Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

חישת Terahertz Microfluidic באמצעות חיישן מוליך גל מקביל צלחת

Published: August 30, 2012 doi: 10.3791/4304

Summary

ההליך ליישום חיישן שביר לתדרי terahertz מבוססים על גיאומטרית מוליך גל חורצת מקבילת צלחת מתואר כאן. השיטה מניבה מדידה של מקדם השבירה של נפח קטן של נוזל דרך ניטור של השינוי בתדר התהודה של מבנה מוליך הגל

Abstract

מקדם שבירה (RI) חישה הוא לא פולשנית עצמה וטכניקת תווית חינם חישה לזיהוי, האיתור והניטור של דגימות microfluidic עם מגוון רחב של עיצובי חיישן אפשריים כגון התאבכות ו1,2 תהודה. רוב היישומים הקיימים RI חישה להתמקד בחומרים ביולוגיים בתמיסות מימיות בתדרים גלויים וIR, כמו הכלאת DNA ורצף הגנום. בתדרי terahertz, יישומים כוללים בקרת איכות, ניטור של תהליכים תעשייתיים וחישה ויישומי זיהוי המעורבים חומרי nonpolar.

כמה עיצובים אפשריים לחיישנים שבירים במשטר terahertz קיימים, כולל גלבו פוטוניים גביש 3, תהודה מפוצלת טבעת סימטרית 4, ומבני פער להקה פוטוניים משולב גלבו מקביל צלחת 5. רבים מעיצובים אלה מבוססים על תהודה אופטית כגון טבעותאו עששת. את תדר התהודה של מבנים אלו הם תלויים במקדם השבירה של החומר או סביב המהוד. על ידי מעקב אחר השינויים בתדר תהודת מקדם השבירה של דגימה ניתן למדוד במדויק וזה בתורו יכול לשמש לזיהוי חומר, לפקח על זיהום או דילול, וכו '

עיצוב החיישן אנו משתמשים כאן מבוססים על מוליך גל פשוט מקבילת צלחת 6,7. חריץ מלבני מעובדים למעשים 1 פנים כחלל תהודה (תרשימי 1 ו 2). כאשר קרינת terahertz מצמידה למוליך הגל ומתפשט במצב הנמוך ביותר מסדר רוחבי החשמלי (1 TE), התוצאה היא תכונת תהודה חזקה אחד עם תדר תהודה מתכונן שתלוי בגיאומטריה של חריץ 6,8. גרוב זה יכול להיות מלא עם דגימות נוזליות microfluidic nonpolar הגורמים לשינוי בתדר התהודה נצפה שתלוי בכמות של liqUID בחריץ והאינדקס שלו השביר 9.

הטכניקה שלנו יש יתרון על פני שיטות אחרות terahertz בפשטות שלו, הוא בייצור ויישום, שכן יכול להתבצע בהליך עם ציוד מעבדה סטנדרטי ללא צורך בחדר נקי או כל ייצור מיוחד או ניסיוני בטכניקות. כמו כן, ניתן להרחיב בקלות לפעולה רב על ידי שילוב של חריצים מרובים 10. בוידאו זה יתאר הליך הניסוי המלא שלנו, מהעיצוב של החיישן לניתוח וקביעת מקדם שבירת מדגם הנתונים.

