berücksichtigt werden. </li><li> Abstandhalter: Diese Platte Abstand gehalten mit dielektrischen Abstandshalter. Kleine Stücke von Glas mit sehr gleichmäßiger Dicke bilden ausgezeichnete Abstandshalter - in unserem Fall verwenden wir Scherben aus einer zerrütteten Objektträger mit eine Dicke von 1 mm + / - 3 um. </li&gt; <li> Plattengröße: Die Platten selbst sollte breit genug sein, dass sie als unendliche werden im Vergleich zum einfallenden Strahl. (In unserem Fall 4,75 cm für eine 1,2 cm Breite.) Muss die Dicke jeder Platte viel dicker sein als die Eindringtiefe und dickere Platten (&gt; 1 cm) wird empfohlen, die Möglichkeit der Energie, die oberhalb oder unterhalb der Wellenleiter zu reduzieren und den Detektor erreicht. Ausbreitungslänge sollte ausreichen, dass die Nut wenigstens doppelt so groß ist seiner eigenen Breite vom Eingangs-und Ausgangsfläche, sondern minimiert werden, um Dispersion zu reduzieren. </li><li> Bodenplattenreinigung Geometrie: Um einen einfachen Zugang zu der Nut zu ermöglichen, wobei der Boden Wellenleiterplatte sollte deutlich breiter ist als die Oberplatte, während die Nut erstreckt sich fast (aber nicht ganz) die gesamte Breite der Platte. (Siehe Abbildung 1) Dies macht es viel einfacher, die Nut zugreifen und überwachen den Füllstand. </li><li> Schrauben: Obere und untere Platte haben eine Erweiterung, so dass Schrauben eingesetzt werden, um die Welle zu haltenFührung zusammen ohne Behinderung entweder die Vertiefungen oder die Ausbreitungspfad. (Siehe Abbildung 1) Die Löcher in der Bodenplatte sind mit Gewinde versehen, während top nicht. </li><li> Hohlraums Geometrie: Design für die Nut wird von der gewünschten Resonanzfrequenz, die gewünschte Linienbreite und der gewählten Plattenabstand hängt unter anderen Faktoren. Es ist wichtig, die Grenzen des Herstellungstechniken für sehr schmale oder sehr flache Nuten betrachten. Mehrere Nuten für Mehrkanal-sensing zusätzliche Anforderungen 10. </li><li> Ungenuteten Version: ein Design identisch in jeder Hinsicht ohne Nut sollte auch hergestellt werden, um sie als Referenz verwendet werden. </li></ol></li><li> Herstellung des Wellenleiters kann spanabhebend erfolgen. WICHTIG: nicht stumpf die Ränder der Platten, insbesondere auf den Eingang ins Gesicht. Abgerundete Kanten sind gängige Praxis in vielen Werkstätten aus Gründen der Sicherheit, sondern eine abgerundete Kante am Eingang Gesicht wird das Signal zu verzerren. </li><li> MontageVorgehensweise. Nachdem die beiden Platten haben hergestellt worden sind, sollten sie in den Wellenleiter montiert werden. <ol><li> Verwende eine L-Halterung oder anderen flachen Gegenständen, um eine Struktur mit zwei flachen Oberflächen senkrecht zueinander zu erstellen. Legen Sie die Bodenplatte auf der horizontalen Fläche und drücken Sie sie gegen die vertikale Fläche spülen. Zeigen die dielektrischen Abstandshalter als in der Nähe der Schraubenlöcher als möglich (zwei pro Schraube, eine auf jeder Seite), darauf achten, daß die Nut zu beeinträchtigen oder jenseits der Eingangsfläche erstrecken. </li><li> Vorsichtig die obere Platte bündig an der vertikalen Oberfläche und schieben es auf die auf der Bodenplatte und Abstandhalter sitzen. Halten beide Platten gegen den vertikalen bündig, legen Sie die Schrauben fest. Schrauben Sie sie schrittweise in einem abwechselnden Muster. Dieses Verfahren führt zu einem Wellenleiter mit einer perfekt ebenen Eintrittsfläche und einheitliche Plattenabstand. </li></ol></li></ol> 2. Versuchsaufbau Dieses Protokoll übernimmt den Benutzer has Zugang zu einem Übertragungs-Geometrie Terahertz Zeitbereichs-Spektrometer (in unserem Fall die