Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-08-30T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 28 s
Description: 学ぶテラヘルツマイクロ流体センシングにおける平行平板導波センサの実装方法。溝付き導波路の共振周波数シフトを利用して微小液体の屈折率を高精度に測定する技術を習得できます。

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このプロジェクトは、国立科学財団と連絡先のプログラムを通じて空軍研究所によって部分的にサポートされていました。

1。センサーの設計と製作<ol><li>つまたは複数の集積キャビティ（または &quot;溝&quot;）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： <ol><li>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。 </li><li>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。 </lI&gt; <li>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（&gt; 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ことをお勧めしますと検出器に到達する。伝搬長は、溝の少なくとも2倍離れて、入力と出力の面から独自の幅ですが、ばらつきを減らすために最小化されていることに十分であるべきです。 </li><li>底板形状：溝への容易なアクセスを可能にするために溝が（ではなく、かなり）は、ほぼ板の幅全体を拡張しながら、下部導波板は、天板よりも大幅に広いことがあります。 （ 図1を参照）これは、溝にアクセスし、充填のレベルを監視することがはるかに容易になります。 </li><li>ネジ：上部と底板は両方ともネジが波を保持するために挿入することができるように拡張子を持っている溝や伝播経路のいずれかを阻害することなく、一緒に導く。トップはそうではありません（ 図1参照）底板の穴は、スレッド化されています。 </li><li>空洞形状：溝の設計は、他の要因の中で、所望の共振周波数は、所望の線幅、および選択されたプレートの間隔に依存します。非常に狭い、または非常に浅い溝のためのあなたの製造技術の限界を考慮することが重要です。マルチチャンネル検出のための複数の溝は、追加の要件10を持っています。 </li><li>溝なしのバージョン：溝なしすべての面で同一の設計はまた、参考資料として使用されるように、作製されるべきである。 </li></ol></li><li>導波路の作製、加工することによって行うことができる。重要：特に、入力面で、プレートのエッジを鈍らされません。丸みを帯びたエッジは安全上の理由から、多くのマシンショップでは標準的ですが、入力面上の丸みを帯びたエッジは信号が歪みます。 </li><li>アセンブリ手順。二枚のプレートを作製した後で、それらは導波路内に実装してください。 <ol><li> 2つの平坦面が互いに垂直な構造を作成するためにL型ブラケットなどの平らなオブジェクトを使用します。水平な面の上に底板を置き、それが垂直面に対してフラッシュを押します。溝を妨害したり、入力された顔を越えないように注意しながら、できるだけネジ穴の近くに（ネジごとに2つ、各側に1つ）として、誘電体スペーサを配置します。 </li><li>慎重に垂直面に対して天板フラッシュを配置し、底板とスペーサーの上に座って、それを下にスライドさせます。両方のプレートは、垂直面に対してフラッシュのネジを挿入し保持する。交互に徐々にそれらをネジ止め。この手順では、完全にフラットな入力顔と制服プレート間隔で導波管につながる。 </li></ol></li></ol> 2。実験装置このプロトコルは、ユーザーヘクタールを想定していますsは、伝送ジオメトリテラヘルツ時間領域分光（私たちの場合は、Picometrix T-レイ4000）へのアクセスおよび周波数領域への変換、タイム·ドメイン波形およびフーリエを得るに精通している。 <ol><li>共焦点構成。すでに存在していない場合は、4つのレンズは、パスの中間点にタイトなフォーカスを提供するために、共焦点の向きで光路内に導入されるべきである。 </li><li>焦点位置に絞りを配置します。開口部は、導波管を使用する場合を除き伝播するすべての放射線を遮断するのに十分な大きさでなければなりません。開口部の大きさは、（我々の場合は、12ミリメートル）導波路を伝搬するビームサイズを決定します。 </li><li>場所は、開口部に接触して、入力面とし、光軸とできるだけ密接に整列し、導波路伝搬軸と、絞りのすぐ後ろ導波路。ここにアライメントが重要です - 反射、分散、カットオフと共鳴周波数の変動、およびiその他ssuesは、導波路の不適切なアライメントに起因して発生する可能性があります。 REPEATABLEな配置を確保するための安全ホルダーを使用します。 </li><li>シリンジホルダ：それは先端が溝が合うように所定の位置にシリンジを保持する構造を持っていると便利です。これを行うことによって、あなたはあなたの手の中に注射器の動きによる充填のミスの可能性を減らすことができます。 </li></ol> 3。