Protocol

1. עיצוב וייצור חיישן

  1. עצב מוליך גל מקביל צלחת עם חללים משולבים אחד או יותר (או "חריצים"). ראה איורים 1 ו 2. גיאומטריה עשויה להיות מבוססת על שניתן בפרסומים הקודמים שלנו 8,9 או תוכננה במיוחד ליישום מסוים. העקרונות המנחים הכלליים הבאים מוצעים:
    1. ריווח פלייט: בניסוי זה מרווח צלחת של 1 מ"מ משמש לצימוד יעיל למצב TE1 ללא צורך באופטיקה מיוחדת. זה גם מבטיח התקדמות במצב יחיד בתדירויות של עניין. בעת שימוש בspacings צלחת אחר, יעילות הפצה, פיזור וצימוד multimode צריכה להיחשב.
    2. מפרידים: מרווח צלחת זה מנוהל באמצעות מפרידים דיאלקטרי. חתיכות קטנות של זכוכית עם עובי אחיד מאוד לעשות מפרידים מצוינים - במקרה שלנו, אנו משתמשים ברסיסים משקופית מיקרוסקופ מרוסקת, עם יש עובי של מ"מ 1 + / - 3 מיקרומטר. גודל צלחת: הצלחות בעצמם צריכות להיות רחבות מספיק שהם יכולים להיחשב אינסופיים בהשוואה לקורה הקלט. (במקרה שלנו, 4.75 סנטימטר לקורה סנטימטרים 1.2). העובי של כל צלחת חייב להיות הרבה יותר עבה מעומק העור, וצלחות עבות (> 1 סנטימטר) מומלצות כדי לצמצם את האפשרות של אנרגיה עוברת מעל או מתחת למוליך הגל ולהגיע לגלאי. אורך רבייה צריך להיות מספיק שהגרוב הוא לפחות כפול מהרוחב מהקלט ופלט הפנים שלו, אבל כדי להפחית את הפיזור ממוזער.
    3. גיאומטרית צלחת תחתונה: כדי לאפשר גישה נוחה לחריץ, צלחת מוליך הגל התחתונה צריכה להיות משמעותי יותר מאשר הצלחת העליונה, בעוד החריץ משתרע כמעט (אבל לא לגמרי) את כל הרוחב של הצלחת. (ראה תרשים 1) זה עושה את זה הרבה יותר קל לגשת לחריץ ולפקח על הרמה של מילוי.
    4. ברגים: שניהם צלחת תחתונה עליון ויש להם סיומת כך שברגים עשויים להיות מוכנסים להחזיק גלתנחה יחד ללא הפרעה או החריצים או את נתיב ההתקדמות. (ראה תרשים 1) החורים בצלחת התחתונה מוצגים ברצף ואילו חלק העליון הם לא.
    5. גיאומטרית חלל: עיצוב לחריץ יהיה תלוי בתדר הרצוי תהודה, linewidth הרצוי, ואת מרווח הצלחת הנבחרת, בין יתר. חשוב לקחת בחשבון את המגבלות של טכניקות הייצור שלך לחריצים צרים מאוד או רדודים מאוד. חריצים מרובים לחישה רבה ערוציים יש דרישות נוספות 10.
    6. גרסת Ungrooved: עיצוב זהה בכל היבט, בלי חריצים צריכה להיות גם מפוברקת, כדי לשמש כנקודת התייחסות.
  2. המצאה של מוליך הגל יכול להיעשות על ידי מכונה. חשוב: לא מקהה את הקצוות של הצלחות, במיוחד על פניו הקלט. קצוות מעוגלים הם מקובלים בחנויות מכונית רבות מטעמי בטיחות, אבל קצה מעוגל על ​​פני הקלט יעוות את האות.
  3. עצרתהליך. אחרי שתי הצלחות היו מפוברקות, הם צריכים להיות מורכבים מוליך הגל.
    1. להשתמש באובייקטי L-סוגריים או אחרים שטוחים כדי ליצור מבנה עם שני משטחים שטוחים ניצבים זה לזה. הנח את הצלחת התחתונה על המשטח האופקי ולחץ אותו לשטוף כנגד המשטח האנכי. הנח את המפרידים דיאלקטרי כמו לסגור את חורי ברגים ככל האפשר (שניים לכל בורג, אחד בכל צד), נזהר שלא להפריע לחריץ או להאריך מעבר לפנים הקלט.
    2. בזהירות להניח סומק הצלחת העליונה נגד המשטח האנכי וחלק אותו כלפי מטה כדי לשבת על הצלחת ומפרידים התחתונים. מחזיקים שתי הצלחות לשטוף כנגד המשטח האנכי, הכניסו את הברגים. הברג אותם בהדרגה בתבנית לסירוגין. הליך זה מוביל למוליך גל עם פן קלט שטוחים לחלוטין וריווח צלחת אחיד.

2. מתקן ניסויי

פרוטוקול זה מניח חה המשתמשהגישה של לספקטרומטר תחום בזמן שידור terahertz-גיאומטריה (במקרה שלנו, Picometrix 4000 T-Ray) ומכירה קבלת גל תחום בזמן ופורה הפיכה לתדר התחום.

  1. תצורת confocal. אם לא קיימים כבר 4 עדשות צריכות להיות הציגה לתוך נתיב הקרן באורינטצית confocal על מנת לספק התמקדות חזקה באמצע הנתיב.
  2. הנח צמצם בנקודת המוקד. הצמצם צריך להיות גדול מספיק כדי לחסום את כל הקרינה ממתפשטת אלא דרך מוליך הגל. גודל הצמצם יקבע את גודל האלומה מתפשט במוליך הגל (במקרה שלנו, 12 מ"מ).
  3. מקום מוליך גל מייד מאחורי הצמצם, עם פן הקלט במגע עם הפתח ועם ציר התפשטות מוליך הגל מיושר, ככל האפשר, עם הציר האופטי. היישור כאן הוא קריטי - השתקפויות, פיזור, גיוון בתדרים החתוכים ומהדהדים, ואני אחר ssues עלולה להתעורר עקב יישור לא תקין של מוליך הגל. השתמש בעל מאובטח להבטיח מיקום שחזור.
  4. בעל מזרק: כדאי לי מבנה שמחזיק את המזרק במקום, כך שהקצה מיושר עם החריץ. בכך אתה יכול לצמצם את האפשרות של טעויות במילוי עקב התנועה של המזרק בידות שלך.

