Sensoriamento terahertz microfluídicos usando um sensor de guia de onda de placas paralelas

Summary

O procedimento para a implementação de um sensor de índice de refração para as frequências terahertz com base em uma geometria de guia de onda com ranhuras de placas paralelas é descrito aqui. O método proporciona uma medição do índice de refracção de um pequeno volume de líquido através de um controlo do desvio da frequência ressonante da estrutura de guia de ondas

Abstract

Índice de refracção (RI) de detecção não invasiva é um poderoso e etiqueta sem técnica de detecção para a detecção, identificação e controlo de amostras de microfluidicos com uma vasta gama de modelos de sensores interferómetros possíveis, tais como ressoadores e ^1,2. A maioria das aplicações da detecção RI existente concentrar em materiais biológicos em soluções aquosas de frequências visíveis e IR, tais como hibridação de DNA e sequenciamento do genoma. Em freqüências de terahertz, as aplicações incluem o controle de qualidade, acompanhamento de processos industriais e de sensoriamento e aplicações de detecção envolvendo materiais apolares.

Vários projetos potenciais para sensores de índice de refração no regime terahertz existem, incluindo guias de cristal fotônico ^3, assimétricas divisão anel ressonadores ⁴ e estruturas de gap fotônico banda integrados em paralelo placa-guias de onda ^5. Muitos destes modelos são baseados em ressonadores ópticos, tais como anéisou cavidades. As frequências de ressonância dessas estruturas são dependentes do índice de refracção do material em ou em torno do ressonador. Através da monitorização das alterações na frequência de ressonância do índice de refracção de uma amostra pode ser medida com precisão e isto por sua vez pode ser usado para identificar um material, monitorar a contaminação ou diluição, etc

O projeto do sensor que usamos aqui é baseado em um guia de onda de placas paralelas simples ^6,7. A ranhura retangular usinados em um funciona como um cavidade ressonante (Figuras 1 e 2). Quando a radiação terahertz é acoplado ao guia de ondas e propaga-se no ponto mais baixo de ordem transversal modo eléctrico (TE _1), o resultado é um recurso único forte, com uma frequência ressonante sintonizável ressonante que é dependente da geometria da ranhura de ^6,8. Esta ranhura pode ser preenchido com amostras de líquidos não polares microfluidicos que causam uma mudança na frequência de ressonância observado que depende da quantidade de liquid na ranhura e o seu índice de refracção ^9.

A nossa técnica tem uma vantagem sobre as técnicas terahertz outros na sua simplicidade, tanto na fabricação e execução, uma vez que o procedimento pode ser realizado com material de laboratório padrão, sem a necessidade de uma sala de limpeza ou qualquer fabricação especial ou técnicas experimentais. Ele também pode ser facilmente expandido para a operação de múltiplos canais através da incorporação de ranhuras múltiplas ^10. Neste vídeo iremos descrever o nosso procedimento experimental completo, a partir do desenho do sensor para a análise de dados e a determinação do índice de refracção da amostra.

Protocol

1. Projeto e Fabricação de sensor

1. Concepção de um guia de ondas de placas paralelas com uma ou mais cavidades ou integrados ("fendas"). Ver Figuras 1 e 2. Geometria pode ser baseada no que foi referido nas nossas publicações anteriores ^8,9 ou especialmente concebido para a aplicação em particular. Os seguintes princípios gerais orientadores são sugeridas:
   1. O espaçamento da placa: Nesta experiência um espaçamento entre as placas de 1 mm é utilizado para o acoplamento eficaz com o modo TE1 sem a necessidade de lentes especiais. Ele também garante um único modo de propagação nas freqüências de interesse. Quando se utiliza outros espaçamentos da placa, a eficiência de dispersão de propagação, e acoplamento multimodo devem ser considerados.
   2. Espaçadores: Este espaçamento entre as placas é mantida através de espaçadores dieléctricos. Pequenos pedaços de vidro com espessura muito uniforme fazer espaçadores excelentes - no nosso caso, usamos fragmentos a partir de uma lâmina de microscópio despedaçado, com uma espessura de 1 mm + / - 3 mm. Tamanho da placa: As placas próprias devem ser largos o bastante para que eles podem ser considerados em comparação com o infinito feixe de entrada. (No nosso caso, 4,75 centímetros de uma viga de 1,2 cm.) A espessura de cada uma das placas deve ser muito mais espessa do que a profundidade da pele, e as placas mais grossas (> 1 cm) são recomendados para reduzir a possibilidade de energia que passa por cima ou por baixo do guia de ondas e alcançar o detector. Comprimento de propagação deve ser suficiente para que a ranhura é pelo menos duas vezes a sua largura própria para longe da entrada e as faces de saída, mas minimizado, para reduzir a dispersão.
   3. Geometria Placa inferior: A fim de permitir um acesso fácil ao canal, a placa de guia de onda inferior deve ser significativamente maior do que a placa de topo, enquanto que a ranhura se estende quase (mas não completamente) a toda a largura da placa. (Ver Figura 1) Isso torna muito mais fácil de acessar o ritmo e monitorar o nível de enchimento.
   4. Parafusos: Ambos superior e placa de fundo têm uma extensão de modo que os parafusos podem ser inseridas para segurar a ondaguiar em conjunto, sem obstruir as ranhuras quer ou o caminho de propagação. (Ver Figura 1) Os orifícios na placa de fundo são enfiados topo enquanto não são.
   5. A geometria da cavidade: Design for a ranhura irá depender da frequência ressonante desejada, a largura de linha desejada, e o espaçamento entre as placas escolhido, entre outros factores. É importante considerar as limitações de suas técnicas de fabricação de ranhuras muito estreitas ou muito superficial. Ranhuras múltiplas para detecção multicanal têm requisitos adicionais ^10.
   6. Versão Ungrooved: um desenho idêntico em todos os aspectos, SEM um sulco deve também ser fabricada, para ser utilizado como uma referência.
2. Fabrico da guia de ondas pode ser feito por maquinagem. IMPORTANTE: não enfraquecer os bordos das chapas, particularmente sobre a face de entrada. Bordas arredondadas são prática comum em muitas oficinas mecânicas, por razões de segurança, mas um bordo arredondado na face de entrada irá distorcer o sinal.
3. MontagemProcedimento. Depois de as duas placas foram fabricados, eles devem ser montados na guia de ondas.
   1. Usar um suporte de objectos L-ou outro planas para criar uma estrutura com duas superfícies planas perpendiculares uma à outra. Colocar a placa de fundo sobre a superfície horizontal e pressioná-lo contra a nivelar a superfície vertical. Colocar os espaçadores dieléctricos como fechar os orifícios dos parafusos de possível (dois por parafuso, um de cada lado), tendo o cuidado de não obstruir a ranhura ou para estender para além da face de entrada.
   2. Com cuidado, coloque o flush placa superior contra a superfície vertical e deslize-o a sentar-se na placa inferior e espaçadores. Segurando ambas as placas rente à superfície vertical, inserir os parafusos. Parafuso-los de forma incremental em um padrão alternado. Este procedimento leva a um guia de ondas com uma face de entrada perfeitamente plana e uniforme espaçamento entre as placas.

2. Aparelho experimental

Este protocolo assume o ha de usuários de acesso a uma transmissão de geometria-terahertz espectrómetro de domínio de tempo (no nosso caso, a T-Ray Picometrix 4000) e está familiarizado com a obtenção de formas de onda de domínio de tempo e de Fourier transforma o domínio da frequência.

1. Configuração confocal. Se já não estiver presente, quatro lentes devem ser introduzidos no percurso do feixe de orientação confocal a fim de proporcionar um foco apertado no ponto médio do caminho.
2. Coloque uma abertura no ponto focal. A abertura deve ser suficientemente grande para bloquear toda a radiação se propague através do condutor de ondas, excepto. O tamanho da abertura irá determinar o tamanho do feixe de propagação no condutor de ondas (no nosso caso, 12 mm).
3. Lugar waveguide imediatamente atrás da abertura, com a face de entrada em contacto com a abertura e com o eixo da guia de ondas de propagação alinhado na medida do possível, em relação ao eixo óptico. O alinhamento aqui é crítica - reflexões, dispersão, variação nas frequências de corte e ressonância, e outros issues podem surgir devido ao alinhamento inadequado do guia de ondas. Use um suporte seguro para assegurar a colocação REPEATABLE.
4. Suporte da seringa: é útil ter uma estrutura que contém a seringa no lugar, de modo que a ponta esteja alinhado com o sulco. Ao fazer isso, você pode reduzir a possibilidade de erros no preenchimento devido ao movimento da seringa em suas mãos.

3. Preparação da Amostra

1. Procedimento de limpeza: Desmonte a guia de ondas. Lavar as duas placas de guia de onda completamente em um solvente apropriado para remover qualquer resíduo a partir do experimento. Seque com ar comprimido. Remonte como em 1.3.
2. Preparação da seringa. Para melhores resultados, recomendamos o uso de uma seringa diferente para cada material para evitar a contaminação cruzada. Se isso não for possível, a seringa deve também ser limpo com o mesmo solvente.
3. Encher a seringa para encher o volume apropriado com o líquido a ser testado. Tente eliminar todas as bolhas.

1. Coloque a guia de onda de referência ungrooved no aparelho, tal como descrito em (2.3). Pegue uma forma de onda de referência do guia de ondas ungrooved, depois retire. Isso só é necessário uma vez a cada poucas horas em cada sessão experimental, dependendo da estabilidade de longa duração do sinal de espectrometria de domínio de tempo.
2. Coloque waveguide entalhado limpo no aparelho, tal como descrito em (2.3)
3. Tomar uma forma de onda para o guia de ondas ranhurado vazio. NOTA: Isso deve ser feito toda vez que o guia de onda é removido e limpo. O processo de remoção e desmontagem podem levar a variações muito pequenas na geometria do guia de ondas. Estas variações afetará a freqüência absoluta de ressonância das ranhuras vazias e cheias, mas não a mudança observada, por isso cada medição "cheio" exige a sua própria referência "vazio" para calcular a mudança.
4. Sem mover a guia de onda, coloque a seringa cheia no lugar no suporte. Lentamente preencher o sulco, mantendoassistir que o preenchimento é bom, sem bolhas ou estouro. (Como determinar a quantidade correta de preenchimento é descrito na seção Discussão.) Pegue outra forma de onda.
5. Se o sistema não tem mais do que uma ranhura, continuar o enchimento sulcos e tendo formas de onda como desejado.
6. Remover e limpar waveguide (como no Passo 3).
7. Repita quantas vezes for necessário. Para melhores resultados, vários conjuntos de dados para cada amostra são recomendados para reduzir o erro.

5. Resultados representativos

Análise de dados de essas formas de onda é simples e pode seguir as técnicas habituais do experimentador para transformar o domínio da freqüência. Os espectros de frequência, tais como os indicados na Figura 3 deve resultar. Estes podem ser elevados ao quadrado e dividida pela forma de onda de referência para obter espectros de transmissão de energia, tais como a Figura 4. A frequência de largura de linha e central das ressonâncias para os guias de onda vazias e cheias pode ser measured a partir destes espectros, ou convulsões lorentzianas pode ser realizada para aumentar a precisão.

A mudança de ressonância causada por o líquido seja apenas a diferença entre as frequências observadas centrais das ressonâncias para os guias de onda vazias e cheias. Para converter este para uma medição de índice de refracção, a relação entre o deslocamento e o RI deve ser estabelecida. Isso pode feito experimentalmente seguindo este procedimento com amostras de índice conhecido, ou através da realização de simulações computacionais da ranhura preenchidas com amostras de índice conhecido ^9, ou analiticamente utilizando o modo de técnicas de correspondência de ^8. Uma vez que o deslocamento em função da curva RI é estabelecido, as medições de IR de amostras desconhecidas podem ser executadas com precisão.

Há alguns erros específicos que podem ocorrer durante este procedimento. Bolhas ou erros no preenchimento do sulco pode resultar em dados ruidosos ou incorretos, razão pela qual recomendamos vários conjuntos de dados para cada SAmple material. Uma outra fonte de erro é frequente na colocação das guias de onda. Se as guias de onda de referência e o sensor são colocados em alinhamento exactamente o mesmo, quaisquer reflexos ou outros artefactos será o mesmo para ambos e vai dividir o espectro de transmissão. Se o alinhamento é um pouco fora, as reflexões não dividirá fora e toque será observado nos espectros de transmissão (alguns toques menor pode ser visto na Figura 4). Se não for desejável para retomar os dados, é possível eliminar esta toque aparando a forma de onda de domínio de tempo antes que a reflexão é apresentada, mas isso reduz a resolução espectral e, por conseguinte, o índice de refracção resolução é limitada também.

