Waiting
Login processing...

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

Engineering

Терагерцового Микрофлюидных зондирования с помощью плоского волновода датчика

Published: August 30, 2012 doi: 10.3791/4304

Summary

Порядок осуществления преломления датчик индекс для терагерцового частот на основе рифленой плоского волновода геометрии описано здесь. Метод дает измерение показателя преломления небольшого объема жидкости через мониторинг сдвиг резонансной частоты волновода структуры

Abstract

Показатель преломления (RI) зондирование является мощным неинвазивным и без наклеек чувствительный метод для обнаружения, идентификации и мониторинга микрофлюидных образцов с широким спектром возможных конструкций датчика, например, интерферометров и резонаторов 1,2. Большинство существующих RI зондирования сосредоточиться на биологических материалов в водных растворах в видимой и ИК частоты, такие как гибридизация ДНК и генома. В терагерцовом частот, приложения включают контроль качества, контроль производственных процессов и зондирование и обнаружение приложений, связанных неполярных материалов.

Несколько потенциальных проектов для преломления датчики индекса в терагерцового режима существуют, в том числе фотонный кристалл 3 волноводов, асимметричный сплит-кольцевых резонаторов 4, и фотонные структуры запрещенной зоны интегрированы в параллельных пластин волноводов 5. Многие из этих конструкций на основе оптических резонаторов, такие как кольцаили полости. Резонансные частоты этих структур зависит от показателя преломления материала в или вокруг резонатора. Наблюдая за изменениями в резонансной частоты показатель преломления образца может быть точно измерена, и это в свою очередь может быть использована для идентификации материала, мониторинг загрязнения или разведения и т.д.

Датчик дизайна мы используем здесь, основана на простом плоского волновода 6,7. Прямоугольный паз обрабатывается в одном лице выступает в качестве резонатора (рис. 1 и 2). Когда терагерцового излучения связано в волновод и распространяется в низшем порядке поперечно-электрических (ТЕ 1) режим, в результате одного сильного резонансного функцию с перестраиваемой резонансной частотой, которая зависит от геометрии паза 6,8. Эта канавка может быть заполнен неполярных жидких микрофлюидных образцы, которые вызывают сдвиг наблюдаемой резонансной частотой, зависящей от количества жидкостьUID в паз и ее показатель преломления 9.

Наша техника имеет преимущество перед другими методами терагерцовой в своей простоте, как в изготовлении и реализации, так как эта процедура может быть выполнена с помощью стандартного лабораторного оборудования без необходимости в чистую комнату или любой специальный изготовление или экспериментальных методов. Она также может быть легко расширена до многоканальных операций путем включения нескольких канавок 10. В этом видео мы расскажем о нашей полной экспериментальной процедуры, от проектирования датчика к анализу данных и определение показателя преломления образца.

Protocol

1. Дизайн и изготовление датчиков

  1. Конструкция плоского волновода с одним или более интегрированной полости (или "канавки"). См. рисунки 1 и 2. Геометрия может быть основано на что дано в наших предыдущих публикациях 8,9 или специально разработанные для конкретного приложения. Следующие общие руководящие принципы предложил:
    1. Планки: В этом эксперименте планки в 1 мм используется для эффективного взаимодействия в режим TE1 без необходимости использования специальной оптики. Она также обеспечивает одномодовый распространения на частотах интерес. При использовании других расстояний пластины, многомодовый эффективность распространения, дисперсию и связи должны быть рассмотрены.
    2. Распорки: Этот планки осуществляется с использованием диэлектрических прокладок. Небольшие кусочки стекла с очень равномерной толщины делают отличные прокладки - в нашем случае, мы используем осколки от разрушенной стекло микроскопа, с имеют толщину 1 мм + / - 3 мкм. Размер плиты: плиты сами должны быть достаточно широкими, чтобы их можно было считать бесконечной по сравнению с входного пучка. (В нашем случае, 4,75 см на 1,2 см пучком.) Толщина каждой пластины должна быть намного толще, чем толщина скин-слоя, и более толстыми пластинами (> 1 см) рекомендуется уменьшить вероятность энергии, проходящей выше или ниже волновода и достигающих детектора. Распространение длина должна быть достаточной, чтобы паз, по крайней мере в два раза свою ширину от входного и выходного лица, но сведено к минимуму, чтобы уменьшить дисперсию.
    3. Геометрия нижней плиты: Для обеспечения легкого доступа к канавке, нижняя пластина волновода должна быть значительно шире, чем верхняя пластина, в то время как радиальные простирается почти (но не совсем) по всей ширине пластины. (См. рисунок 1) Это делает его гораздо легче получить доступ к канавке и контролировать уровень наполнения.
    4. Винты: верхней и нижней пластины имеют расширения, так что винты могут быть вставлены, чтобы держать волнуРуководства вместе, не препятствуя ни канавки или пути распространения. (См. рисунок 1) отверстия в нижней пластине с резьбой в то время как верхний нет.
    5. Полость Геометрия: Дизайн для паза будет зависеть от желаемого резонансная частота, желаемая ширина линии, и выбрали планки, среди прочих факторов. Это важно учитывать ограничения вашего технологическим процессом для очень узкой или очень неглубокие бороздки. Многочисленные канавки для многоканального зондирования имеют дополнительные требования 10.
    6. Ungrooved версии: дизайн идентичны в каждом аспекте без паза должна быть изготовлена, которые будут использоваться в качестве ссылки.
  2. Изготовление волноводов может быть сделано путем механической обработки. ВАЖНО: не тупые края пластин, в частности, на входе лицо. Закругленные края являются стандартной практикой во многих магазинах машину по соображениям безопасности, но округлые края на входе лицо будет искажать сигнал.
  3. СборкаПроцедуры. После двух пластин были сфабрикованы, они должны быть собраны в волновод.
    1. Используйте L-образный кронштейн или другие плоские объекты, чтобы создать структуру с двумя плоскими поверхностями, перпендикулярными друг другу. Поместите нижнюю пластину на горизонтальную поверхность и нажмите на него вплотную к вертикальной поверхности. Поместите диэлектрической прокладки как можно ближе к отверстию, насколько возможно (по два на винт, по одной с каждой стороны), соблюдая осторожность, чтобы не препятствовать канавки или выходят за пределы входа лицо.
    2. Аккуратно положите верхнюю пластину заподлицо с вертикальной поверхности и сдвиньте ее вниз, чтобы сидеть на нижней пластины и прокладки. Холдинг обе плиты вплотную к вертикальной поверхности, вставьте винты. Винтовые их вниз постепенно в чередуются. Эта процедура приводит к волновод с идеально плоской поверхности входных и равномерное расстояние пластины.

2. Экспериментальный аппарат

Этот протокол предполагает, что пользователь гас доступом к передаче геометрии терагерцового временной области спектрометра (в нашем случае, Picometrix T-Ray 4.000) и знаком с получением временной области сигналов и преобразование Фурье в частотной области.

  1. Конфокальной конфигурации. Если уже нет, четыре линзы должны быть введены в пути луча в конфокальной ориентации для того, чтобы обеспечить плотный фокус в середине пути.
  2. Поместите диафрагмы в фокальной точке. Диафрагма должна быть достаточно большой, чтобы заблокировать все излучения, распространяющегося только через волновод. Размер диафрагмы будет определять размер пучка, распространяющегося в волноводе (в нашем случае 12 мм).
  3. Место волновода непосредственно за диафрагмой, с входным лица в контакте с диафрагмой и с осью волноводного распространения выровнен как можно ближе с оптической осью. Выравнивание здесь имеет решающее значение - отражения, дисперсии, вариации в обрезания и резонансных частот, и других яОПРОСЫ могут возникнуть из-за неправильного выравнивания волновода. Используйте безопасные держателем для обеспечения REPEATABLE РАЗМЕЩЕНИЯ.
  4. Шприц держателя: это полезно иметь структуру, которая держит шприц на место так, чтобы кончик совмещена с канавкой. Делая это, вы можете снизить вероятность ошибок в заполнении из-за движения шприцем в руках.

3. Подготовка проб

  1. Процедура очистки: Разберите волновода. Промойте обе пластины волновода полностью в соответствующем растворителе для удаления остатков из эксперимента. Продуйте сжатым воздухом. Соберите как и в 1.3.
  2. Подготовка шприца. Для достижения наилучших результатов, мы рекомендуем использовать различные шприцы для каждого материала, чтобы предотвратить перекрестное загрязнение. Если это невозможно, то шприцем также должны быть очищены с тем же растворителем.
  3. Заполните шприц соответствующий объем заполнения с жидкостью для тестирования. Попробуйте устранить любые пузыри.

  1. Поместите ungrooved волновода ссылкой на аппарат, как описано в (2,3). Возьмите опорного сигнала из ungrooved волновода, а затем удалить. Это необходимо только раз в несколько часов во время каждой экспериментальной сессии, в зависимости от долгосрочной стабильности во временной области спектрометра сигнал.
  2. Поместите чистую канавками волновода в аппарат, как описано в (2,3)
  3. Возьмите сигнала для пустой рифленый волновода. ПРИМЕЧАНИЕ: Это должно быть сделано каждый раз, когда волновод удаляется и очищается. Процесс снятия и разборки может привести к очень небольшие изменения в геометрии волновода. Эти изменения повлияют на абсолютную резонансную частоту пустых и заполненных канавками, но не наблюдаемый сдвиг, поэтому каждое "полное" измерение требует своих "пустых" ссылок для расчета сдвига.
  4. Без перемещения волновода, положите заполненный шприц на место в держатель. Медленно заполните паз, сохранивследить за тем, заливка хорошо, без пузырьков или переполнения. (Как определить правильное заполнение суммы описано в разделе Обсуждение). Возьмем другой сигнал.
  5. Если в системе имеется более одного паза, продолжить заполнение канавок и принимать сигналы как хотелось бы.
  6. Удалить волновода и очистить (как в шаге 3).
  7. Повторите столько раз, сколько необходимо. Для достижения наилучших результатов нескольких наборов данных для каждого образца рекомендуется уменьшить ошибку.

5. Представитель Результаты

Данные анализа этих сигналов является простым и может следовать обычным методам экспериментатора для преобразования в частотной области. Частотные спектры наподобие тех, что на Рисунке 3 должна привести. Они могут быть квадрат и делится на опорного сигнала для получения энергии спектров пропускания, таких как рис 4. Ширина линии и центральная частота резонанса для пустой и полной волноводов может быть мeasured из этих спектров, или лоренцевы приступы могут быть выполнены для повышения точности.

Резонансный сдвиг, вызванный жидкость только разница между наблюдаемой центральной частоты резонанса для пустой и полной волноводов. Чтобы преобразовать это измерение индекса преломления, отношения между сдвигом и RI должны быть установлены. Это можно сделать экспериментально после этой процедуры с образцами известных индекс, или вычислительно путем проведения моделирования паз заполнен образцами известно индекс 9, или аналитически, используя режим методы сопоставления 8. После того, как сдвиг по сравнению с кривой RI установлено, RI измерения неизвестных образцов может быть точно выполнены.

Есть несколько конкретных ошибок, которые могут возникнуть во время этой процедуры. Пузыри или ошибки в заполнении паза может привести к шумным или неверных данных, поэтому мы рекомендуем нескольких наборов данных для каждой SAmple материала. Другой частый источник ошибок в размещении волноводов. Если ссылка волноводов и датчик находятся в точно такой же выравнивание, любые размышления или других артефактов будет такой же, как и разделим из спектра пропускания. Если выравнивание немного выключено, отражение не будет делить, и звон будет наблюдаться в спектрах пропускания (некоторые незначительные звон можно увидеть на рисунке 4). Если это не желательно, чтобы вернуть данные, можно устранить этот звон путем обрезки временной области сигнала до отражения появляется, но это значительно снижает спектральное разрешение и, следовательно, преломления резолюции индекс ограничены.

Рисунок 1
Рисунок 1. Фотография волновода с соответствующими частями обозначены. Обратите внимание, что паз не распространяется электроннойntire длины или ширины волновода и структура устроена так, что крепеж не будет препятствовать канавки или пути распространения излучения.

Рисунок 2
Рисунок 2. Схема рифленой волновода.

Рисунок 3
Рисунок 3. (А) Пример частотного спектра для ведения волновода (черный), рифленые волновода без жидкости заполнения (синий), и рифленые волновода с жидкостью, в данном случае тетрадекана (красный). Частоты среза для TE 1 и TE 3 режима распространения показано, как и вода линий поглощения паров. (Б) Крупным планом резонансов для пустой и полной рифленой волноводов.

Рисунок 4 Рисунок 4. Мощности спектров пропускания для пустой и полной рифленой волноводов. Разница в частоте между двумя резонансными особенностей является резонансным сдвига (Δf), который относится к показателю преломления.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Следует отметить, что показатель преломления жидкости при тесте определяется только на частоте резонансной полости, не более широкую полосу пропускания. Это имеет несколько явных преимуществ. Во-первых, хотя наши измерения воспользовались широкополосный источник терагерцового для характеристики целей, можно было бы также построить эквивалентную зондирования системы с одной частотой ТГц источника только в ограниченной степени частоты управляемость, подход, который может быть намного дешевле и более компактным. Во-вторых, чувствительного подхода можно распараллелить путем включения нескольких пазов в одном волноводе. 10 Каждая канавка будет иметь несколько иную геометрию и, следовательно, различные частоты для восприятия. Использование широкополосного терагерцового импульса, можно определить показатели преломления (и смены) независимо и одновременно для нескольких жидких образцов. Эта параллель зондирования возможности не будет легко включены в обычныевременной области терагерцового измерительная система, в которой только одна жидкость измеряли в то время.

Наиболее важной проблемой с этой экспериментальной техники является последовательность и повторяемость. Сборка и размещение волновода и объем заполнения можно ввести большое количество ошибку, если не соответствует. Поддержание согласованного объема заполнения может быть выполнена несколькими способами. Один из них, как показано в этой процедуре, является использование высокоточного шприцы для измерения точного объема. Другой метод заключается в использовании лазерных интерферометрических системы мониторинга фактического уровня заполнения паза 9. Для определения лучших шприц объемом или заполнить высоту, наилучшие результаты получаются постепенно заполняя паз и контроля за соответствующий сдвиг резонансной функцией. Когда канавка является полным и жидкость начинает переполняться, резонансная функция будет на самой низкой частоте. Объем или заполнить высоту как раз перед этим переполнения / насыщенность Пуанкарет является лучшим выбором и сдвиг частоты по сравнению с RI реакции устройства должны быть откалиброваны с помощью этого значения.

Есть несколько других ключевых соображений, кроме сборки волноводов и заполнения объема. Перекрестное загрязнение следует избегать путем тщательного процедур очистки. Испарение должны быть рассмотрены для более легких молекул и может ограничить разрешение в этих случаях. RI решение этой процедуры в целом ограничена различия между несколькими наборами данных из того же материала, но будущие улучшения в повторяемости может уменьшить разрешение до предела, установленного спектральное разрешение прибора.

Дальнейшее совершенствование этой методики включают адаптацию датчика дизайн закрытого канала для устранения ошибки заполнения и для обеспечения непрерывного потока мониторинга и разработки надежный способ очистки, который не требует разборки волновода. Есть некоторые ограничения, которыеприсущих техники - такие, как ограничения на неполярных жидкостей, из-за сильного поглощения терагерцового на полярных молекул - но другие, такие как разрешение и повторяемость имеют потенциал для значительного улучшения. Как можно заметить, эта техника была создана в качестве простой и экономически эффективный способ RI зондирования и мониторинга, в частности, для промышленного применения.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Нет конфликта интересов объявлены.

Acknowledgments

Этот проект был частично поддержана Национальным научным фондом, а также исследований лаборатории военно-воздушных сил через контакт программе.

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

Физика выпуск 66 электротехника вычислительная техника терагерцового излучения зондирование микрофлюидных показатель индекса датчика волноводы оптические зондирования
Терагерцового Микрофлюидных зондирования с помощью плоского волновода датчика
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