3. לדוגמא הכנה

  1. ניקוי נוהל: לפרק את מוליך הגל. שטוף את שתי הצלחות של מוליך גל יסודיות בממס מתאים כדי להסיר שאריות מהניסוי. לפוצץ יבש עם אוויר דחוס. להרכיב מחדש כמו ב1.3.
  2. מזרק הכנה. לקבלת תוצאות הטובות ביותר, אנו ממליצים על שימוש במזרק שונה עבור כל חומר למניעת זיהום צולב. אם זה לא אפשרי, מזרק צריך גם לנקות עם אותו הממס.
  3. מלא מזרק למילוי הנפח מתאים עם הנוזל כדי להיבדק. נסה לחסל את כל בועות.

"Jove_title"> 4. הליך ניסוי

  1. הנח את מוליך גל התייחסות ungrooved במנגנון כפי שמתואר ב( 2.3). קח waveform התייחסות של מוליך גל ungrooved, ולאחר מכן להסיר. הדבר נדרש רק אחת לכמה שעות בכל מפגש ניסיוני, בהתאם ליציבות לטווח הארוך של אות ספקטרומטר התחום בזמן.
  2. הנח מוליך גל מחורץ נקי במנגנון, כפי שתואר ב( 2.3)
  3. קח גל למוליך הגל החורץ הריק. הערה: יש לעשות זאת בכל פעם שמוליך הגל מוסר וניקה. התהליך של הסרה ופירוק יכול להוביל לשינויים קטנים מאוד בגיאומטריה של מוליך הגל. וריאציות אלה ישפיעו על תדר התהודה המוחלט של החריצים הריקים ומלאים, אך לא נצפו במשמרות, ולכן כל מדידה "מלאה" מחייבת ההתייחסות שלו "הריקה" כדי לחשב את השינוי.
  4. מבלי להזיז את מוליך גלים, הניח את המזרק המלא במקום בבעל. לאט לאט למלא את הגרוב, שמירהלצפות שהמילוי הוא טוב, ללא בועות או גלישה. (כיצד לקבוע את כמות המילוי הנכונה מתואר בסעיף הדיון.) קח את צורת גל אחר.
  5. אם למערכת יש חריץ אחד או יותר, להמשיך למלא חריצים וצורות גל לוקח כרצונך.
  6. הסר מוליך גל ולנקות (כמו בשלב 3).
  7. חזור כמה פעמים לפי צורך. לקבלת תוצאות הטובות ביותר, במספר קבוצות נתונים עבור כל דגימה מומלצות לצמצם את השגיאה.

5. נציג תוצאות

ניתוח נתונים של צורות גל אלה הוא פשוט ויכול לעקוב הטכניקות הרגילות של הנסיין להפיכה לתחום התדר. ספקטרום תדרים כגון אלה הניתנים באיור 3 אמור לגרום. אלה יכולים להיות בריבוע ומחולקים בצורת גל ההתייחסות להשיג ספקטרום העברת חשמל כגון איור 4. תדירות linewidth והמרכזית של תהודות עבור גלבו הריק ומלא יכולה להיות מ 'easured מהספקטרום הללו, או התקפים הלורנצי ניתן לבצע כדי להגביר את הדיוק.

משמרת התהודה נגרמת על ידי הנוזל היא רק ההבדל בין התדרים המרכזיים הנצפים של תהודות עבור גלבו הריק ומלא. כדי להמיר את זה למדידה מקדם שבירה, את הקשר בין השינוי וRI צריך לקום. זה יכול להיעשות באופן ניסיוני על ידי ביצוע הליך זה עם דגימות של מדד ידוע, או מחשוב על ידי ביצוע סימולציות של הגרוב מלא בדוגמאות של מדד ידוע 9, או בוחן שימוש במצב התאמה של טכניקות 8. לאחר שינוי לעומת עקומת RI הוא הקים, מדידות הר"י דגימות ידועות ניתן לבצע באופן מדויק.

