تيراهيرتز الاستشعار ميكروفلويديك باستخدام الاستشعار الدليل الموجي الموازي لوحة

Summary

يتم وصف الإجراء لتنفيذ الاستشعار معامل الانكسار للترددات تيراهيرتز على أساس الهندسة مخدد الدليل الموجي موازية لوحة هنا. طريقة تعطي قياس معامل الانكسار وحدة تخزين صغيرة من السائل من خلال رصد التغير في تردد الرنين لهيكل الدليل الموجي

Abstract

معامل الانكسار (RI) الاستشعار هو موسع قوية والتسمية خالية من تقنية الاستشعار عن بعد للكشف، وتحديد ورصد العينات ميكروفلويديك مع مجموعة واسعة من التصاميم المحتملة مثل أجهزة الاستشعار وتداخل ^1،2 مرنانات. معظم التطبيقات الموجودة RI الاستشعار عن بعد تركز على المواد البيولوجية في المحاليل المائية في الترددات المرئية والأشعة تحت الحمراء، مثل تهجين الحمض النووي وتسلسل الجينوم. على ترددات تيراهيرتز، تطبيقات على التحكم في الجودة، ومراقبة العمليات الصناعية والاستشعار عن بعد والتطبيقات التي تنطوي على مواد الكشف غير القطبية.

التصاميم المحتملة للأجهزة استشعار عدة معامل الانكسار في النظام تيراهيرتز موجودة، بما في ذلك الدليل الموجي الكريستال الضوئية ^3، غير المتماثلة الانقسام الدائري مرنانات ^4، والهياكل الضوئية الفجوة الفرقة دمجها في لوحة موازية مرشد _ الموجة ^5. وتستند العديد من هذه التصميمات على مرنانات البصرية مثل الخواتمأو تجاويف. الترددات الرنانة من هذه الهياكل التي تعتمد على معامل انكسار المواد في أو حول مرنان. يمكن من خلال رصد التحولات في تردد الرنين أن معامل الانكسار لعينة قياسها بدقة، ويمكن استخدامها وهذا بدوره لتحديد المواد، أو التخفيف رصد التلوث، الخ.

ويستند تصميم أجهزة الاستشعار التي نستخدمها هنا في الدليل الموجي موازية لوحة بسيطة ^6،7. تشكيله أخدود مستطيل إلى أعمال وجه واحد كما تجويف الرنانة (الشكلان 1 و 2). عندما يقترن الإشعاع تيراهيرتز في الدليل الموجي ويكاثر في وضع أدنى الترتيب (TE ₁₎ عرضية والكهرباء، والنتيجة هي واحدة مدوية قوية مع ميزة التردد على الرنانة الانضباطي التي تعتمد على هندسة الأخدود ^6،8. يمكن ملء هذا الأخدود مع عينات السائل غير القطبية ميكروفلويديك التي تسبب تحولا في تواتر الرنانة الملاحظة التي تعتمد على مقدار liqرقم تعريف الوحدة في الأخدود ومؤشره الانكسار ^9.

تقنية لديها ميزة على غيرها من تقنيات تيراهيرتز في بساطته، سواء في تصنيع والتنفيذ، حيث يمكن أن يتحقق الإجراء مع المعدات المختبرية القياسية دون الحاجة إلى غرفة نظيفة أو أي تلفيق خاصة أو أساليب فنية تجريبية. يمكن أيضا أن يتم توسيع بسهولة إلى عملية متعددة القنوات عن طريق دمج عدة أخاديد ^10. في هذا الفيديو سنقوم بشرح الإجراء لدينا التجريبية كاملة، من تصميم جهاز استشعار لتحليل البيانات وتحديد العينة معامل الانكسار.

Protocol

1. تصميم وتصنيع أجهزة الاستشعار

1. تصميم الدليل الموجي موازية لوحة واحدة أو أكثر تجاويف المتكاملة (أو "الأخاديد"). أنظر الشكلين 1 و 2. ويمكن أن يستند على أنه نظرا الهندسة في منشوراتنا السابقة ^8،9 أو المصممة خصيصا لتطبيق معين. ويقترح ما يلي المبادئ التوجيهية العامة:
   1. تباعد اللوحة: في هذه التجربة تم استخدام التباعد لوحة من ل1MM توصيل فعالة لوضع TE1 دون الحاجة إلى نظارات خاصة. فإنه يضمن أيضا أحادية النمط في نشر الترددات من الفائدة. عند استخدام لوحة المسافات أخرى، ينبغي النظر المتعدد الانتشار، وتشتت اقتران الكفاءة.
   2. الفواصل: تتم إدارة هذا التباعد لوحة باستخدام الفواصل العازلة. قطع صغيرة من الزجاج مع سمك موحد جدا جعل الفواصل ممتازة - في حالتنا، ونحن نستخدم شظايا من شريحة المجهر المحطمة، مع أن سمك 1 ملم + / - 3 ميكرون. حجم اللوحة: لوحات أنفسهم يجب أن تكون واسعة بما يكفي يمكن النظر فيها لانهائية بالمقارنة مع شعاع المدخلات. (في حالتنا و 4.75 سم للشعاع الطول 1.2.) يجب أن سمك كل لوحة تكون أكثر سمكا بكثير من عمق الجلد، وينصح لوحات سمكا (> 1 سم) للحد من إمكانية تمرير الطاقة فوق أو تحت الدليل الموجي والوصول إلى كاشف. يجب أن يكون طول الانتشار يكفي أن الأخدود على الأقل مرتين العرض الخاصة بها بعيدا عن المدخلات والمخرجات وجوه، ولكن الحد الأدنى للحد من التشتت.
   3. أسفل اللوحة الهندسة: للسماح لسهولة الوصول إلى الأخدود، أسفل لوحة الدليل الموجي يجب أن يكون أوسع بكثير من أعلى اللوحة، في حين أن يمتد الأخدود تقريبا (ولكن ليس تماما) على كامل عرض اللوحة. (انظر الشكل 1) وهذا يجعل من الاسهل بكثير للوصول إلى الأخدود ومراقبة مستوى التعبئة.
   4. مسامير: كل من أعلى وأسفل لوحة لديها ملحق بحيث يمكن إدراج مسامير لعقد موجةتوجيه معا دون عرقلة إما الأخاديد أو مسار الانتشار. (انظر الشكل 1) والخيوط والثقوب في أسفل لوحة في حين ليست أفضل.
   5. الهندسة تجويف: تصميم للأخدود سيعتمد على التردد المطلوب الرنانة، وlinewidth المطلوب، والتباعد لوحة المختار، من بين عوامل أخرى. فمن المهم النظر في القيود المفروضة على تقنيات التصنيع للحصول على الأخاديد الضيقة جدا أو ضحلة جدا. أخاديد متعددة للاستشعار متعددة القنوات لديها متطلبات إضافية ^10.
   6. النسخة Ungrooved: وينبغي أيضا تصميم متطابقة في كل جانب من جوانب الأخدود دون تكون ملفقة، لاستخدامها كمرجع.
2. ويمكن أن يتم تصنيع الدليل الموجي بواسطة الآلات. هام: لا تخفف حواف الصفائح، وخاصة على الوجه الإدخال. حواف مدورة هي الممارسة المعتادة في العديد من ورشات ميكانيكية لأسباب تتعلق بالسلامة ولكن ميزة تقريب على وجه المدخلات سوف تشوه الإشارة.
3. جمعيةالإجراء. بعد أن تم ملفقة الصفيحتين، ينبغي تجميعها في الدليل الموجي.
   1. استخدام الكائنات L-قوس أو غيرها من شقة لإنشاء بنية مع اثنين من الأسطح المسطحة متعامدة مع بعضها البعض. وضع لوحة أسفل على سطح أفقي واضغط عليه طرد ضد السطح العمودي. وضع الفواصل العازلة وعلى مقربة من فتحات المسامير ممكن (اثنين في المسمار، واحدة على كل جانب)، والحرص على عدم عرقلة الأخدود أو تتجاوز الوجه الإدخال.
   2. وضع بعناية مطاردة لوحة الأعلى ضد السطح الرأسي والانزلاق الى الجلوس على لوحة القاع والفواصل. عقد كلتا وحات طرد ضد السطح الرأسي، إدراج مسامير. المسمار عليهم تدريجيا في نمط بالتناوب. هذا الإجراء يؤدي إلى الدليل الموجي المدخلات ذات وجه مسطح تماما وموحدة لوحة التباعد.