Picometrix T-Ray 4.000) und kennt Erhalten Zeitbereichs-Wellenformen und zum Fourier-Transformieren der Frequenzbereichskoeffizienten. <ol><li> Konfokale Konfiguration. Sofern nicht bereits vorhanden, sollte vier Linsen in den Strahlengang bei einem konfokalen Ausrichtung eingeführt werden, um einen engen Fokus in der Mitte der Bahn bereitzustellen. </li><li> Zeigen eine Öffnung im Brennpunkt. Die Öffnung sollte groß genug sein, um alle Strahlung von Vermehrungsmaterial außer durch den Wellenleiter zu blockieren. Die Größe der Öffnung bestimmt die Strahlgröße in dem Wellenleiter ausbreitet (in unserem Fall 12 mm). </li><li> Wellenleiter Ort unmittelbar hinter der Öffnung, wobei der Eingang Fläche in Kontakt mit der Öffnung und mit dem Wellenleiter Ausbreitungsachse so eng wie möglich mit der optischen Achse ausgerichtet. Die Ausrichtung ist hier entscheidend - Reflexionen, Dispersion, Variation in den cut-off und Resonanzfrequenzen und anderen issues kann entstehen durch falsche Ausrichtung des Wellenleiters. Verwenden Sie ein sicheres Inhaber REPEATABLE PLACEMENT gewährleisten. </li><li> Spritzenhalter: Es ist nützlich, eine Struktur, die die Spritze in Position hält, so dass die Spitze mit der Nut ausgerichtet ist aufweisen. Auf diese Weise reduzieren Sie die Möglichkeit von Fehlern bei der Besetzung durch die Bewegung der Spritze in der Hand. </li></ol> 3. Probenvorbereitung <ol><li> Verfahren zur Reinigung: Zerlegen Sie den Wellenleiter. Waschen beide Platten des Wellenleiters gründlich in einem geeigneten Lösungsmittel, um Rückstände aus dem Experiment zu entfernen. Schlag mit Druckluft trocken. Wieder einbauen, wie in 1.3. </li><li> Spritze Vorbereitung. Für beste Ergebnisse empfehlen wir die Verwendung einer anderen Spritze für jedes Material, um eine Kreuzkontamination zu verhindern. Wenn dies nicht möglich ist, sollte die Spritze auch mit dem gleichen Lösungsmittel gereinigt werden. </li><li> Füllen Spritze geeigneten Füllvolumen mit der Flüssigkeit geprüft werden. Versuchen Sie, alle Luftblasen zu beseitigen. </li></ol><ol><li> Platzieren Sie die ungenuteten Bezugnahme Wellenleiter in der Apparatur wie in (2.3) beschrieben. Werfen Sie einen Referenzwellenform der ungenuteten Wellenleiter, dann entfernen. Dies ist nur dann notwendig, einmal alle paar Stunden während jeder experimentellen Sitzung in Abhängigkeit von der Langzeitstabilität des Spektrometers Zeitbereichs-Signal. </li><li> Platzieren sauberen Wellenleiter in genutet Vorrichtung, wie in (2.3) beschrieben </li><li> Nehmen Sie eine Wellenform für die leere gerillten Wellenleiter. Hinweis: Dies muss jedes Mal der Wellenleiter entfernt und gereinigt wird getan werden. Verfahren für die Entfernung und Demontage kann auf sehr kleine Schwankungen in der Geometrie des Wellenleiters führen. Diese Schwankungen wirken sich die absolute Resonanzfrequenz der leeren und gefüllten Nuten aber nicht die beobachtete Verschiebung; somit jeweils &quot;voll&quot; Messung erfordert eine eigene &quot;leer&quot; Bezug auf die Verschiebung zu berechnen. </li><li> Ohne Verschieben der WAVEGUIDE, legen Sie die gefüllte Spritze an Ort und Stelle in der Halterung. Langsam füllt die Nut haltenaufpassen, dass die Füllung gut ist, ohne Blasen oder Überlauf. (Wie wird die richtige Füllmenge bestimmen in der Diskussion Abschnitt beschrieben.) Nehmen wir ein anderes Signal. </li><li> Wenn das System mehr als eine Nut, weiterhin Füllnuten und unter Wellenformen wie gewünscht. </li><li> Entfernen Wellenleiter und reinigen (wie in Schritt 3). </li><li> Wiederholen so oft wie erforderlich. Für beste Ergebnisse werden mehrere Datensätze für jede