試料調製<ol><li>手順のクリーニングは：導波路を分解します。実験から任意の残留物を除去するために、適切な溶媒中で十分に導波路の両プレートを洗浄する。圧縮空気でブロードライ。 1.3のように組み立て直す。 </li><li>シリンジ製剤。最良の結果を得るために、我々は、交差汚染を防ぐために、各材料ごとに異なる​​注射器の使用をお勧めします。これが不可能な場合には、注射器も同じ溶剤で洗浄してください。 </li><li>テストされる液体と適切な充填容量に注射器を埋める。任意の気泡を取り除くようにしてください。 </li></ol><ol><li> （2.3）に記載の装置で溝なしの基準導波路を配置します。溝なしの導波路の基準波形を取る、その後削除します。これは、時間領域分光信号の長期的な安定性に応じて、各実験セッションの間ごとに数時間一度だけ必要です。 </li><li>などに記載されている装置でクリーン溝導波路を、（2.3）を配置</li><li>空の溝導波路用の波形を取る。注：これは、導波管は取り外して洗浄されるたびに実行する必要があります。解体撤去のプロセスとは、導波路の形状の非常に小さな変化につながることができます。これらの変動は、空と充填溝ではなく、観測シフトの絶対共振周波数に影響を与えますので、それぞれの &quot;フル&quot;の測定は、シフトを計算するために、独自の &quot;空&quot;の参照を必要とします。 </li><li>導波路を移動せずに、ホルダー内の所定の位置に充填されたシリンジを置く。ゆっくり保ち、溝を埋める無気泡やオーバーフローと、フィルが良好であることを見る。 （正確な充填量を決定する方法は、ディスカッション·セクションで説明されています）は、別の波形を取る。 </li><li>システムに複数の溝がある場合は、溝を充填し、必要に応じて波形を撮り続け。 </li><li> （ステップ3のように）導波管を取り外し、清掃してください。 </li><li>必要に応じて何度でも繰り返します。最良の結果を得るには、各サンプルには、いくつかのデータ·セットは、誤差を低減することをお勧めします。 </li></ol> 5。代表的な結果これらの波形のデータ分析は簡単で、周波数領域に変換するための実験者の通常の技術に従うことができます。例えば、 図3で与えられたものとしての周波数スペクトルが生じるはずである。これらは、 図4のような電力透過スペクトルを得るために基準波形によって二乗と分けることができます。空とフル導波路用共鳴の線幅と中心周波数はmまで使用できるこれらのスペクトルからeasured、またはローレンツフィットは精度を高めるために行うことができる。 液体に起因する共振シフトは単に空とフル導波路用共鳴の観測中心周波数の差です。屈折率測定に変換するには、シフトとRIとの間の関係を確立する必要があります。これは、既知のインデックス9、または解析モードマッチング技術8を使用してのサンプルで埋める溝のシミュレーションを行うことで、計算上の既知のインデックスのサンプルでは、この手順に従うことによって実験的に実行するか、またはすることができます。 RIの曲線対シフトが確立されれば、未知試料のRIの測定を正確に行うことができる。 この手順の実行中に発生する可能性がありますいくつかの特定のエラーがあります。溝の充填中に気泡やミスは、我々はSAごとに複数のデータセットを推奨する理由ですノイジーまたは不正なデータをもたらす可能性がある材料をmple。エラーの別の頻繁な源は、導波路の配置になっています。リファレンスおよびセンサ導波路は全く同じアライメントに配置されている場合は、任意の反射やその他の成果物はどちらも同じになり、透過スペクトルを除算します。アライメントが少し切れている場合は、反射が出て分割し、音が鳴らなくなります（いくつかのマイナーなリンギングは、 図4に見られるように）透過スペクトルで観察されます。それがデータを奪還することは望ましくないなら、それは反射が表示されるまでに、時間領域の波形をト​​リミングすることで、このリンギングを排除することが可能であるが、これは非常にスペクトル分解能を低減し、従って屈折率分解能は同様に制限されています。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/4304/4304fig1.jpg" /> 図1にマーク関連部分を有する導波路の写真。溝は、eを延長しないことに注意してください導波管と構造のntireの長さや幅は、取り付け金具が溝や放射線伝播の経路をふさがないように設計されています。 <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/4304/4304fig2.jpg" /> 図2溝導波路の模式図。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/4304/4304fig3.jpg" /> 図3。この場合は（a）のサンプル周波数基準導波路のスペクトル（黒）、ノー液体充填（青）と溝付き導波管、液体との溝導波路、テトラデカン（赤）。 TE 1とTE <samp>3</samp>伝搬モードのカットオフ周波数が示されている、などの水蒸気吸収線である。空とフル溝導波路用共鳴の（b）のクローズアップ。 <img alt="図4" src=&quot;/ files/ftp_upload/4304/4304fig4.jpg&quot; /&gt; 図4：空とフル溝導波路用パワー透過スペクトルを。 2共振の機能の間の周波数の差は、屈折率に関し、共振シフト（ΔF）です。