Figura 1. Fotografia do guia de ondas com as partes relevantes marcados. Note-se que a ranhura não se estende a entire comprimento ou a largura do guia de ondas e a estrutura está concebida de modo a que as peças de montagem não vai obstruir a ranhura ou o caminho de propagação da radiação.

Figura 2. Esquemática da guia de ondas ranhurado.

Figura 3. (A) Os espectros de frequência de amostra para o guia de ondas de referência (branco), o guia de ondas ranhurado, sem enchimento de líquido (azul), e o guia de ondas ranhurado com o líquido, neste caso, tetradecano (vermelho). As frequências de corte para o TE ₁ e 3 TE modos de propagação são mostrados, assim como as linhas de absorção de água de vapor. (B) Closeup das ressonâncias para os guias de onda vazias e cheias com ranhuras.

Figura 4. Espectros de transmissão de energia para os guias de onda vazias e cheias sulcados. A diferença de frequência entre as duas características de ressonância é o deslocamento de ressonância (Af), que se refere ao índice de refracção.

Discussion

Deve notar-se que o índice de refracção do líquido de ensaio é determinada apenas com a frequência de ressonância da cavidade, e não mais de uma largura de banda ampla. Isto tem algumas vantagens distintas. Primeiro, apesar de nossas medidas têm feito uso de uma fonte de terahertz banda larga para fins de caracterização, pode-se também construir um sistema equivalente de detecção com uma fonte THz de freqüência única, com apenas um grau limitado de possibilidades de controle de freqüência, uma abordagem que poderia ser muito menos dispendioso e mais compacto. Em segundo lugar, a abordagem de detecção podem ser paralelizadas por incorporação de ranhuras múltiplas para um guia de onda único. Cada ranhura ¹⁰ que têm uma geometria um pouco diferente, e portanto uma frequência diferente para detecção. Utilizando um pulso de banda larga terahertz, pode-se determinar os índices de refracção (e deslocamentos) independentemente e simultaneamente por várias amostras líquidas. Esta capacidade de detecção em paralelo não seria facilmente incorporado numa convencionalno domínio do tempo do sistema de medição terahertz, em que apenas um único líquido é medida de cada vez.

A preocupação mais importante com esta técnica experimental é a consistência e repetitividade. A montagem e posicionamento da guia de onda e o volume de enchimento pode introduzir uma grande quantidade de erro se não é consistente. A manutenção de um volume consistente de enchimento pode ser realizado de várias maneiras. Um deles, como mostrado neste processo, é a utilização de seringas de alta precisão para medir volumes exactos. Outro método consiste em utilizar um sistema de laser interferométrico para monitorar o nível de enchimento real no entalhe ^9. Para determinar o volume da seringa ou preencher melhor altura, os melhores resultados são obtidos através da progressiva enchimento da ranhura e monitorar a transição correspondente da característica de ressonância. Quando o sulco é completo eo líquido começa a transbordar, o recurso será ressonante em seu menor freqüência. A altura de volume ou preencher um pouco antes disso poin estouro / saturaçãot é a melhor escolha e o desvio de frequência vs resposta RI do dispositivo deve ser calibrado utilizando este valor.

Existem várias outras considerações importantes, além da montagem de guia de ondas e volume de enchimento. A contaminação cruzada deve ser evitada por meio de procedimentos de limpeza cuidadosa. A evaporação tem de ser considerado para moléculas mais leves e podem limitar a resolução destes casos. A resolução RI deste procedimento em geral, é limitada pela variação entre vários conjuntos de dados com o mesmo material, mas as melhorias futuras na repetibilidade pode reduzir a resolução ao limite fixado pela resolução espectral do aparelho.

Futuras melhorias para esta técnica incluem a adaptação da concepção do sensor de um canal fechado para eliminar erros de enchimento e para permitir o fluxo contínuo acompanhamento e desenvolvimento de uma técnica de limpeza de confiança de que não requer a desmontagem da guia de ondas. Há algumas limitações quesão inerentes à técnica - tais como a restrição de líquidos não polares, por causa da absorção terahertz forte por moléculas polares - mas outros tais como a resolução e repetibilidade têm o potencial para a melhoria considerável. Tal como está, esta técnica tem sido estabelecida como uma técnica simples e de baixo custo para a detecção e monitoramento de RI, especialmente para aplicações industriais.

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.