Probe empfohlen, den Fehler zu verringern. </li></ol> 5. Repräsentative Ergebnisse Datenanalyse dieser Wellenformen ist unkompliziert und kann des Experimentators üblichen Techniken zur Transformation in den Frequenzbereich zu folgen. Frequenzspektren wie die in Abbildung 3 angegebenen resultieren sollte. Diese können quadriert und durch die Referenzsignal an die Macht Transmissionsspektren wie in Abbildung 4 zu erhalten aufgeteilt werden. Die Linienbreite und zentralen Frequenz der Signale für die leeren und vollen Wellenleiter m betrageneasured aus diesen Spektren oder Lorentz Passungen können durchgeführt werden, um die Genauigkeit zu erhöhen. Resonanzstromwandler Verschiebung von der Flüssigkeit verursacht wird nur die Differenz zwischen den beobachteten mittleren Frequenzen der Signale für die leeren und vollen Wellenleitern. Um dies zu einem Brechungsindex-Messung umzuwandeln, muss die Beziehung zwischen der Verschiebung und der RI ermittelt werden. Dies kann experimentell, indem Sie diesen Vorgang mit Proben bekannter Index oder rechnerisch durch die Durchführung Simulationen der Nut mit Proben bekannter Index 9 oder analytisch mit gefüllten mode-Matching-Techniken 8 durchgeführt. Sobald eine Verschiebung vs RI-Kurve aufgebaut ist, kann RI Messungen unbekannter Proben genau durchgeführt werden. Es gibt ein paar bestimmte Fehler, die während dieser Prozedur auftreten können. Blasen oder Fehler in der Füllung der Nut kann in einer lauten oder falsche Daten führen, weshalb wir mehrere Datensätze für jeden sa empfehlenmPLE Material. Eine weitere häufige Fehlerquelle ist bei der Platzierung der Wellenleiter. Wenn die Referenz-und Sensor-Wellenleiter in genau der gleichen Ausrichtung angeordnet sind, werden alle Reflexionen oder andere Artefakte für beide gleich sein und unterteilen aus dem Transmissionsspektrum. Wenn die Ausrichtung leicht falsch ist, werden die Reflexionen nicht teilen heraus und wird in dem Klingeln Transmissionsspektren beobachtet werden (einige geringfügige Klingeln in 4 zu sehen). Wenn es nicht wünschenswert ist, um die Daten zurückzugewinnen, ist es möglich, das Klingeln durch Trimmen der Zeitbereichs-Wellenform vor der Reflexion erscheint eliminieren, aber dies verringert die spektrale Auflösung und damit der Brechungsindex Auflösung sowie begrenzt. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/4304/4304fig1.jpg" /> Abbildung 1. Photograph des Wellenleiters mit relevanten Teile markiert. Beachten Sie, dass die Nut verlängert nicht die entire Länge oder Breite des Wellenleiters und die Struktur ist so ausgelegt, dass die Befestigungsteile nicht behindern die Nut oder den Weg der Strahlungsausbreitung. <img alt="Abbildung 2" src="/files/ftp_upload/4304/4304fig2.jpg" /> Abbildung 2. Schematische Darstellung des gerillten Wellenleiter. <img alt="Abbildung 3" src="/files/ftp_upload/4304/4304fig3.jpg" /> Abbildung 3. (A) Proben Frequenzspektren für die Referenz-Wellenleiter (schwarz), die gerillte Wellenleiter ohne flüssige Füllung (blau), und der gerillte Wellenleiter mit Flüssigkeit, in diesem Fall Tetradecan (rot). Die Grenzfrequenzen für die TE 1, TE <samp>3</samp> Ausbreitungsmoden dargestellt sind, ebenso wie die Wasserdampf Absorptionslinien. (B) Nahaufnahme der Resonanzen für die leeren und vollen genuteten Wellenleitern. <img alt="Abbildung 4" src=&quot;/ Files/ftp_upload/4304/4304fig4.jpg&quot; /&gt; Abbildung 4. Kraftübertragung Spektren für die leere und volle gerillten Wellenleiter. Der Unterschied in der Frequenz zwischen den beiden Resonanz-Eigenschaften ist die Resonanzfrequenz-Verschiebung (Af), die auf den Brechungsindex betrifft.

