Terahertz Mikrofluidenheder Sensing hjælp af en parallel-plade Waveguide Sensor

Summary

Reglerne til gennemførelse et brydningsindeks sensor til terahertz hyppigheder baseret på en rillet parallel-plade-bølgeleder geometri er beskrevet her. Fremgangsmåden giver en måling af brydningsindekset for en lille mængde væske gennem overvågning af skift i resonansfrekvensen af ​​bølgelederstruktur

Abstract

Brydningsindeks (RI) sensing er en kraftfuld noninvasive og etiket-fri sensing teknik til identifikation, sporing og overvågning af mikrofluid prøver med en bred vifte af mulige sensor designs såsom interferometre og resonatorer ^1,2. De fleste af de eksisterende RI sensing applikationer fokuserer på biologiske materialer i vandige opløsninger i synlige og infrarøde frekvenser, såsom DNA-hybridisering og genomsekvensering. Hos terahertz frekvenser, nævnes applikationer kvalitetskontrol, overvågning af industrielle processer og sensing og detektion applikationer, der involverer ikke-polære materialer.

Flere potentielle motiver til brydningsindeksværdier sensorer i terahertz regime findes, herunder fotoniske krystal bølgeledere ^3, asymmetriske split-ring resonatorer ⁴ og fotoniske båndgab strukturer integreret i parallel-plade bølgeledere ^5. Mange af disse konstruktioner er baseret på optiske resonatorer, såsom ringeeller hulrum. Resonansfrekvenserne af disse strukturer afhænger af brydningsindekset for materialet i eller omkring resonatoren. Ved at overvåge ændringerne i resonansfrekvens brydningsindekset for en prøve kan måles nøjagtigt, og dette kan igen anvendes til at identificere et materiale, overvåge kontaminering eller fortynding, etc.

Sensoren design vi bruger her, er baseret på en simpel parallel-plade-bølgeleder ^6,7. En rektangulær rille udformet i en flade virker som et resonanshulrum (figur 1 og 2). Når terahertzstråling kobles til bølgelederen og udbreder sig i den laveste ordens tværgående elektriske (TE ₁₎ modus, er resultatet en enkelt stærk resonant element med en indstillelig resonansfrekvens, der er bestemt af geometrien af sporet ^6,8. Denne rille kan fyldes med upolære flydende mikrofluid prøver, der forårsager et skift i den observerede resonansfrekvens, der afhænger af mængden af ​​liquid i rillen og dets brydningsindeks ^ni.

Vor teknik har en fordel frem for andre terahertz teknikker i sin enkelhed, både i fremstilling og anvendelse, idet den procedure kan udføres med standard laboratorieudstyr uden behov for et rent rum eller en særlig fremstilling eller eksperimentelle teknikker. Det kan også let udvides til multichannel drift ved inkorporering af flere riller ^10. I denne video vil vi beskrive vores komplette forsøgsmetoden, fra design af sensoren til dataanalyse og bestemmelse af prøvens brydningsindeks.