<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>
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<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>

特別な利害関係は宣言されません。

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...

<table border="1"><tbody><tr><td> 試薬の名称 </td><td> 会社 </td><td> カタログ番号 </td><td> コメント（オプション） </td></tr><tr><td> 10μLシリンジ</td><td>ハミルトン</td><td> 80314 </td><td>高精度シリンジ</td></tr><tr><td>液体アルカン</td><td>アクロスオーガニック</td><td></td><td>キャリブレーションとテストのためのサンプル</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>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。 </td></tr></tbody></table>

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

Terahertz Microfluidic Sensing Using a Parallel-plate Waveguide Sensor

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。

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

屈折率（RI）センシングは、マイクロ流路内における物質の同定、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のセンシング技術である。

このプロトコルでは、溝付き平行平板導波路を用いて、テラヘルツ周波数におけるマイクロ流体試料の屈折率を測定します。まず、テラヘルツ領域で共振を示すように溝付き導波路を設計し、作製します。次に、テラヘルツ時間領域分光システムを用いて、導波路の共振周波数を測定します。その後、正確に測定した量の試料液体を導波路に注入します。最終ステップは、充填済み導波管の共振周波数を測定することです。最終的に、空の導波管と充填済み導波管の共振周波数の差を用いることで、テラヘルツ周波数領域におけるサンプルの屈折率を決定できます。一般的に、再現性のある結果を得るには非常に高い精度が要求されるため、この手法に不慣れな方は苦労することがあります。Daniel Middlemanの研究室の大学院生であるKim reelと私が、これから手順を実演します。1つ以上の統合共振器または溝を備えた平行平板導波路を設計してください。ジオメトリは、付属の原稿に詳述されているパラメータに基づかせ、また我々の以前の出版物も参照してください。以下にいくつかの一般的な指針を述べます。溝に容易にアクセスできるよう、入射ビームに対して十分に広く、無限大とみなせるサイズのプレートから始めてください。また、溝がプレートのほぼ全幅にわたって延びるように、底面の導波路プレートを上面のプレートよりも大幅に広く作成してください。伝搬長は、導波管全体として、溝の範囲の少なくとも3倍の長さになるように設定し、底板の穴にはネジを切った状態で、上面の穴にはネジを切らないようにします。溝の設計は、目的の共振周波数やライン幅、選択したプレート間隔などの要因によって決まります。非常に狭い溝や浅い溝を製作する場合、使用する作製技術の限界を考慮することが重要です。これはリファレンスとして使用してください。同様に、溝のない同一のデザインを作製します。砕いた顕微鏡の破片などの誘電体スペーサーを用いて、プレートの間隔を維持します。導波路はフライス盤で加工します。重要な点として、プレートの端、特に導入面を面取りしないでください。多くの工作所では安全上の理由から端を丸めるのが一般的ですが、導入面を丸めると信号が歪みます。