<ol><li>Kuswandi, B., Nuriman,, Huskens, J., Verboom, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+sensing+systems+for+microfluidic+devices%3A+A+review%5BTitle%5D)+AND+%22Ana.+Chim.+Acta%22%5BJournal%5D)">Optical sensing systems for microfluidic devices: A review.</a> Ana. Chim. Acta. 601, 141-155 (2007).</li>
<li>Zhu, H., White, I. M., Suter, J. D., Zourob, M., Fan, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Integrated+refractive+index+optical+ring+resonator+detector+for+capillary+electrophoresis%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chem%22%5BJournal%5D)">Integrated refractive index optical ring resonator detector for capillary electrophoresis.</a> Anal. Chem. 79, 930-937 (2007).</li>
<li>Kurt, H., Citrin, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coupled-resonator+optical+waveguides+for+biochemical+sensing+of+nanoliter+volumes+of+analyte+in+the+terahertz+region%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Coupled-resonator optical waveguides for biochemical sensing of nanoliter volumes of analyte in the terahertz region.</a> Appl. Phys. Lett. 87, 241119(2005).</li>
<li>Debus, C., Bolivar, P. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Frequency+selective+surfaces+for+high+sensitivity+terahertz+sensing%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Frequency selective surfaces for high sensitivity terahertz sensing.</a> Appl. Phys. Lett. 91, 184102(2007).</li>
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<li>Mendis, R., Mittleman, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+the+lowest-order+transverse-electric+%28TE1%29+and+transverse-magnetic+%28TEM%29+modes+of+the+parallel-plate+waveguide+for+terahertz+pulse+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Comparison of the lowest-order transverse-electric (TE1) and transverse-magnetic (TEM) modes of the parallel-plate waveguide for terahertz pulse applications.</a> Optics Express. 17, 14839-14850 (2009).</li>
<li>Mendis, R., Mittleman, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+investigation+of+the+lowest-order+transverse-electric+%28TE1%29+mode+of+the+parallel-plate+waveguide+for+THz+pulse+propagation%5BTitle%5D)+AND+%22JOSA+B%22%5BJournal%5D)">An investigation of the lowest-order transverse-electric (TE1) mode of the parallel-plate waveguide for THz pulse propagation.</a> JOSA B. 26, A6-A13 (2009).</li>
<li>Astley, V., McCracken, B., Mendis, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+rectangular+resonant+cavities+in+terahertz+parallel-plate+waveguides%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Analysis of rectangular resonant cavities in terahertz parallel-plate waveguides.</a> Opt. Lett. 36, 1452(2011).</li>
<li>Mendis, R., Astley, V., Liu, J., Mittleman, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Terahertz+microfluidic+sensor+based+on+a+parallel-plate-waveguide+resonant+cavity%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Terahertz microfluidic sensor based on a parallel-plate-waveguide resonant cavity.</a> Appl. Phys. Lett. 95, 171113(2009).</li>
<li>Astley, V., Reichel, K., Jones, J., Mendis, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Terahertz+multichannel+microfluidic+sensor+based+on+parallel-plate+waveguide+resonant+cavities%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Terahertz multichannel microfluidic sensor based on parallel-plate waveguide resonant cavities.</a> Appl. Phys. Lett. , Forthcoming (2012).</li>
</ol>