2. جهاز التجريبية

هذا البروتوكول يفترض هكتار المستخدموصول إلى مطياف انتقال-هندسة الوقت المجال تيراهيرتز (في حالتنا، Picometrix T-راي 4،000) وعلى دراية الوقت المجال الحصول على الطول الموجي وتحويل فورييه إلى المجال التردد.

1. مبائر تكوين. إذا لم يكن موجودا بالفعل، ينبغي إدخال العدسات الأربع في مسار الشعاع في اتجاه مبائر من أجل توفير التركيز ضيق في منتصف الطريق.
2. وضع فتحة في مركز التنسيق. يجب أن تكون الفتحة كبيرة بما يكفي لمنع كل من الإشعاع إلا من خلال نشر الدليل الموجي. فإن حجم الفتحة تحديد حجم شعاع نشر في الدليل الموجي (في حالتنا، 12 مم).
3. المكان فورا الدليل الموجي وراء الفتحة، مع مواجهة الإدخال في اتصال مع الفتحة والدليل الموجي مع محور الانتشار الانحياز قدر الإمكان مع المحور البصري. محاذاة هنا أمر بالغ الأهمية - تأملات، والتشتت، والتباين في ترددات قطع والرنانة، وغيرها من ط قد تنشأ نتيجة لssues المحاذاة غير لائق من الدليل الموجي. استخدام حامل آمنة لضمان التنسيب للتكرار.
4. حامل حقنة: من المفيد أن يكون لها هيكل الذي يحمل حقنة في مكان بحيث يتواءم مع الطرف الأخدود. من خلال ذلك يمكنك تقليل إمكانية وقوع أخطاء في ملء بسبب حركة المحقنة في يديك.

3. تحضير العينة

1. التنظيف الداخلي: تفكيك الدليل الموجي. يغسل كل لوحات من الدليل الموجي بدقة في المذيبات المناسبة لإزالة أي بقايا من التجربة. ضربة الجافة مع الهواء المضغوط. يحشدوا كما في 1.3.
2. حقنة إعداد. للحصول على أفضل النتائج، نوصي باستخدام حقنة مختلفة لكل المواد لمنع إنتشار التلوث. إذا لم يكن ذلك ممكنا، ينبغي أيضا الحقنة تنظيفها مع المذيب نفسه.
3. ملء حقنة لملء حجم مناسب مع السائل لفحصها. محاولة للقضاء على أي فقاعات.

"jove_title"> 4. الإجراءات التجريبية

1. ضع إشارة الدليل الموجي ungrooved في الجهاز كما هو موضح في (2.3). اتخاذ الموجي المرجعية من الدليل الموجي ungrooved، ثم إزالة. هذه ليست سوى مرة واحدة كل ساعة الضرورية قليلة خلال كل دورة تجريبية، اعتمادا على الاستقرار طويل الأجل للإشارة مطياف الوقت المجال.
2. مكان نظيف الدليل الموجي مخدد في الجهاز، كما هو موضح في (2.3)
3. اتخاذ الموجي للأمواج ومخدد فارغة. ملاحظة: يجب أن يتم ذلك في كل مرة تتم إزالة الدليل الموجي وتنظيفها. يمكن لعملية التفكيك لإزالة وتؤدي إلى اختلافات صغيرة جدا في هندسة الدليل الموجي. وهذه الاختلافات تؤثر على وتيرة المطلقة الرنانة الفارغة من الأخاديد ومليئة ولكن ليس التحول الملحوظ، وبالتالي كل "الكامل" القياس يتطلب من "فارغة" الخاصة المرجعية لحساب التحول.
4. دون تحريك الدليل الموجي، وضع الحقنة في مكان شغل في حامل. ملء ببطء الأخدود، وحفظووتش إن تعبئة جيدة، مع عدم وجود فقاعات أو تجاوز. (يوصف كيفية تحديد المبلغ الصحيح التعبئة في قسم المناقشات.) اتخاذ آخر الموجي.
5. إذا كان النظام يحتوي على أكثر من الأخدود، لا تزال ملء الأخاديد واتخاذ الطول الموجي كما هو مطلوب.
6. إزالة وتنظيف الدليل الموجي (كما في الخطوة 3).
7. كرر عدة مرات حسب الضرورة. للحصول على أفضل النتائج، ينصح العديد من مجموعات البيانات لكل عينة للحد من الخطأ.

5. ممثل النتائج

تحليل البيانات من هذه الموجات واضحة ومباشرة ويمكن اتباع تقنيات المجرب المعتاد لتحويل التردد إلى المجال. يجب أطياف التردد مثل تلك الواردة في الشكل 3 نتيجة. يمكن تربيع هذه ومقسوما على إشارة الموجي للحصول على الطاقة الأطياف انتقال مثل الشكل 4. يمكن تكرار linewidth والوسطى من الأصداء للمرشد _ الموجة فارغة ومليئة تكون مeasured من هذه الأطياف، أو لا يمكن أن يؤديها يناسب Lorentzian لزيادة الدقة.

التحول الرنانة التي تسببها السائل هو مجرد الفرق بين الترددات المركزية المرصودة للالأصداء للمرشد _ الموجة فارغة والكامل. لتحويل هذا إلى قياس معامل الانكسار، يجب وضع العلاقة بين التحول وRI و. يمكن القيام بذلك عن طريق اتباع تجريبيا هذا الإجراء مع عينات من مؤشر المعروفة، أو عن طريق إجراء عمليات محاكاة حسابي لأخدود مليء عينات من المعروف مؤشر ^9، أو باستخدام تحليلي وضع تقنيات مطابقة ^8. مرة واحدة يتم إنشاء منحنى التحول مقابل RI، يمكن القياسات RI عينات غير معروفة بدقة أداء.

هناك بعض الأخطاء التي قد تحدث خاصة أثناء هذا الإجراء. يمكن فقاعات أو أخطاء في ملء الأخدود إلى الحصول على بيانات غير صحيحة أو صاخبة، وهذا هو السبب نوصي بيانات متعددة مجموعات لكل SAmple المادية. مصدر آخر من الخطأ المتكرر في موضع الدليل الموجي. إذا وضعت في الدليل الموجي المرجعية والاستشعار في محاذاة بالضبط نفس، فإن أي انعكاسات أو غيرها من الأعمال الفنية تكون هي نفسها لكلا وسوف تقسم من الطيف الإرسال. إذا المحاذاة قبالة قليلا، فإن الأفكار لا تفرق بها وسيجري الاحتفال رنين في أطياف نقل (يمكن رؤية بعض التعديلات في الشكل رنين 4). إذا كان غير مرغوب فيه لاستعادة البيانات، فمن الممكن للقضاء على هذا الرنين من تقليم الموجي الوقت المجال أمام التفكير يبدو، ولكن هذا يقلل بدرجة كبيرة من القرار الطيفية، وبالتالي يقتصر القرار معامل الانكسار أيضا.

الشكل 1. الصورة من الدليل الموجي مع الجهات ذات الصلة تميز. نلاحظ أن الأخدود لا تمديد هتم تصميم ntire طول أو عرض الدليل الموجي وهيكل الأجهزة بحيث لن تعيق تصاعد الأخدود أو مسار انتشار الإشعاع.

الشكل 2. تخطيطي من الدليل الموجي مخدد.

الشكل 3. (أ) أطياف التردد لعينة مرجعية الدليل الموجي (أسود)، والدليل الموجي مخدد مع عدم وجود تعبئة السائل (الأزرق)، والدليل الموجي مخدد مع السائل، وفي هذه الحالة tetradecane (الحمراء). وتظهر الترددات قطع للطرق TE ₁ و TE نشر 3، وكذلك خطوط امتصاص بخار الماء. (ب) المقربة من مرشد _ الموجة والأصداء لمخدد فارغة والكامل.

الرقم نقل الطاقة الكهربائية 4. الأطياف للمرشد _ الموجة ومخدد فارغة والكامل. الفرق في التردد بين الميزتين الرنانة هو التحول الرنانة (Δf)، التي تتعلق معامل الانكسار.

Discussion

تجدر الإشارة إلى أن يتم تحديد معامل انكسار السائل تحت الاختبار فقط على التردد صدى تجويف، وليس أكثر من عرض النطاق الترددي الواسع. هذا له بعض المزايا المتميزة. أولا، على الرغم من القياسات لدينا للاستفادة منها مصدرا تيراهيرتز النطاق العريض لأغراض توصيف، يمكن للمرء أيضا بناء نظام الاستشعار يعادل مع مصدر واحد THz التردد على درجة محدودة فقط من tunability تردد، وهو نهج يمكن أن يكون أقل تكلفة بكثير و أكثر إحكاما. الثانية، يمكن أن يكون بشكل متوازي نهج الاستشعار عن بعد من خلال دمج أخاديد متعددة في الدليل الموجي واحد. ^{10 في} كل أخدود سيكون له هندسة مختلفة قليلا، وبالتالي تردد مختلف عن الاستشعار عن بعد. باستخدام النطاق العريض تيراهيرتز النبض، يمكن للمرء تحديد مؤشرات الانكسار (والتحولات) بشكل مستقل ووقت واحد لعينات السائل متعددة. لن هذه القدرة المتوازية الاستشعار عن بعد إدراجها بسهولة في التقليديةالوقت المجال تيراهيرتز نظام قياس، والذي يقاس فقط سائل واحد في كل مرة.

أهم ما يشغل مع هذه التقنية التجريبية هو الاتساق والتكرار. يمكن للجمعية ووضع الدليل الموجي وحجم ملء إدخال كمية كبيرة من الخطأ إن لم يكن متسقة. يمكن الحفاظ على حجم ثابت التعبئة أن يتحقق في عدد قليل من الطرق. واحد، كما هو مبين في هذا الإجراء، هو استخدام المحاقن عالية الدقة لقياس كميات الدقيق. طريقة أخرى هي استخدام نظام ليزر التداخل لمراقبة مستوى التعبئة الفعلية في الأخدود ^9. لتحديد حجم حقنة أو أفضل ملء الطول، ويتم الحصول على أفضل النتائج عن طريق ملء الأخدود تدريجيا ورصد التحول المقابلة من ميزة الرنانة. عندما أخدود مليء وسائل لتجاوز تبدأ، وسوف تكون ميزة مدوية تردد في أدنى مستوياته. ارتفاع حجم أو ملء قبل هذا الفائض بوين / التشبعر هو الخيار الافضل ويجب معايرة التحول استجابة التردد مقابل RI من الجهاز باستخدام هذه القيمة.

هناك عدة اعتبارات رئيسية أخرى إلى جانب الجمعية والدليل الموجي حجم التعبئة. وينبغي تجنب انتقال التلوث من خلال إجراءات التنظيف الدقيق. يجب النظر للتبخر جزيئات أخف ويمكن أن يحد من القرار في هذه الحالات. يقتصر القرار RI من هذا الإجراء بشكل عام من خلال التباين بين مجموعات البيانات متعددة من نفس المادة، ولكن التحسينات في المستقبل التكرار قد يقلل من القرار إلى الحد الذي حدده القرار الطيفية للجهاز.

التحسينات المستقبلية لهذه التقنية تشمل تكييف تصميم جهاز استشعار لقناة مغلق للقضاء على الأخطاء وملء للسماح استمرار تدفق رصد وتطوير تقنية التنظيف الموثوق بها التي لا تتطلب التفكيك من الدليل الموجي. هناك بعض القيود التيالمتأصلة في هذه التقنية - مثل تقييد السوائل غير القطبية ل، وذلك بسبب امتصاص تيراهيرتز قوية من الجزيئات القطبية - ولكن البعض الآخر مثل هذا القرار والتكرار لديها القدرة لتحسن كبير. كما هو عليه، وقد أنشئت هذه التقنية كتقنية بسيطة وفعالة من حيث التكلفة للاستشعار RI والرصد، وخاصة للتطبيقات الصناعية.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
10 μl syringe	Hamilton	80314	High precision syringe
Liquid alkanes	Acros Organics		Samples for calibration and testing
No specific equipment is required. Suitable test materials and solvents are left to the experimenter's discretion. The high-precision syringes used in this procedure are listed in the table below, but the experimenter may wish to use syringes of a different volume or design, including digital syringes for improved accuracy. The test alkanes used in this experiment are also listed.