互いに垂直な2つの平面を持つ構造から組み立てを開始してください。ボトムプレートを水平面に置き、押し付けます。垂直面にぴったりと合わせます。誘電スペーサーをネジ穴にできるだけ近づけて挿入します。ネジあたり2個、各側に1個ずつ配置します。ネジが溝を塞いでいないか、または入力面に突き出していないかを確認してください。慎重にトッププレートを垂直面に密着させ、下側のプレートとスペーサーの上に載るように下にスライドさせます。次に、両方のプレートを垂直面に密着させます。ネジを挿入し、交互に少しずつ締め付けてください。最終的な導波器の入力面が完全に平坦であり、プレートの間隔が均一であることを確認します。まず、装置の構成を行います。まだ設置されていない場合は、共焦点配向で4枚のレンズをrah hertzビーム光路に導入してください。光路の中間でタイトなフォーカスを得るために、焦点位置に12 millimetersの絞りを配置します。開口部は、導波管を通る以外のすべての放射線伝播を遮断できる十分な大きさである必要があります。開口部のサイズによって、導波管内を伝播するビームサイズが決まります。導波管の配置に再現性を持たせるため、固定ホルダーを使用してください。次に、導波路を開口部の直後に配置し、入力面を開口部に接触させ、導波路の伝搬軸を光軸に可能な限り近づけて合わせます。ここでの調整は極めて重要であり、導波路の配置が不適切であると、反射、分散、遮断周波数の変動、共振周波数の変動などの問題が生じる可能性があります。その後、シリンジの先端が溝と一致するようにシリンジホルダーを配置します。最良の結果を得るために、相互汚染を防ぐため各材料に異なるシリンジを使用してください。テストする液体をシリンジに満たし、気泡を取り除きます。また、測定の合間にも同様に行ってください。まず導波路を分解し、洗浄手順に従ってください。次に、実験による残留物を除去するため、両方のプレートを適切な溶剤で十分に洗浄します。圧縮空気で乾燥させた後、前述の手順に従って導波路を再組み立てします。grod導波路のリファレンス波形から開始します。リファレンス波形は、時間領域分光計信号の長期安定性に応じて、各実験セッション中に数時間につき一度だけ取得すれば十分です。グループ化されていない導波路を取り除きます。次に、洗浄済みの溝付き導波路を装置にセットします。空のグループ化された導波路の波形を測定します。取り外しおよび分解の工程により、導波路の形状に極めてわずかな変動が生じる可能性があります。これらの変動は、空の状態および充填状態の溝の絶対共鳴周波数に影響を与えますが、観測されるシフトには影響しません。したがって、各全測定において、個別の空リファレンスが必要です。導波路を移動させずにシフトを算出するため、充填済みのシリンジをホルダーにセットします。溝をゆっくりと満たしてください。気泡や液漏れがなく、適切に充填されていることを確認します。別の波形を測定します。システムに複数の溝がある場合は、必要に応じて溝の充填と測定を繰り返します。次のデータセットを収集する前に、導波路を取り外して洗浄してください。適切に作製された導波路のこの例では、溝が導波路の全長または全幅にわたって及んでいないことに注意してください。組み立て後の平行平板導波路の形状は、テラヘルツ周波数帯の屈折率センサの実装に適しています。屈折率の測定には、少量の液体が必要です。これらのデータは典型的な周波数スペクトルを示しており、テトラデカンの分析から得られたものである。参照用の溝なし導波管から得られたスペクトルを黒色で、液体を充填していない溝付き導波管の測定値を青色で、そしてテトラデカンの試料を入れた溝付き導波管を赤色で示している。次に、空および充填済みの溝付き導波管の振幅スペクトルを二乗し、参照導波管のスペクトルで除することで、電力透過スペクトルを算出している。空の導波管と試料を満たした導波管の共鳴特性における周波数の差が共鳴シフトであり、これは屈折率に関連しています。この手順を行う際は、可能な限り一貫性を保ち、導波管内でのクロスコンタミネーションを最小限に抑えるよう注意することが重要です。このビデオを視聴することで、テラヘルツ時間領域分光法を用いて溝付き平行平板導波管の共鳴周波数を測定し、マイクロ流体サンプルの屈折率を算出する方法について十分に理解できるはずです。

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