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Es sei darauf hingewiesen, dass der Brechungsindex der Flüssigkeit unter Test nur mit der Frequenz der Hohlraumresonanz bestimmt wird, nicht über eine große Bandbreite werden. Dies hat einige deutliche Vorteile. Erstens: Obwohl unsere Messungen Verwendung eines Breitband Terahertz-Quelle für die Charakterisierung Zwecke haben, könnte man auch einen entsprechenden Aufbau Erfassungssystem mit einer einzigen Frequenz THz-Quelle mit nur einem begrenzten Grad an Frequenzabstimmbarkeit, ein Ansatz, der wesentlich weniger teue...

<table border="1"><tbody><tr><td> Name des Reagenzes </td><td> Firma </td><td> Katalog-Nummer </td><td> Kommentare (optional) </td></tr><tr><td> 10 &amp;mgr; l-Spritze </td><td> Hamilton </td><td> 80314 </td><td> Hohe Präzision Spritze </td></tr><tr><td> Flüssige Alkane </td><td> Acros Organics </td><td></td><td> Die Proben für die Kalibrierung und Prüfung </td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Keine besondere Ausrüstung erforderlich. Geeignet Testmaterialien und Lösungsmittel sind dem Experimentator überlassen. Die Hochpräzisions-Spritzen in diesem Verfahren verwendet werden, in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt, aber der Experimentator möge Spritzen von einem anderen Volumen oder Designs, einschließlich digitaler Spritzen für verbesserte Genauigkeit nutzen. Die Test-Alkane in diesem Experiment verwendet werden ebenfalls aufgeführt. </td></tr></tbody></table>

terahertz microfluidic sensing mit einem parallel-platte waveguide sensor

Terahertz Microfluidic Sensing Using a Parallel-plate Waveguide Sensor

Brechungsindex (RI) sensing ist ein leistungsstarkes nichtinvasive und Label-free-Sensing Technik für die Identifizierung, Erfassung und Überwachung von mikrofluidischen Proben mit einer breiten Palette von möglichen Sensor-Designs wie Interferometer und Resonatoren 1,2. Die meisten der vorhandenen RI Abfühlen Anwendungen auf biologischen Materialien fokussieren in wässrigen Lösungen im sichtbaren und IR-Frequenzen, wie DNA-Hybridisierung und Sequenzierung des Genoms. Bei Terahertz-Frequenzen gehören Anwendungen Qualitätskontrolle, Überwachung von industriellen Prozessen und Wahrnehmung und Erkennung Anwendungen mit unpolaren Materialien. Mehrere potenzielle Entwürfe für Brechungsindex Sensoren in der Terahertz-Regimes existieren, einschließlich photonischen Kristall Wellenleiter 3, asymmetrische Split-Ring-Resonatoren 4 und photonische Bandlücke Strukturen in Parallelplatten-Wellenleiter 5 integriert. Viele dieser Entwürfe basieren auf optischen Resonatoren wie Ringe basiertoder Hohlräumen. Die Resonanzfrequenzen dieser Strukturen sind abhängig vom Brechungsindex des Materials in oder um den Resonator. Durch die Überwachung der Verschiebungen der Resonanzfrequenz der Brechungsindex einer Probe genau gemessen werden kann und diese wiederum kann verwendet werden, um ein Material zu identifizieren, zu überwachen Kontamination oder Verdünnung, etc. werden Die Sensor-Design verwenden wir hier auf einem einfachen Parallel-Wellenleiter 6,7 basiert. Eine Rechtecknut maschinell in eine Fläche wirkt als Resonanzhohlraum (Abbildungen 1 und 2). Wenn Terahertz-Strahlung in den Wellenleiter und breitet sich in dem niedrigstwertigen transversalen-elektrischen (TE 1) Modus gekoppelt wird, ist das Ergebnis eine einzige starke Resonanzstruktur mit einem abstimmbaren Resonanzfrequenz aufweist, die abhängig von der Geometrie der Nut 6,8 ist. Diese Nut kann mit unpolaren Flüssigkeit mikrofluidischen Proben, die eine Verschiebung in der beobachteten Resonanzfrequenz, die von der Menge der liq hängt verursachen auszufüllenUID in der Nut und ihrem Brechungsindex 9. Unsere Technik hat einen Vorteil gegenüber anderen Techniken Terahertz in seiner Einfachheit sowohl in der Herstellung und Durchführung, da das Verfahren kann mit handelsüblichen Laborgeräten ohne die Notwendigkeit für einen Reinraum oder irgendeine spezielle Herstellungsverfahren oder experimentelle Techniken erreicht werden. Es kann auch einfach an Mehrkanalbetrieb werden durch den Einbau mehrerer Nuten 10 erweitert. In diesem Video werden wir beschreiben unsere komplette experimentelle Vorgehensweise, von der Konstruktion des Sensors an der Datenanalyse und Bestimmung der Probe Brechungsindex.

Das Verfahren zur Durchführung einer Brechzahl Sensor zum Terahertzfrequenzen auf einem gerillten Parallelplatten-Wellenleiter-Geometrie basierend wird hier beschrieben. Das Verfahren ergibt eine Messung des Brechungsindex eines kleinen Volumens von Flüssigkeit durch Überwachung der Veränderung in der Resonanzfrequenz des Wellenleiterstruktur

Terahertz Microfluidic Sensing mit einem Parallel-Platte Waveguide Sensor

Die Brechungsindex-Sensorik (RI-Sensorik) ist eine leistungsstarke, nicht-invasive und markierungsfreie Sensortechnik zur Identifizierung, Detektion und Überwachung mikrofluidischer ...

Dieses Protokoll verwendet eine gerillte Parallelplatten-Wellenleiteranordnung, um den Brechungsindex einer mikrofluidischen Probe bei Terahertz-Frequenzen zu messen. Zunächst entwerfen und fertigen Sie den gerillten Wellenleiter so an, dass er eine Resonanz im Terahertz-Bereich aufweist. Anschließend messen Sie mithilfe eines Terahertz-Zeitbereich-Spektroskopie-Systems die Resonanzfrequenz des Wellenleiters. Füllen Sie danach den Wellenleiter mit einem genau bestimmten Volumen der Probenflüssigkeit.Der letzte Schritt besteht darin, die Resonanzfrequenz des gefüllten Wellenleiters zu messen. Letztendlich kann die Differenz zwischen den Resonanzfrequenzen für den leeren und den gefüllten Wellenleiter verwendet werden, um den Brechungsindex der Probe im Terahertz-Frequenzbereich zu bestimmen. Im Allgemeinen haben Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten, da eine sehr hohe Genauigkeit erforderlich ist, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.Kim und ein weiterer Doktorand aus dem Labor von Daniel Middleman werden nun das Verfahren demonstrieren. Entwerfen Sie einen planparallelen Wellenleiter mit einem oder mehreren integrierten Hohlräumen oder Nuten. Legen Sie die Geometrie zugrunde, die in der begleitenden Veröffentlichung detailliert beschriebenen Parameter, und ziehen Sie außerdem unsere früheren Publikationen heran.Das sind einige allgemeine Leitprinzipien. Beginnen Sie mit einer Plattendicke, die breit genug ist, um als unendlich im Vergleich zum Eingangsstrahl betrachtet werden zu können, um einen einfachen Zugang zur Nut zu ermöglichen. Machen Sie die untere Wellenleiterplatte deutlich breiter als die obere Platte, sodass sich die Nut nahezu über die gesamte Breite der Platte erstreckt.Wählen Sie die Ausbreitungslänge so, dass der Wellenleiter insgesamt mindestens dreimal so lang ist wie die Ausdehnung der Nut, und stellen Sie sicher, dass die Bohrungen in der unteren Platte gewindebohrung sind, während jene in der oberen Platte nicht gewindebohrt 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 hinsichtlich sehr schmaler oder sehr flacher Nuten zu berücksichtigen, wenn die Vorrichtung als Referenz verwendet werden soll.Stellen Sie außerdem ein identisches Design ohne Nut her. Halten Sie den Plattenabstand mit dielektrischen Abstandshaltern aufrecht, beispielsweise Splittern einer zerbrochenen Mikroskopplatte. Die Firma Slide Machine fertigt den Lichtwellenleiter.Wichtig ist, die Kanten der Platten nicht abzurunden, insbesondere nicht an der Eingangsfläche. Abgerundete Kanten sind in vielen Werkstätten aus Sicherheitsgründen üblich, jedoch würde eine abgerundete Kante an der Eingangsfläche das Signal verzerren. Beginnen Sie den Zusammenbau mit einer Struktur, die zwei zueinander senkrechte ebene Flächen aufweist.Platzieren Sie die untere Platte auf der horizontalen Fläche und drücken Sie sie fest an die vertikale Fläche. Setzen Sie die dielektrischen Abstandshalter so nah wie möglich an die Schraublöcher ein.Zwei pro Schraube, eine auf jeder Seite. Prüfen Sie sorgfältig, ob die Schrauben die Nut behindern oder über die Eingangsfläche hinausragen. Setzen Sie die obere Platte bündig an die vertikale Fläche und schieben Sie sie nach unten, sodass sie auf der unteren Platte und den Abstandshaltern aufliegt.Beide Platten nun bündig an der vertikalen Oberfläche angedrückt halten. Die Schrauben einsetzen und im wechselnden Muster schrittweise festschrauben. Überprüfen Sie den fertigen Wellenleiter auf eine vollständig ebene Eingangsfläche und gleichmäßigen Plattenabstand.Beginnen Sie mit der Konfiguration der Apparatur. Falls noch nicht vorhanden, bringen Sie vier Linsen in den rah-hertz-Strahlengang in einer konfokalen Anordnung an. Um eine enge Fokussierung in der Mitte des Strahlengangs zu gewährleisten, platzieren Sie eine Blende mit 12 Millimetern Durchmesser im Brennpunkt.Die Blende sollte groß genug sein, um sämtliche Strahlung außer der durch den Wellenleiter laufenden zu blockieren. Die Größe der Blende bestimmt die Strahlgröße, die im Wellenleiter propagiert. Verwenden Sie eine sichere Halterung, um eine reproduzierbare Positionierung des Wellenleiters zu gewährleisten.Positionieren Sie nun den Wellenleiter unmittelbar hinter der Blende, sodass die Eingangsfläche mit der Blende in Kontakt steht und die Ausbreitungsachse des Wellenleiters möglichst genau mit der optischen Achse ausgerichtet ist. Diese Ausrichtung ist kritisch, da sonst Reflexionen, Dispersionsvariationen in der Grenzfrequenz sowie andere Probleme aufgrund einer unsachgemäßen Ausrichtung des Wellenleiters auftreten können. Platzieren Sie nun den Spritzenhalter so, dass die Spitze der Spritze mit der Nut ausgerichtet ist.Verwenden Sie für optimale Ergebnisse eine andere Spritze für jedes Material, um Kreuzkontaminationen zu vermeiden. Füllen Sie die Spritze mit der zu prüfenden Flüssigkeit und entfernen Sie alle Blasen. Dies gilt auch zwischen den Durchläufen.Befolgen Sie ein Reinigungsverfahren, das zunächst die Demontage des Wellenleiters erfordert. Anschließend beide Platten gründlich in einem geeigneten Lösungsmittel waschen, um Rückstände aus dem Experiment zu entfernen. Mit Druckluft trockenblasen und den Wellenleiter wie zuvor gezeigt wieder zusammensetzen.Beginnen Sie mit einer Referenzwellenform des Grod-Wellenleiters. Eine Referenzwellenform ist während jeder experimentellen Sitzung nur einmal alle paar Stunden erforderlich, abhängig von der Langzeitstabilität des Zeitbereichs-Spektrometersignals.Entfernen Sie den ungeordneten Wellenleiter. Stellen Sie anschließend den sauberen, rilligen Wellenleiter in die Vorrichtung. Nehmen Sie eine Wellenform für den leeren geordneten Wellenleiter auf.Der Prozess der Entfernung und Demontage kann zu sehr geringen Änderungen in der Geometrie des Wellenleiters führen. Diese Änderungen beeinflussen die absolute Resonanzfrequenz der leeren und gefüllten Rillen, nicht jedoch die beobachtete Verschiebung. Daher erfordert jede vollständige Messung eine eigene leere Referenz. Um die Verschiebung zu berechnen, ohne den Wellenleiter zu bewegen, setzen Sie die gefüllte Spritze in den Halter ein. Füllen Sie die Nut langsam unter gleichzeitigem Beobachten, ob die Füllung gut ist und keine Blasen oder Überläufe auftreten.Nehmen Sie eine weitere Wellenform auf. Wenn das System mehr als eine Nut hat, füllen Sie weiterhin Nuten und nehmen Sie nach Bedarf auf. Entfernen Sie den Wellenleiter und reinigen Sie ihn, bevor Sie den nächsten Datensatz sammeln.Bei diesem Beispiel eines gut gefertigten Wellenleiters ist zu beachten, dass die Nut nicht die gesamte Länge oder Breite des Wellenleiters durchzieht. Nach dem Zusammenbau eignet sich die Geometrie des Parallelplatten-Wellenleiters zur Realisierung eines Brechungsindex-Sensors für Terahertz-Frequenzen. Für die Messung des Brechungsindex ist nur ein geringes Flüssigkeitsvolumen erforderlich.Diese Daten zeigen typische Frequenzspektren und wurden aus einer Analyse von Tetradecan gewonnen. Das Spektrum, das von dem Referenz-Wellenleiter ohne Rillen stammt, ist in Schwarz dargestellt; Messungen des gerillten Wellenleiters ohne Flüssigkeitsfüllung sind in Blau angegeben, und der gerillte Wellenleiter mit einer Tetradecan-Probe ist in Rot dargestellt. Die Amplitudenspektren für den leeren und den gefüllten gerillten Wellenleiter werden anschließend quadriert und durch das Spektrum des Referenz-Wellenleiters dividiert, um die Leistungs-Transmissionspektren zu erhalten.Der Unterschied in der Frequenz zwischen den resonanten Eigenschaften der leeren und gefüllten Wellenleiter ist die Resonanzverschiebung, die mit dem Brechungsindex zusammenhängt. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, stets möglichst konsistent vorzugehen und darauf zu achten, eine Kreuzkontamination im Wellenleiter so gering wie möglich zu halten. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man eine Messung des Brechungsindex einer mikrofluidischen Probe erhält, indem man die Resonanzfrequenz eines gerillten Parallelplatten-Wellenleiters mittels Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie misst.

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Herstellung und Charakterisierung von Piezoelektrischen Geräten für Zerstäubung und Akustofluidik

Flexible Elektroden haben ein breites Anwendungsspektrum in der Softrobotik und der tragbaren Elektronik. Das vorliegende Protokoll demonstriert eine neue Strategie zur Herstellung hochdehnbarer Elektroden mit hoher Auflösung über lithographisch definierte mikrofluidische Kanäle, die den Weg für zukünftige Hochleistungs-Weichdrucksensoren ebnet.

Mikrofluidische kanalbasierte Weichelektroden und ihre Anwendung in der kapazitiven Druckmessung

Lernen Sie die Messung des Brechungsindex mikrofluidischer Proben mit einem genuteten Parallel-Platten-Wellenleiter bei Terahertz-Frequenzen. Diese Methode ermöglicht präzise optische Analysen.

Terahertz Microfluidic Sensing mit einem Parallel-Platte Waveguide Sensor

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