Terahertz Microfluidic Sensing bruker en parallell-plate Waveguide Sensor

Summary

Fremgangsmåten for implementering av en brytningsindeks sensor for terahertz frekvenser basert på en rillet parallell-plate waveguide geometri er beskrevet her. Metoden gir en måling av brytningsindeksen for et lite volum av væske gjennom overvåking av skift i resonansfrekvensen for bølgelederstruktur

Abstract

Brytningsindeks (RI) sensing er en kraftig noninvasive og label-fri sensing teknikk for identifisering, deteksjon og overvåking av microfluidic prøver med et bredt spekter av mulige sensor design som interferometre og resonatorer ^1,2. Fleste av de eksisterende RI sensing applikasjoner fokusere på biologiske materialer i vandige oppløsninger i synlige og IR frekvenser, for eksempel DNA-hybridisering og genomsekvensering. På terahertz frekvenser, bruksområder er kvalitetskontroll, overvåking av industrielle prosesser og sensing og deteksjon søknader som involverer upolare stoffer.

Flere potensielle design for brytningsindeks sensorer i terahertz regime eksisterer, inkludert fotoniske krystaller waveguides ^3, asymmetriske split-ring resonatorer ⁴ og fotoniske band gap strukturer integrert i parallell-plate bølgeledere ^5. Mange av disse motiver er basert på optiske resonatorer slik som ringereller hulrom. Resonans frekvenser av disse strukturene er avhengig brytningsindeksen av materialet i eller rundt resonatoren. Ved å overvåke endringer i resonansefrekvensen brytningsindeksen av en prøve kan måles nøyaktig, og dette i sin tur kan brukes til å identifisere et materiale, overvåke kontaminering eller fortynning, osv.

Sensoren motivet vi bruker her er basert på en enkel parallell-plate bølgelederen ^6,7. Et rektangulært spor maskinert inn en face fungerer som en resonanskavitet (figurene 1 og 2). Når terahertz stråling er koplet inn i bølgelederen og forplanter i laveste-ordens tverrgående-elektrisk (TE _1)-modus, er resultatet en enkelt sterk resonans funksjonen med en avstembar resonansfrekvens som er avhengig av geometrien av sporet ^6,8. Denne rillen kan fylles med upolare flytende microfluidic prøvene som forårsaker et skifte i den observerte resonansfrekvens som avhenger av mengden av liquid i sporet og dens brytningsindeks ^ni.

Vår teknikk har en fordel fremfor andre terahertz teknikker i sin enkelhet, både i fabrikasjon og gjennomføring, siden prosedyren kan utføres med standard laboratorieutstyr uten behov for et rent rom eller noen spesiell fabrikasjon eller eksperimentelle teknikker. Det kan også lett utvides til flerkanals drift ved inkorporering av flere spor ^10. I denne videoen vil vi beskrive vår komplette eksperimentell prosedyre, fra utformingen av sensoren til dataanalyse og bestemmelse av prøven brytningsindeks.

Protocol

1. Sensor design og fabrikasjon

1. Utforme en parallell-plate bølgeleder med en eller flere integrerte hulrom (eller "riller"). Se figurene 1 og 2. Geometri kan være basert på det som er gitt i våre tidligere publikasjoner ^8,9 eller spesielt utformet for den aktuelle applikasjonen. Følgende generelle veiledende prinsippene er foreslått:
   1. Plateavstand: I dette forsøk en plateavstand på 1mm brukes for effektiv kobling til TE1 modus uten behov for spesiell optikk. Det sikrer også single-modus forplantning på frekvensene av interesse. Ved bruk av andre plate spacings bør multimode formering, dispersjon og koplingsvirkningsgrad vurderes.
   2. Avstandsstykker: Denne plateavstand opprettholdes ved hjelp av dielektriske avstandsstykker. Små biter av glass med svært jevn tykkelse gjør gode avstandsstykker - i vårt tilfelle, vi bruker skår fra en knust objektglass, med en tykkelse på 1 mm + / - 3 mikrometer. Platestørrelse: Platene selv bør være bred nok til at de kan betraktes uendelig sammenlignet til inngangen strålen. (I vårt tilfelle, 4,75 cm for en 1,2 cm bjelke.) Må tykkelsen på hvert plate være mye tykkere enn huden dybde og tykkere plater (> 1 cm) anbefales for å redusere muligheten av energi passerer over eller under bølgelederen og nå detektoren. Forplantning lengden skal være nok til at sporet er minst to ganger sin egen bredde bort fra inn-og utgang ansikter, men minimerte å redusere dispergering.
   3. Bunnplaten Geometri: For å tillate enkel tilgang til sporet, bør bunnen waveguide platen være betydelig bredere enn den øverste plate, mens sporet strekker nesten (men ikke helt) hele bredden av platen. (Se figur 1) Dette gjør det mye enklere å få tilgang til sporet og overvåke nivået av fylling.
   4. Skruer: Både topp og bunnplate har en forlengelse slik at skruer kan innføres for å holde bølgenveilede sammen uten å hindre enten riller eller forplantning banen. (Se figur 1) Hullene i bunnplaten er gjenget mens toppen er ikke.
   5. Hulrom Geometri: Design for sporet vil avhenge av den ønskede resonansfrekvens ønsket linewidth, og valgt plateavstand, blant andre faktorer. Det er viktig å vurdere begrensninger av dine fabrikasjon teknikker for svært smale eller svært grunt spor. Flere spor for flerkanals sensing har tilleggskrav ^10.
   6. Ungrooved Version: en design identiske i alle aspekter UTEN et spor bør også fremstilles, for å bli brukt som en referanse.
2. Fabrikasjon av bølgelederen kan gjøres ved maskinering. VIKTIG: Ikke sløv kantene av platene, spesielt på input ansiktet. Avrundede kanter er standard praksis i mange maskinverksteder sikkerhetsmessige grunner men en avrundet kant på input ansikt vil forvrenge signalet.
3. MonteringProsedyren. Etter de to platene har blitt fabrikkert, bør de settes sammen til bølgelederen.
   1. Bruk en L-brakett eller annen flate gjenstander for å skape en struktur med to flate overflater vinkelrett til hverandre. Plasser bunnplaten på den horisontale flaten og trykk den helt inntil vertikale overflaten. Plasser de dielektriske avstandsstykker så nær skruehullene som mulig (to per skrue, en på hver side), være forsiktig med å hindre sporet eller at den strekker seg inn ansiktet.
   2. Plasser den øverste platen flush mot den vertikale overflaten og skyv det ned til å sitte på bunnplaten og avstandsstykker. Holding begge platene helt inntil vertikal overflate, setter skruene. Skru dem ned trinnvis i et vekslende mønster. Denne fremgangsmåten fører til en bølgeleder med en helt flat inngang ansikt og ensartet plateavstand.

2. Eksperimentelle enheter

Denne protokollen forutsetter at brukeren has tilgang til en overføring-geometri terahertz tid-domene spektrometer (i vårt tilfelle, Picometrix T-Ray 4000) og er kjent med å skaffe tid-domene kurver og Fourier transformere til frekvens-domene.

1. Confocal konfigurasjon. Hvis det ikke allerede er tilstede, bør fire linser innføres i strålebanen i en konfokal orientering for å tilveiebringe et stramt fokus ved midtpunktet av banen.
2. Plasser en åpning i navet. Blenderen bør være stort nok til å blokkere all stråling fra forplanter unntatt gjennom bølgelederen. Størrelsen på blenderåpningen avgjør bjelketykkelse forplanter seg i bølgelederen (i vårt tilfelle, 12 mm).
3. Plass waveguide umiddelbart bak åpningen, med input ansiktet i kontakt med åpningen, og med bølgelederen forplantning aksen justert så tett som mulig med den optiske aksen. Justeringen her er kritisk - refleksjoner, spredning, variasjon i cut-off og resonans frekvenser, og andre jegssues kan oppstå på grunn av feil justering av waveguide. Bruk en sikker holder for å sikre lik plassering.
4. Sprøyteholderen: det er nyttig å ha en struktur som holder sprøyten på plass slik at spissen er på linje med sporet. Ved å gjøre dette kan du redusere muligheten for feil i fyllet grunnet bevegelse av sprøyten i hendene.

3. Prøvepreparering

1. Rengjøring Fremgangsmåte: Demonter waveguide. Vaske begge plater av bølgelederen grundig i et passende løsningsmiddel for å fjerne eventuelle rester fra eksperimentet. Blås tørt med trykkluft. Reassemble som i 1.3.
2. Sprøyte forberedelse. For best mulig resultat anbefaler vi at du bruker en annen sprøyte for hvert materiale for å hindre krysskontaminering. Hvis dette ikke er mulig, bør sprøyten også vaskes med det samme løsningsmiddel.
3. Fyll sprøyten til passende fyllingsvolum med væsken som skal testes. Prøv å eliminere eventuelle bobler.

1. Plasser ungrooved referanse waveguide i anordningen som beskrevet i (2,3). Ta en referanse bølgeform av ungrooved waveguide, deretter fjerne. Dette er bare nødvendig en gang i noen timer og i løpet hver eksperimentell sesjon, avhengig langtidsstabil av tiden-domenet spektrometer signal.
2. Plasser ren grooved waveguide i apparatet, som er beskrevet i (2.3)
3. Ta en bølgeform for den tomme grooved waveguide. MERK: Dette må gjøres hver gang waveguide fjernes og rengjøres. Prosessen med fjerning og demontering kan føre til svært små variasjoner i geometrien av bølgelederen. Disse variasjoner vil påvirke den absolutte resonansfrekvensen av de tomme og fylte spor, men ikke den observerte skift, derfor hver "full" måling krever sin egen "tom" referanse til beregne skift.
4. Uten å flytte waveguide, sette sprøyte på plass i holderen. Fyll sakte sporet, holdese at fyll er bra, med ingen bobler eller oversvømmelse. (Slik finner du riktig fyll beløpet er beskrevet i diskusjon delen.) Ta et bølgeform.
5. Hvis systemet har mer enn ett spor, fortsette å fylle sporene og tar bølgeformer som ønsket.
6. Fjern waveguide og rengjør (som i trinn 3).
7. Gjenta så mange ganger som nødvendig. For best resultat, er flere datasett for hver prøve anbefales å redusere feilen.

5. Representant Resultater

Data analyse av disse kurvene er grei og kan følge eksperimentator er vanlige teknikker for å transformere til frekvens domene. Frekvensområdet slik som de i figur 3 skal resultere. Disse kan være skåret og dividert med referanse bølgeform å skaffe kraftoverføring spektra eksempel Figur 4. Den linewidth og sentrale frekvensen av resonansen for tomme og fulle bølgeledere kan være measured fra disse spektra, eller Lorentzian anfall kan utføres for å øke nøyaktigheten.

Den resonant skift forårsaket av væsken er bare forskjellen mellom de observerte sentrale frekvenser av resonanser for tomme og fulle bølgeledere. Å konvertere denne til en brytningsindeks måling, må forholdet mellom skift og RI bli etablert. Dette kan gjøres eksperimentelt ved å følge denne prosedyren med prøver av kjente indeks, eller beregningsmessig ved å gjennomføre simuleringer av sporet fylt med prøver av kjent indeks ^9, eller analytisk bruker modus-matchende teknikker ^8. Når et skifte mot RI kurven er etablert, kan RI målinger av ukjente prøvene nøyaktig utført.

Det er noen spesielle feil som kan oppstå i løpet av denne prosedyren. Bobler eller feil i utfylling av sporet kan resultere i støy eller feil data, og det er derfor vi anbefaler flere datasett for hver sample materiale. Annen hyppig feilkilde er i plassering av bølgelederne. Dersom referanse-og sensor bølgeledere plasseres i nøyaktig samme innretting, vil eventuelle refleksjoner eller andre gjenstander er den samme for begge og vil dele ut av overføringen spekteret. Hvis justeringen er litt av, vil refleksjoner ikke splitte ut og ringing vil bli observert i overføringen spektra (noen mindre ringing kan sees i figur 4). Hvis det ikke er ønskelig å gjenerobre dataene, er det mulig å eliminere denne ringingen ved trimming tid-domenet bølgeform før refleksjonen vises, men dette reduserer den spektrale oppløsningen og derfor brytningsindeksen oppløsning begrenses også.

Figur 1. Fotografi av waveguide med relevante deler merket. Merk at sporet ikke forlenger entire lengde eller bredde av bølgelederen og strukturen er utformet slik at festeanordningen ikke vil blokkere sporet eller banen av stråling forplantning.

Figur 2. Skjematisk av grooved waveguide.

Figur 3. (A) Eksempel frekvens spektra for referansen bølgelederen (svart), den rillete bølgeleder med ingen væske fyllingene (blått), og den rillete bølgelederen med væske, i dette tilfelle tetradecane (rød). Er cut-off frekvenser for TE ₁ og TE 3 forplantning moduser vist, som er vanndamp absorpsjon linjer. (B) Nærbilde av resonansen for tomme og fulle sporete bølgeledere.

Figur 4. Kraftoverføring spektra for de tomme og fulle sporete bølgeledere. Forskjellen i frekvens mellom de to resonans funksjonene er resonant skift (Af), som relaterer seg til brytningsindeks.

Discussion

Det bør bemerkes at brytningsindeksen for væsken under test bestemmes bare ved frekvensen av hulrommet resonans, ikke over en bred båndbredde. Dette har noen klare fordeler. Først, selv om våre målinger har gjort bruk av en bredbåndstilkobling terahertz kilde for karakterisering formål, kunne man også bygge en tilsvarende sensing system med en enkelt-frekvens THz kilde med bare en begrenset grad av frekvens tunability, en tilnærming som kan være mye billigere og mer kompakt. Sekund, kan det sensing tilnærming være parallelliserte ved inkorporering flere spor i en enkelt bølgeleder. ¹⁰ Hvert spor ville ha en litt annen geometri, og derfor en annen frekvens for å avføle. Ved hjelp av en bredbåndstilkobling terahertz puls, kan man bestemme brytningsindekser (og skift) selvstendig og samtidig for flere væskeprøver. Denne parallelle triggere ikke ville bli lett innarbeides i en konvensjonelltid-domene terahertz målesystem, hvor bare en enkelt væske måles samtidig.

Den viktigste bekymringen med denne eksperimentelle teknikken er konsistens og repeterbarhet. Montering og plassering av bølgelederen og fylling volum kan innføre en stor mengde av feil hvis ikke konsekvent. Opprettholde en konsekvent fyllvolum kan oppnås på flere måter. En, som vist i denne prosedyren, er å bruke høy presisjon sprøyter til måle nøyaktige volumer. En annen metode er å bruke en laser interferometrisk system for å overvåke den faktiske fyllmengde i sporet ^9. Å bestemme den beste sprøytevolum eller fyll høyde, blir de beste resultatene oppnådd ved gradvis fylle sporet og overvåke den tilsvarende forskyvning av det resonante funksjonen. Når sporet er full og væsken begynner å renne over, vil det resonante funksjonen være på sitt laveste frekvens. Volumet eller fylle høyde like før denne overløp / metning point er det beste valget og frekvensforskyvning vs RI respons av apparatet skal kalibreres ved hjelp av denne verdi.

Det er flere andre viktige hensyn i tillegg til waveguide montering og fylling volum. Krysskontaminering bør unngås gjennom grundig rengjøring prosedyrer. Fordampning må vurderes for lettere molekyler og kan begrense oppløsningen i disse tilfellene. RI oppløsning av denne prosedyren generelt er begrenset av variasjonen mellom flere datasett av samme materiale, men fremtidige forbedringer i repeterbarheten kan redusere oppløsningen til grensen som er satt av den spektral oppløsning av anordningen.

Fremtidige forbedringer for denne teknikken omfatter tilpasse sensoren motivet til en lukket kanal for å eliminere feil fylling og for å tillate kontinuerlig flyt overvåking og utvikle en pålitelig rengjøring teknikk som ikke krever demontering av bølgelederen. Det er noen begrensninger somer iboende til teknikken - for eksempel at kun upolare væsker, på grunn av sterk terahertz absorpsjon av polare molekyler - men andre som oppløsning og repeterbarhet har potensial for betydelig forbedring. Som det står, er denne teknikken er etablert som en enkel og kostnadseffektiv metode for RI sensing og overvåking, særlig for industrielle applikasjoner.

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.