יש כמה טעויות מסוימות אשר עלולים להתרחש במהלך הליך זה. בועות או טעויות במילוי של החריץ יכולות לגרום לנתונים רועשים או שגויים, ולכן אנו ממליצים על ערכות נתונים מרובות עבור כל sample חומר. מקור שכיח נוסף של טעות הוא במיקום של גלבו. אם בגלבו ההתייחסות והחיישן ממוקמים בדיוק באותו המערך, השתקפויות כלשהן או ממצאים אחרים תהיינה זהה לשניהם ותחלקנה מתוך ספקטרום השידור. אם היישור הוא מעט כבוי, ההשתקפויות לא תחלקנה את הצלצול ויהיה ניתן לצפות בשידור הספקטרום (צלצול קטין מסוים שניתן לראות באיור 4). אם אין זה רצוי לכבוש מחדש את הנתונים, ניתן לחסל את צלצול זה על ידי זמירת גל התחום בזמן לפני ההשתקפות מופיעה, אבל זה מקטין באופן משמעותי את הרזולוציה ספקטרלית ולכן רזולוצית השבירה מוגבלת גם כן.

איור 1
איור 1. תצלום של מוליך הגל עם חלקים רלוונטיים מסומנים. שימו לב שהגרוב לא להאריך את הדוארהאורך או רוחב של מוליך הגל ומבנה ntire מתוכנן כך שהרכבת החומרה לא לחסום את החריץ או את הנתיב של התפשטות קרינה.

איור 2
איור 2. סכמטי של מוליך הגל החורץ.

איור 3
איור 3. (א) ספקטרום תדרי דוגמה למוליך גל ההפניה (שחור), מוליך הגל החורץ ללא מילוי נוזלי (כחול), ומוליך הגל מחורצת עם נוזל, במקרה זה tetradecane (אדום). תדרי החיתוך ל1 TE ו3 מצבי ריבוי TE נראים לעין, וכך גם קווי מי האדים הקליטים. (ב) התצלום מקרוב של את התהודה לגלבו מחורץ הריק ומלא.

איור 4 איור 4. ספקטרום העברת כוח לגלבו מחורץ הריק ומלא. ההבדל בתדירות בין שתי תכונות התהודה הוא שינוי התהודה (Δf), המתייחס למקדם השבירה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

יש לציין כי מקדם השבירה של הנוזל נבדק נקבע רק בתדר של תהודת החלל, לא על רוחב פס רחב. זו יש כמה יתרונות ברורים. ראשית, למרות שהמדידות שלנו עשו שימוש במקור terahertz פס רחב למטרות אפיון, אפשר גם לבנות מערכת חישה מקבילה עם מקור בתדר יחיד THz עם רק מידה מוגבלת של tunability תדירות, גישה שיכולה להיות הרבה פחות יקרה ו קומפקטי יותר. שנית, גישת החישה ניתן parallelized על ידי שילוב של חריצים מרובים למוליך גל אחד. 10 כל חריץ יהיה גיאומטריה קצת שונה, ולכן תדר שונה לחישה. באמצעות דופק terahertz פס רחב, ניתן לקבוע מדדים שבירים (ומשמרות) באופן עצמאי ובו זמנית לדגימות נוזלות מרובות. יכולת חישה מקבילה זה לא תהיה לשלב בקלות לתוך קונבנציונלימערכת תחום בזמן terahertz מדידה, שבו רק נוזל יחיד נמדד בכל פעם.

הנושא החשוב ביותר בטכניקה ניסויית זה הוא עקביות ואת דירות. ההרכבה והמיקום של מוליך הגל ונפח המילוי יכולים להציג כמות גדולה של שגיאה אם ​​לא עקבית. שמירה על נפח מילוי עקבי יכול להתבצע בכמה דרכים. אחד, כפי שניתן לראות בהליך זה, הוא להשתמש במזרקי דיוק גבוה למדידת כמויות מדויקות. שיטה נוספת היא להשתמש במערכת ליזר interferometric כדי לפקח על רמת המילוי בפועל בחריץ 9. כדי לקבוע את עוצמת הקול הטובה ביותר מזרק או למלא גובה, את התוצאות הטובות ביותר מתקבלות על ידי מילוי הדרגת הגרוב וניטור השינוי המקביל תכונת התהודה. כאשר החריץ מלא והנוזל מתחיל לעלות על גדותיו, תכונת התהודה תהיה בתדר הנמוך ביותר שלה. גובה הנפח או למלא רק לפני הצפה / רווית פואנקרה זהt הוא הבחירה הטובה ביותר ושינוי התדר לעומת תגובת RI של המכשיר צריך להיות מכויל באמצעות ערך זה.

