平行平板導波センサを用いたテラヘルツマイクロ流体センシング

Summary

溝の平行平板導波路形状に基づいてテラヘルツ周波数​​に対する屈折率センサを実装するための手順を説明します。この方法は、導波路構造の共振周波数のシフトの監視を通じて少量の液体の屈折率の測定をもたらす

Abstract

屈折率（RI）検出は、このような干渉と共振器^1,2できるだけセンサ設計の広い範囲でマイクロ流体サンプルの識別、検出およびモニタリングのための強力な非侵襲的かつラベルフリー検出技術です。既存のRIの最もセンシング·アプリケーションには、このようなDNAハイブリダイゼーション、ゲノムシーケンシングのような可視およびIR周波数における水溶液中での生体材料に焦点を当てています。テラヘルツ周波数​​では、アプリケーションは、非極性材料を含む品質管理、工業プロセスとセンシングのモニタリングと検出アプリケーションが含まれます。

テラヘルツ領域における屈折率センサーのため、いくつかの潜在的なデザインは、平行平板導波路⁵に統合されたフォトニック結晶導波路^3、非対称スプリットリング共振器⁴と、フォトニックバンドギャップ構造を含めて、存在しています。これらのデザインの多くは、そのような音が鳴ると、光共振器に基づいていますまたは空洞。これらの構造体の共振周波数は、共振器内または周囲の材料の屈折率に依存しています。共振周波数の変化を監視することによって、試料の屈折率を正確に測定することができるとともに、このターンでは等、汚染や希釈を監視し、材料を特定するために使用することができ

ここで使用するセンサの設計は、単純な平行平板導波路^6,7に基づいています。長方形の溝は、空洞共振器（ 図1および図2）のような一面の行為に機械加工。テラヘルツ放射は最下位横電気（TE _1）モードで導波路を伝播に結合されるとき、結果は溝^6,8のジオメトリに依存して調整可能な共振周波数を持つ単一の強力な共鳴機能です。この溝はLIQの量に依存する観測共振周波数のシフトを引き起こす極性液体マイクロ流体サンプルで埋めることができ溝とその屈折率⁹内のUID。

手順はクリーンルームや特別製作や実験技術を必要とせずに、標準的な実験装置を用いて達成することができますので、我々の技術は、そのシンプルさで、両方の製造と実装の他のテラヘルツ技術に勝る利点があります。また、簡単に複数の溝¹⁰を組み込むことによってマルチチャネル動作に拡大することができます。このビデオでは、センサの設計からデータ分析とサンプルの屈折率を決定することに、私達の完全な実験手順を説明します。

Protocol

1。センサーの設計と製作

1. つまたは複数の集積キャビティ（または "溝"）で、平行平板導波路を設計します。 図1と図2を参照してください。ジオメトリは、特定のアプリケーション用に設計された我々の以前の刊行物^8,9または特別に与えられたものに基づいていてもよい。次の一般的な指針が提案されています：
   1. 板間隔：この実験では1mmの板の間隔が特殊な光学系を必要とせずに、TE1モードへの効果的な結合のために使用されます。また、興味のある周波数でシングルモード伝播を確実にします。他のプレートの間隔を使用する場合は、マルチモード伝搬、分散、結合効率を考慮すべきである。
   2. スペーサー：この板の間隔は、誘電体スペーサを使用して維持されます。非常に均一な厚さのガラスの小片は、優れたスペーサーを作る - 3μmで - 私たちのケースでは、我々は1ミリメートル+ / - の厚さを有することで、粉々になった顕微鏡用スライドから破片を使用しています。
   プレートサイズ：プレート自体は、入力ビームに比べて彼らは無限と考えることができるように十分に広くなければなりません。 （我々のケースでは、1.2センチメートルビームの4.75センチメートル。）各板の厚さは表皮深さよりもはるかに厚くなければならず、厚いプレート（> 1 cm）を導波路の上または下に通過するエネルギーの可能性を減らす....

Discussion

それは、テスト対象の液体の屈折率は、広い帯域幅にわたって、唯一の空洞共振の周波数でないと判断されたことに留意すべきである。これはいくつかの利点があります。我々の測定、特性評価を目的とした広帯域テラヘルツ光源を利用してきたが、まず、1はまた、限られた周波数同調性の程度は、はるかに少ない高価になる可能性がありますアプローチと持つ単一周波数のテラヘルツ光源と同等のセンシングシステムを構築することができましたよりコンパクト。第二に、センシングアプローチは、単一の導波路に複数の溝を組み込むことによって、並列化することができます^10の各溝がわずかに異なる幾何ので、検知するための異なった周波数を持っているでしょう。広帯域テラヘルツパルスを用いて、1は、複数の液体試料用に独立して、同時に（そしてシフト）屈折率を決定することができる。この並列感知能力は簡単に従来にも組み込むことはできませんでしょう唯一の単一の液体が一度に測定される時間領域テラヘルツ測定システム。

この実験的な手法で最も重要な関心事は、一貫性と再現性である。導波管と充填容量の組み立てと配置は、一貫性のあるエラーを.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
試薬の名称	会社	カタログ番号	コメント（オプション）
10μLシリンジ	ハミルトン	80314	高精度シリンジ
液体アルカン	アクロスオーガニック		キャリブレーションとテストのためのサンプル
			具体的な機器は必要ありません。適切な試験材料および溶媒は、実験者の裁量に任されています。この手順で使用する高精度のシリンジは、以下の表に記載されているが、実験者は、精度向上のためのデジタルシリンジを含む別のボリュームやデザインの注射器を使いたいと思うかもしれません。この実験で使用したテストアルカンも表示されます。