Protocol

1. Sensor Design og produktion

1. Designe en parallel-plade-bølgeleder med en eller flere integrerede hulrum (eller "render"). Se figur 1 og 2.. Geometri kan være baseret på, at i betragtning i vores tidligere publikationer ^8,9 eller er specielt konstrueret til den pågældende anvendelse. Følgende generelle principper er foreslået:
   1. Plade Spacing: Ved dette forsøg en plade afstand på 1 mm anvendes til effektiv kobling til TE1 tilstand uden behov for særlige optik. Det sikrer også single-mode udbredelse ved frekvenser af interesse. Ved brug af andre plade mellemrum, bør multimode formering, dispersion og koblingseffektivitet overvejes.
   2. Spacers: Denne plade afstand opretholdes ved hjælp af dielektriske afstandsstykker. Små stykker glas med meget ensartet tykkelse gør glimrende afstandsstykker - i vores tilfælde bruger vi skårene fra en knust mikroskopobjektglas, med en tykkelse på 1 mm + / - 3 um. Pladestørrelse: Pladerne selv bør være brede nok til, at de kan betragtes uendelig forhold til indgangsstrålen. (I vores tilfælde, 4,75 cm for en 1,2 cm stråle.) Skal tykkelsen af ​​hver plade være meget tykkere end indtrængningsdybden, og tykkere plader (> 1 cm) anbefales for at reducere muligheden for energi, der passerer over eller under bølgelederen og når detektoren. Propagation længde bør være tilstrækkeligt at rillen er mindst to gange sin egen bredde væk fra input-og output flader, men minimeret for at reducere dispersion.
   3. Bottom Plate Geometri: at give mulighed for nem adgang til rillen, bør bunden bølgeleder pladen være væsentligt bredere end den øverste plade, medens rillen strækker sig næsten (men ikke helt) hele bredden af ​​pladen. (Se figur 1) Dette gør det meget nemmere at få adgang til rillen og overvåge fyldningsgrad.
   4. Skruer: Både top-og bundplade har en udvidelse, så skruer kan indsættes for at holde den bølgelede sammen uden at hindre enten rillerne eller udbredelsesvej. (Se figur 1) Hullerne i bundpladen er skruet mens top ikke er.
   5. Cavity Geometri: Design for rillen vil afhænge af den ønskede resonansfrekvens, den ønskede liniebredde, og den valgte plade afstanden, blandt andre faktorer. Det er vigtigt at overveje de begrænsninger af dine fremstillingsteknik for meget smalle eller meget lavvandet riller. Flere spor til multikanal sensing har yderligere krav ^10.
   6. Ungrooved Version: et design identisk i enhver henseende uden en rille bør også fremstilles, der skal anvendes som reference.
2. Fremstilling af bølgelederen kan udføres ved bearbejdning. VIGTIGT: ikke sløve kanterne af pladerne, især på input ansigt. Afrundede kanter er normal praksis i mange maskinværksteder af sikkerhedsmæssige årsager, men en afrundet kant på input ansigt vil forvrænge signalet.
3. AssemblyProcedure. Efter de to plader er blevet fremstillet, bør de blive samlet til bølgelederen.
   1. Brug et L-beslag eller andre flade genstande for at skabe en struktur med to flade overflader vinkelret på hinanden. Læg bundpladen på den vandrette overflade, og tryk den flugter med den lodrette overflade. Placer de dielektriske afstandsstykkerne så tæt på skruehullerne som muligt (to pr skrue, en på hver side), og pas på ikke at hindre rille eller at strække sig ud over input ansigt.
   2. Placer forsigtigt den øverste plade flugter den lodrette flade og skub det ned at sidde på den nederste plade og afstandsstykker. Holding begge plader flugter lodret flade, sæt skruerne. Skru dem ned trinvist i et skiftende mønster. Denne procedure fører til en bølgeleder med en perfekt plan indgangsflade og ensartet plade afstand.

2. Forsoegsopstillingen

Denne protokol formode, at brugeren has adgang til en transmissions-geometri terahertz tid-domæne spektrometer (i vores tilfælde Picometrix T-Ray 4.000) og er fortrolig med at få tidsdomæne bølgeformer og Fourier transformation til frekvens-domæne.

1. Konfokal konfiguration. Hvis der ikke allerede er til stede, bør fire linser indføres i strålevejen i et konfokalt orientering for at tilvejebringe en tæt fokuseret på midtpunktet af kurven.
2. Placer en åbning i brændpunktet. Åbningen skal være stort nok til at blokere al stråling fra formerings undtagen gennem bølgelederen. Størrelsen af ​​åbningen vil bestemme strålestørrelse udbreder sig i bølgelederen (i vores tilfælde, 12 mm).
3. Sted bølgeleder umiddelbart bag åbningen, med indgangsflade i kontakt med åbningen, og med bølgelederen propagation akse ligger så tæt som muligt med den optiske akse. Tilpasningen her er kritisk - refleksioner, dispersion, variation i de cut-off og resonant frekvenser og andre issues kan opstå på grund af ukorrekt tilpasning af bølgelederen. Brug en sikker holder til at sikre gentagelige PLACERING.
4. Sprøjteholderen: er det nyttigt at have en struktur, der holder sprøjten på plads, således at spidsen ligger på linie med rillen. Ved at gøre dette kan du reducere muligheden for fejl i fyldet på grund af bevægelse af sprøjten i dine hænder.

3. Prøvefremstilling

1. Rengøring Fremgangsmåde: Skil bølgelederen. Vask begge plader af bølgelederen grundigt i et passende opløsningsmiddel for at fjerne eventuelle rester af forsøget. Blæs tør med trykluft. Saml som i 1,3.
2. Sprøjte Forberedelse. For de bedste resultater anbefaler vi at bruge en anden sprøjte for hvert materiale for at undgå krydskontaminering. Hvis dette ikke er muligt, bør sprøjten også rengøres med det samme opløsningsmiddel.
3. Fyld sprøjte til passende fyldvolumen med væsken, der skal testes. Prøv at fjerne eventuelle bobler.

1. Placer ungrooved henvisning bølgeleder i apparatet, som beskrevet i (2.3). Tag en henvisning bølgeform af den ungrooved bølgeleder, og fjern derefter. Dette er kun nødvendigt en gang hvert par timer i løbet af hver eksperimentel session, afhængigt af den langsigtede stabilitet af tidsdomænet spektrometer signal.
2. Anbring ren rillede bølgeleder i et apparat, som beskrevet i (2.3)
3. Tag en bølgeform for den tomme rillede bølgeleder. BEMÆRK: Dette skal gøres hver gang bølgelederen fjernes og rengøres. Processen med fjernelse og adskillelse kan føre til meget små variationer i geometrien af ​​bølgelederen. Disse variationer vil påvirke den absolutte resonansfrekvensen for de tomme og fyldte riller, men ikke den observerede skift, og derfor hver "fuld" måling kræver sin egen "tomme" reference for beregningen af ​​skiftet.
4. Uden at bevæge bølgeleder, sætte den fyldte sprøjte på plads i holderen. Fyld langsomt rillen og holderse, at fyldet er godt, med ingen bobler eller overløb. (Hvordan til at bestemme det korrekte fyld beløb er beskrevet i Discussion afsnit.) Tag en anden bølgeform.
5. Hvis systemet har mere end en rille, fortsætte fyldning riller og tager bølgeformerne som ønsket.
6. Fjern bølgeleder og rens (som i trin 3).
7. Gentag så mange gange som nødvendigt. De bedste resultater, er der flere datasæt for hver prøve anbefales at reducere fejlen.

5. Repræsentative resultater

Dataanalyse af disse bølgeformer er ligetil og kan følge eksperimentatoren sædvanlige teknikker til transformation til frekvensdomænet. Frekvensspektre såsom dem anført i figur 3 bør resultere. Disse kan forenes og divideres med henvisning bølgeform til opnåelse kraftoverførsel spektre såsom figur 4. Den liniebredde og centrale frekvens af resonanserne for de tomme og fulde bølgeledere kan measured fra disse spektre, eller Lorentz anfald kan udføres for at øge nøjagtigheden.

Den resonante forskydning forårsaget af lagen kun forskellen mellem de observerede centrale frekvenser af resonanserne for tomme og fulde bølgeledere. At konvertere dette til et brydningsindeks måling skal forholdet mellem skift og RI etableres. Dette kan gøres eksperimentelt ved at følge denne fremgangsmåde med prøver med kendt indeks, eller beregningsmæssigt ved at gennemføre simuleringer af rillen fyldt med prøver af kendte indeks ^9, eller analytisk bruger modus-matchende teknikker ^8. Når et skift mod RI kurve er etableret, kan RI målinger af ukendte prøver nøjagtigt udført.

Der er nogle få særlige fejl, der kan forekomme under denne procedure. Bobler eller fejl i fyldning af rillen kan resultere i støjende eller forkerte data, hvilket er hvorfor vi anbefaler flere datasæt for hver sample materiale. En anden hyppig fejlkilde er i anbringelsen af ​​bølgelederne. Hvis referencen og sensorens bølgeledere er placeret i nøjagtig samme tilpasning, vil alle overvejelser eller andre artefakter være de samme for begge og vil dele ud af transmissionsspektret. Hvis justeringen er en smule off, vil overvejelser ikke dele ud og ringning vil blive observeret i transmissionsspektre (nogle mindre ringen kan ses i figur 4). Hvis det ikke er ønskeligt at genvinde dataene, er det muligt at fjerne denne ringen ved at trimme tidsdomæne bølgeformen før refleksion vises, men det reducerer den spektrale opløsning, og derfor brydningsindekset opløsningen er begrænsede.

Fig. 1. Fotografi af bølgelederen med relevante markerede dele. Bemærk, at rillen ikke forlænger entire længde eller bredde af bølgelederen, og strukturen er udformet således, at monteringsbeslagene vil ikke hindre rille eller banen for strålingen formering.

Figur 2. Skematisk af den rillede bølgeleder.

Figur 3. (A) Prøve frekvensspektre for referencen bølgeleder (sort), den rillede bølgeleder uden flydende fyld (blå), og den rillede bølgeleder med væske, i dette tilfælde tetradecan (rød). Grænsefrekvenserne for TE ₁ og TE 3 formering tilstande er vist, som er vanddamp absorptionslinjer. (B) Nærbillede af resonanserne for de tomme og fulde rillede bølgeledere.

Figur 4. Power transmission spektre for de tomme og fulde rillede bølgeledere. Forskellen i frekvens mellem de to resonante egenskaber er resonant skift (Af), som vedrører brydningsindekset.

Discussion

Det skal bemærkes, at brydningsindekset for væsken under test bestemmes udelukkende ved frekvensen af ​​hulrummet resonans, ikke over en stor båndbredde. Det har et par klare fordele. Det første, selv vores målinger har gjort brug af en bredbåndsforbindelse terahertz kilde til karakteriseringsformål kunne man også bygge et tilsvarende sensing system med en enkelt frekvens THz kilde med kun en begrænset grad af frekvens justerbarhed, en tilgang, der kunne være meget billigere og mere kompakt. For det andet kan den aktive fremgangsmåde paralleliseret ved inkorporering af flere riller i en enkelt bølgeleder. ^10. Hver rille ville have en lidt anden geometri, og derfor en anden frekvens til afføling. Ved hjælp af en bredbåndsforbindelse terahertz puls, kan man bestemme brydningsindeks (og forandringer) selvstændigt og samtidigt for flere væskeprøver. Denne parallelle sensing evne ville ikke let inkorporeres i et konventionelttidsdomæne terahertz målesystem, hvor kun en enkelt flydende måles ad gangen.

Den vigtigste bekymring med denne eksperimentelle teknik er konsistens og repeterbarhed. Montering og placering af bølgelederen og fyldvolumen kan indføre en stor mængde af fejl, hvis ikke konsekvent. Opretholde en konsekvent påfyldningsvolumen kan udføres på flere måder. One, som vist i denne procedure, er at bruge høj præcision sprøjter til at måle præcise mængder. En anden fremgangsmåde er at anvende en laser interferometrisk system til overvågning af selve påfyldningsniveau i rillen ^9. At bestemme den bedste sprøjtevolumen eller fyld højden, er de bedste resultater opnået ved gradvis at udfylde rillen og overvåge den tilsvarende forskydning af den resonante funktion. Når rillen er fuld, og væsken begynder at løbe, vil den resonante træk være på sit laveste frekvens. Volumen eller udfylde højde lige før denne overflow / mætning point er det bedste valg og den frekvens skift vs RI svaret fra enheden bør kalibreres ved hjælp af denne værdi.

Der er flere andre vigtige overvejelser udover bølgeleder samling og påfyldning volumen. Krydskontaminering bør undgås gennem omhyggelig rengøring procedurer. Fordampning skal overvejes til lettere molekyler og kan begrænse opløsningen i disse tilfælde. RI opløsning af denne procedure generelt er begrænset af variationen mellem flere datasæt af samme materiale, men fremtidige forbedringer i repeterbarhed kan reducere opløsningen til den grænse, der fastsættes af den spektrale opløsning af apparatet.

Fremtidige forbedringer for denne teknik omfatter tilpasning af sensor design til en lukket kanal for at fjerne påfyldning fejl og for at tillade kontinuerlig strømning overvåge og udvikle en pålidelig rengøring teknik, der ikke kræver adskillelse af bølgelederen. Der er nogle begrænsninger,er uløseligt forbundet med den teknik - såsom begrænsning polære væsker, på grund af stærk terahertz absorption af polære molekyler - men andre, såsom opløsning og repeterbarhed har potentiale for betydelige forbedringer. Som det er nu, har denne teknik blevet etableret som en enkel og omkostningseffektiv metode til RI sensing og overvågning, især til industrielle applikationer.

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.