ישנם מספר שיקולים מרכזיים אחרים מלבד הרכבת מוליך הגל ונפח מילוי. חוצת זיהום יש להימנע באמצעות הליכי ניקוי קפדניים. אידוי חייב להיחשב למולקולות קלות ויכול להגביל את ההחלטה במקרים אלה. רזולוצית RI של הליך זה באופן כללי היא מוגבלת על ידי את השונות בין סדרות נתונים מרובות של אותו החומר, אבל לשיפורים עתידיים בדירות עשויים להפחית את הרזולוציה לגבול שנקבע ע"י הרזולוציה ספקטרלית של המנגנון.

שיפורים עתידיים לטכניקה זו כוללים התאמת עיצוב החיישן לערוץ סגור כדי למנוע טעויות תדלוק ולאפשר זרימה רציפה ניטור ופיתוח טכניקת ניקוי אמין שאינו דורש פירוק של מוליך הגל. יש כמה מגבלות שהם אינהרנטי לטכניקה - כמו הגבלה לנוזלי nonpolar, עקב ספיגת terahertz חזקה על ידי מולקולות קוטביות - אך אחרים כגון רזולוציה ואת הדירות יש פוטנציאל לשיפור ניכר. כפי שהיא עומדת, טכניקה זו כבר נקבעה כטכניקה פשוטה וחסכונית לחישת RI וניטור, במיוחד עבור יישומים תעשייתיים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין ניגודי האינטרסים הכריזו.

Acknowledgments

פרויקט זה מומן בחלקו על ידי הקרן הלאומי למדע ועל ידי מעבדת המחקר של חיל האוויר במסגרת התכנית ליצירת הקשר.

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kuswandi, B., Nuriman,, Huskens, J., Verboom, W. Optical sensing systems for microfluidic devices: A review. Ana. Chim. Acta. 601, 141-155 (2007).
  2. Zhu, H., White, I. M., Suter, J. D., Zourob, M., Fan, X. Integrated refractive index optical ring resonator detector for capillary electrophoresis. Anal. Chem. 79, 930-937 (2007).
  3. Kurt, H., Citrin, D. S. Coupled-resonator optical waveguides for biochemical sensing of nanoliter volumes of analyte in the terahertz region. Appl. Phys. Lett. 87, 241119 (2005).
  4. Debus, C., Bolivar, P. H. Frequency selective surfaces for high sensitivity terahertz sensing. Appl. Phys. Lett. 91, 184102 (2007).
  5. Harsha, S. S., Laman, N., Grischkowsky, D. High-Q terahertz Bragg rsonances within a metal parallel plate waveguide. Appl. Phys. Lett. 94, 091118 (2009).
  6. Mendis, R., Mittleman, D. M. Comparison of the lowest-order transverse-electric (TE1) and transverse-magnetic (TEM) modes of the parallel-plate waveguide for terahertz pulse applications. Optics Express. 17, 14839-14850 (2009).
  7. Mendis, R., Mittleman, D. M. An investigation of the lowest-order transverse-electric (TE1) mode of the parallel-plate waveguide for THz pulse propagation. JOSA B. 26, A6-A13 (2009).
  8. Astley, V., McCracken, B., Mendis, R. Analysis of rectangular resonant cavities in terahertz parallel-plate waveguides. Opt. Lett. 36, 1452 (2011).
  9. Mendis, R., Astley, V., Liu, J., Mittleman, D. M. Terahertz microfluidic sensor based on a parallel-plate-waveguide resonant cavity. Appl. Phys. Lett. 95, 171113 (2009).
  10. Astley, V., Reichel, K., Jones, J., Mendis, R. Terahertz multichannel microfluidic sensor based on parallel-plate waveguide resonant cavities. Appl. Phys. Lett. , Forthcoming (2012).

Tags

פיסיקה גיליון 66 הנדסת חשמל הנדסת מחשבים קרינת Terahertz חישה microfluidic חיישן שביר מוליך גל חישה אופטית
חישת Terahertz Microfluidic באמצעות חיישן מוליך גל מקביל צלחת
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Astley, V., Reichel, K., Mendis, R., More

Astley, V., Reichel, K., Mendis, R., Mittleman, D. M. Terahertz Microfluidic Sensing Using a Parallel-plate Waveguide Sensor. J. Vis. Exp. (66), e4304, doi:10.3791/4304 (2012).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter