Terahertz Sensing microfluidici Utilizzando un parallelo-piastra sensore guida d'onda

Sommario

La procedura per l'attuazione di un sensore di indice di rifrazione per frequenze terahertz basato su un scanalata geometria a piatti paralleli guida d'onda è descritto qui. Il metodo fornisce una misura dell'indice di rifrazione di un piccolo volume di liquido attraverso il monitoraggio dello spostamento della frequenza di risonanza della struttura di guida d'onda

Abstract

Indice di rifrazione (RI) è un rilevamento non invasivo potente e privo di etichetta tecnica di rilevamento per la rilevazione di identificazione e monitoraggio dei campioni microfluidici con una vasta gamma di modelli di sensori possibili, come interferometri e ^1,2 risonatori. Applicazioni più del RI esistente rilevamento concentrarsi su materiali biologici in soluzioni acquose a frequenze visibili e IR, come ibridazione DNA e sequenziamento del genoma. A frequenze terahertz, applicazioni includono il controllo della qualità, il controllo dei processi industriali e di rilevamento e applicazioni di rilevamento che coinvolgono materiali non polari.

Diversi disegni potenziali per sensori indice di rifrazione del regime terahertz esistono, compreso guide d'onda a cristallo fotonico ^3, asimmetrici split-risonatori ad anello ^4, e strutture band gap fotoniche integrate in parallelo alla piastra guide d'onda ^5. Molti di questi disegni sono basati su risonatori ottici quali anellio cavità. Le frequenze di risonanza di queste strutture dipendono l'indice di rifrazione del materiale in o intorno al risonatore. Monitorando i cambiamenti nella frequenza di risonanza di rifrazione di un campione può essere misurata con precisione e questo a sua volta può essere utilizzato per identificare un materiale, monitorare la contaminazione o diluizione, ecc

Il design del sensore usiamo qui è basato su una semplice guida d'onda a piatti paralleli ^6,7. Una scanalatura rettangolare lavorato in uno dell'orologio funziona come una cavità risonante (figure 1 e 2). Quando la radiazione terahertz è accoppiata nella guida d'onda e si propaga nel ordine più basso-elettrico trasversale (TE ₁₎ modalità, il risultato è un singolo elemento forte risonanza con una frequenza di risonanza sintonizzabile che dipende dalla geometria della scanalatura ^6,8. Questo solco può essere riempito con campioni liquidi non polari microfluidici che provocano uno spostamento nella frequenza di risonanza osservata che dipende dalla quantità di liquid nella scanalatura e il suo indice di rifrazione ^9.

Nostra tecnica ha un vantaggio rispetto altre tecniche terahertz nella sua semplicità, sia nella fabbricazione e attuazione, dato che il procedimento può essere realizzato con apparecchiature di laboratorio standard senza la necessità di una stanza pulita o qualsiasi fabbricazione speciale o tecniche sperimentali. Può anche essere facilmente esteso al funzionamento multicanale tramite l'incorporazione di scanalature multiple ^10. In questo video si descrivono nostra procedura sperimentale completo, dal progetto del sensore per l'analisi dei dati e la determinazione dell'indice di rifrazione del campione.

Protocollo

1. Sensore di progettazione e fabbricazione

1. Progettare una guida d'onda a piatti paralleli, con una o più cavità integrati (o "scanalature"). Vedere le figure 1 e 2. Geometria può essere basata su quanto indicato nella nostre precedenti pubblicazioni ^8,9 o appositamente progettati per la particolare applicazione. I seguenti principi generali che guidano sono suggeriti:
   1. Spaziatura delle piastre: In questo esperimento una spaziatura delle piastre di 1mm viene utilizzato per accoppiamento efficace al modo TE1 senza necessità di speciali ottiche. Assicura anche monomodale propagazione alle frequenze di interesse. Quando si utilizza spaziature piastra, multimodale efficienza propagazione, dispersione e accoppiamento dovrebbe essere considerato.
   2. Distanziatori: Questa spaziatura piastra è mantenuta utilizzando distanziatori dielettrici. Piccoli pezzi di vetro di spessore molto uniforme fare distanziali eccellenti - nel nostro caso, si usa frammenti di un vetrino da microscopio in frantumi, con un spessore di 1 mm + / - 3 micron.
   3. Dimensione lastre: Le piastre stesse dovrebbero essere sufficientemente ampia da poter essere considerato infinito rispetto al fascio di ingresso. (Nel nostro caso, 4,75 centimetri per un fascio di 1,2 cm.) Lo spessore di ciascuna piastra deve essere molto più spessa rispetto alla profondità della pelle, e piastre più spesse (> 1 cm) sono raccomandate per ridurre la possibilità di energia che passa sopra o sotto la guida d'onda e raggiunge il sensore. Lunghezza propagazione dovrebbe essere sufficiente che la scanalatura è almeno due volte la sua larghezza propria distanza dall'ingresso e facce di uscita, ma minimizzato per ridurre la dispersione.
   4. Piastra Geometry carena: per consentire un facile accesso alla scanalatura, la piastra di guida d'onda inferiore deve essere significativamente più larga della piastra superiore, mentre la scanalatura si estende quasi (ma non abbastanza) l'intera larghezza della piastra. (Vedi figura 1) In questo modo è molto più facile per accedere alla gola e monitorare il livello di riempimento.
   5. Viti: Sia superiore e la piastra inferiore con estensione in modo che le viti possono essere inseriti per tenere l'ondaguidare insieme senza ostacolare né le scanalature o il percorso di propagazione. (Vedi figura 1) I fori nella piastra di fondo sono filettati, mentre non sono top.
   6. Geometria cavità: Design per la scanalatura dipende dalla frequenza di risonanza desiderata, la larghezza di riga desiderata, e la spaziatura delle piastre scelto, tra gli altri fattori. E 'importante prendere in considerazione i limiti delle vostre tecniche di fabbricazione per scanalature molto strette o molto bassa. Scanalature multiple per il rilevamento multicanale hanno requisiti ulteriori ^10.
   7. Ungrooved Version: un disegno identico in ogni aspetto SENZA una scanalatura dovrebbe anche essere fabbricato, da utilizzare come riferimento.
2. Realizzazione della guida d'onda può essere fatto mediante lavorazione meccanica. IMPORTANTE: non smussare i bordi delle piastre, in particolare sulla faccia di ingresso. Bordi arrotondati sono una pratica standard in molte officine meccaniche per ragioni di sicurezza, ma un bordo arrotondato sulla faccia di ingresso distorcono il segnale.
3. MontaggioProcedura. Dopo le due piastre sono state fabbricate, devono essere assemblati in guida d'onda.
   1. Utilizzare un oggetto L-staffa o altro piatto per creare una struttura con due superfici piane perpendicolari l'uno all'altro. Posizionare la piastra di fondo sulla superficie orizzontale e premere a filo contro la superficie verticale. Posizionare i distanziali dielettrici più vicino ai fori per le viti possibili (due per vite, una per ogni lato), facendo attenzione a non ostruire la gola o di estendere al di là della faccia di ingresso.
   2. Posizionare con cura il filo piastra superiore contro la superficie verticale e farlo scorrere verso il basso per sedersi sulla piastra inferiore e distanziali. Tenendo entrambe le piastre a filo contro la superficie verticale, inserire le viti. Avvitare giù in modo incrementale in uno schema alternato. Questa procedura porta ad una guida d'onda con una faccia di ingresso perfettamente piana e spaziatura lamina uniforme.

2. Apparato sperimentale

Questo protocollo presuppone l'utente has accesso ad una trasmissione a geometria terahertz dominio del tempo spettrometro (nel nostro caso, il Picometrix T-Ray 4.000) e conosce ottenere forme d'onda nel dominio del tempo e la trasformata di Fourier di dominio della frequenza.

1. Configurazione confocale. Se non già presente, quattro lenti dovrebbero essere introdotti nel percorso del raggio in un orientamento confocale al fine di fornire un focus tenuta a metà del percorso.
2. Inserire una apertura al punto focale. L'apertura deve essere sufficientemente grande da bloccare le radiazioni dalla moltiplicazione non attraverso la guida d'onda. La dimensione dell'apertura determinerà la dimensione del fascio che si propaga in guida d'onda (nel nostro caso, 12 mm).
3. Posto guida d'onda immediatamente dietro l'apertura, con la faccia di entrata in contatto con l'apertura e con l'asse di propagazione guida d'onda allineato il più possibile con l'asse ottico. L'allineamento qui è critica - riflessioni, dispersione, variazione delle frequenze di cut-off e risonante, e altri issues possono sorgere a causa di allineamento non corretto della guida d'onda. Usare un supporto sicuro per assicurare il posizionamento ripetibile.
4. Titolare siringa: è utile avere una struttura che tiene la siringa in posizione in modo che la punta sia allineata con la scanalatura. In questo modo è possibile ridurre la possibilità di errori nel riempimento a causa del movimento della siringa in mano.

3. Preparazione del campione

1. Procedura di pulizia: Smontare la guida d'onda. Lavare entrambe le piastre della guida d'onda accuratamente in un solvente appropriato per rimuovere eventuali residui dall'esperimento. Soffiare con aria compressa. Rimontare come in 1.3.
2. Siringa Preparazione. Per ottenere risultati ottimali, si consiglia di utilizzare una siringa diversa per ogni materiale per evitare la contaminazione incrociata. Se questo non è possibile, la siringa deve essere pulita con lo stesso solvente.
3. Riempire la siringa al volume appropriato di riempimento con il liquido da testare. Cercate di eliminare eventuali bolle.

4. Procedura sperimentale

1. Posizionare la guida d'onda ungrooved riferimento nella strumentazione descritta in (2.3). Prendete una forma d'onda di riferimento della guida d'onda ungrooved, quindi rimuovere. Ciò è necessario solo una volta ogni poche ore durante ogni sessione sperimentale, a seconda della stabilità a lungo termine del segnale nel dominio del tempo spettrometro.
2. Posizionare pulito waveguide scanalato in apparecchi, come descritto in (2.3)
3. Prendete una forma d'onda per la guida d'onda vuota scanalato. NOTA: Questo deve essere fatto ogni volta che viene rimossa la guida d'onda e pulito. Il processo di rimozione e smontaggio possono portare a variazioni molto piccole nella geometria della guida d'onda. Queste variazioni influenzerà la frequenza assoluta di risonanza delle scanalature vuoti e pieni, ma non lo spostamento osservato, per cui ogni misura "piena" richiede il proprio riferimento "vuoto" per calcolare lo spostamento.
4. Senza muovere la guida d'onda, mettere la siringa riempita in posizione nel supporto. Lentamente riempire la scanalatura, mantenendoguarda che il riempimento è buona, senza bolle o di overflow. (Come determinare la giusta quantità di riempimento è descritto nella sezione di discussione.) Prendere un'altra forma d'onda.
5. Se il sistema ha più di una scanalatura, continuare a riempire solchi e prendendo forme d'onda come desiderato.
6. Rimuovere e pulire guida d'onda (come al punto 3).
7. Ripetere il numero di volte necessario. Per ottenere i migliori risultati, diversi set di dati per ciascun campione sono raccomandate per ridurre l'errore.

5. Risultati rappresentativi

Analisi dei dati di queste forme d'onda è semplice e può seguire usuali tecniche dello sperimentatore per trasformare nel dominio della frequenza. Spettri di frequenza, come quelli indicati nella Figura 3 dovrebbe risultare. Questi possono essere squadrate e diviso per la forma d'onda di riferimento per ottenere spettri di trasmissione di potenza, come la figura 4. La frequenza centrale e la larghezza di riga delle risonanze per le guide d'onda vuoti e pieni possono essere measured da questi spettri, o convulsioni Lorentziane può essere eseguita per aumentare la precisione.

Lo spostamento risonante causata dal liquido sia soltanto la differenza tra le frequenze osservate centrali delle risonanze per le guide d'onda vuoti e pieni. Convertire questo in una misura dell'indice di rifrazione, il rapporto tra lo spostamento e il RI deve essere stabilito. Questo può fatto sperimentalmente seguendo questa procedura con campioni di indice noto, o computazionalmente effettuando simulazioni della gola piena di campioni di nota indice ^9, o analiticamente utilizzando la modalità tecniche di corrispondenza ^8. Dopo uno spostamento curva della RI è stabilito, RI misurazioni di campioni sconosciuti può essere eseguita con precisione.

Ci sono alcuni errori specifici che possono verificarsi durante questa procedura. Bolle o errori nel riempimento della scanalatura può dare origine a dati rumorosi o non corretti, per cui si consiglia di più set di dati per ciascuna sample materiale. Un'altra fonte di errore è frequente nel posizionamento delle guide d'onda. Se le guide d'onda di riferimento e il sensore sono posizionati esattamente nello stesso allineamento, eventuali riflessioni o altri artefatti sarà la stessa per entrambi e dividerà fuori dello spettro di trasmissione. Se l'allineamento è leggermente fuori, le riflessioni non divide out e ringing sarà osservato negli spettri di trasmissione (alcune suoneria minore può essere visto in Figura 4). Se non è auspicabile riprendere i dati, è possibile eliminare tale suoneria dal taglio dominio del tempo della forma d'onda della prima riflessione appare, ma questo riduce notevolmente la risoluzione spettrale e quindi la risoluzione indice di rifrazione è limitata.

Figura 1. Fotografia della guida d'onda con le parti interessate marcati. Si noti che la scanalatura non estende l'indirizzontire lunghezza o larghezza della guida d'onda e la struttura è progettata in modo che l'hardware di montaggio non ostruire la scanalatura o il percorso di propagazione radiazioni.

Figura 2. Schema della guida scanalata.

Figura 3. (A) spettri di frequenza del campione per la guida d'onda di riferimento (nero), la guida d'onda scanalato senza riempimento di liquido (blu), e la guida d'onda scanalato con liquido, in questo caso tetradecano (rosso). Le frequenze di taglio per la TE e TE ₁ 3 modi di propagazione sono mostrate, così come le linee di vapore di assorbimento dell'acqua. (B) Closeup delle risonanze per le guide d'onda vuoti e pieni scanalate.

Figura 4. Spettri di trasmissione di potenza per le guide d'onda vuoti e pieni scanalate. La differenza di frequenza tra le due caratteristiche di risonanza è lo spostamento risonante (Af), che riguarda l'indice di rifrazione.

Discussione

Va osservato che l'indice di rifrazione del liquido in esame viene determinata solo alla frequenza di risonanza della cavità non, su una banda larga. Questo ha alcuni vantaggi distinti. Primo, sebbene le nostre misurazioni hanno fatto uso di una fonte terahertz banda larga per scopi di caratterizzazione, si potrebbe anche costruire un sistema equivalente di rilevamento con una singola frequenza sorgente THz con solo un grado limitato di sintonizzabilità frequenza, un approccio che potrebbe essere molto meno costoso ...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Nome del reagente	Azienda	Numero di catalogo	Commenti (opzionale)
Siringa da 10 microlitri	Hamilton	80314	Alta precisione di siringa
Alcani liquidi	Acros Organics		I campioni per la calibrazione e di prova
			Nessuna attrezzatura specifica è richiesta. Materiali di prova idonei e solventi sono lasciati alla discrezione dello sperimentatore. L'alta precisione siringhe utilizzate in questa procedura sono elencati nella tabella sottostante, ma lo sperimentatore potrebbe usare siringhe di volume diverso o progettazione, comprese siringhe digitali per una maggiore precisione. Gli alcani test utilizzati in questo esperimento sono elencati.