Terahertz Mikroflödessystem Sensing Använda en vågledare med parallella plattor sensor

Summary

Förfarandet för att genomföra ett brytningsindex sensor för terahertz frekvenser baserade på en spårad vågledare med parallella plattor geometri beskrivs här. Metoden ger en mätning av brytningsindex av en liten volym av vätska genom övervakning av förskjutningen i resonansfrekvensen hos vågledarstrukturen

Abstract

Brytningsindex (RI) avkänning är en kraftfull icke-invasiv och etikett-fri avkänning teknik för identifiering, spårning och övervakning av mikroflödessystem prover med ett brett utbud av möjliga sensor konstruktioner såsom interferometrar och resonatorer ^1,2. De flesta av de befintliga RI avkänning program fokuserar på biologiska material i vattenlösningar i synliga och IR-frekvenser, såsom DNA-hybridisering och genomet sekvensering. Vid terahertz frekvenser applikationer inkluderar kvalitetskontroll, övervakning av industriella processer och avkänning och applikationer upptäckt involverar opolära material.

Flera potentiella design för brytningsindex sensorer i terahertz regimen finns, bland fotoniska kristaller vågledare ^3, asymmetriska split-ring resonatorer ⁴ och fotoniska band strukturer gap integreras i parallella plattor vågledare ^5. Många av dessa konstruktioner är baserade på optiska resonatorer, såsom ringareller håligheter. Resonansfrekvenserna för dessa strukturer är beroende på brytningsindex hos materialet i eller runt resonatom. Genom att övervaka förändringar i resonansfrekvens brytningsindex hos ett prov kan mätas noggrant och detta i sin tur kan användas för att identifiera ett material, övervaka kontaminering eller utspädning, osv

Sensorn design vi använder här är baserad på en enkel vågledare med parallella plattor ^6,7. En rektangulär skåra bearbetas till en face fungerar som en resonanskavitet (figurerna 1 och 2). När terahertz strålning kopplas in i vågledaren och utbreder sig i den lägsta ordningens tvärgående elektriska (TE _1)-läget är resultatet en enda stark resonans funktionen med en avstämbar resonansfrekvens som beror på geometrin av spåret ^6,8. Detta spår kan fyllas med opolära vätskeformiga mikroflödessystem prov som orsakar en förändring i den observerade resonansfrekvensen som beror på mängden liquid i spåret och dess brytningsindex ^9.

Vår teknik har en fördel framför andra terahertz tekniker i sin enkelhet, både i tillverkning och implementering, eftersom förfarandet kan åstadkommas med vanlig laboratorieutrustning utan behov av ett rent rum eller någon speciell tillverkning eller experimentella tekniker. Det kan också lätt utvidgas till flera kanaler drift genom införlivandet av flera spår ^10. I den här videon kommer vi att beskriva vårt kompletta försöksförfarande, från utformningen av sensorn till dataanalys och bestämning av provets brytningsindex.

Protocol

1. Sensor design och tillverkning

1. Utforma en vågledare med parallella plattor med en eller flera integrerade håligheter (eller "spår"). Se figur 1 och 2. Geometri kan baseras på den som ges i våra tidigare publikationer ^8,9 eller specialutformat för den aktuella applikationen. Följande allmänna riktlinjer föreslås:
   1. Platta Spacing: I detta experiment en platta avstånd av 1 mm används för effektiv koppling till TE1 läge utan behov av särskilda optiken. Det garanterar också single-mode fortplantning vid frekvenserna av intresse. Vid användning av andra plattan avstånd bör multimode förökning, spridning och kopplingseffektivitet övervägas.
   2. Distanser: Denna platta avstånd upprätthålls med hjälp dielektriska distanser. Små bitar av glas med mycket enhetlig tjocklek gör utmärkta distanser - i vårt fall använder vi skärvor från en krossad objektglas med en tjocklek på 1 mm + / - 3 pm. Platta storlek: Plattorna själva bör vara breda nog att de kan anses oändlig jämfört med ingången strålen. (I vårt fall, 4,75 cm för en 1,2 cm balk.) Måste tjockleken av varje platta vara mycket tjockare än inträngningsdjupet, och tjockare plattor (> 1 cm) rekommenderas för att minska risken för energi som passerar över eller under vågledaren och når detektorn. Förökning längd bör vara tillräckligt att spåret är åtminstone två gånger dess egen bredd bort från ingångs-och ansikten output, men minimeras för att minska spridningen.
   3. Bottenplatta Geometri: För att möjliggöra enkel åtkomst till spåret, bör den nedre vågledaren plattan vara betydligt bredare än den övre plattan, medan spåret sträcker sig nästan (men inte helt) hela bredden av plattan. (Se figur 1) Detta gör det mycket lättare att komma åt spåret och övervaka nivån av fyllning.
   4. Skruvar: Både övre och undre plattan har en förlängning, så att skruvarna kan föras in för att hålla vågenvägleda tillsammans utan att störa vare sig spår eller utbredningsvägen. (Se figur 1) Hålen i bottenplattan gängas medan toppen är inte.
   5. Kaviteten Geometri: Design för spåret kommer att bero på den önskade resonansfrekvensen, den önskade linjebredden, och den valda plattan avståndet, bland andra faktorer. Det är viktigt att ta hänsyn till begränsningar av dina tillverkningsteknik för mycket smala eller mycket grunt spår. Flera spår för flerkanaliga avkänning har ytterligare krav ^10.
   6. Ospårat version: en konstruktion identisk i varje aspekt UTAN ett spår bör också tillverkas, för att användas som en referens.
2. Tillverkning av vågledaren kan göras genom maskinbearbetning. VIKTIGT: inte trubbig kanter av plattorna, i synnerhet på ingången ansiktet. Rundade kanter är praxis i många verkstäder av säkerhetsskäl, men en rundad kant på ingången ansikte kommer förvränga signalen.
3. MonteringFörfarande. Efter de två plattorna har tillverkats, bör de monteras i vågledaren.
   1. Använd en L-fästet eller annan plan objekt för att skapa en struktur med två plana ytor vinkelräta mot varandra. Placera bottenplattan på den horisontella ytan och tryck den tätt intill den vertikala ytan. Placera dielektriska distanser så nära skruvhålen som möjligt (två per skruv, en på varje sida), var noga med att inte hindra spåret eller att sträcka sig utanför ingången ansiktet.
   2. Placera försiktigt topplattan an mot den vertikala ytan och dra den nedåt för att sitta på bottenplattan och distanser. Holding båda plattorna tätt intill den vertikala ytan, sätt i skruvarna. Skruva dem stegvis i ett alternerande mönster. Detta förfarande leder till en vågledare med en perfekt plan ingångsyta och enhetlig platta avstånd.

2. Experimentell Anordning

Detta protokoll förutsätter att användaren has tillgång till en överföring geometri terahertz tidsdomän spektrometer (i vårt fall Picometrix T-Ray 4000) och är väl förtrogen med att få time-domain vågformer och Fourier omvandla till frekvens-domän.

1. Konfokala konfiguration. Om den inte redan finns, bör fyra linser införas i strålgången i ett konfokalt orientering för att åstadkomma en tät fokusering vid mittpunkten av banan.
2. Placera en öppning i brännpunkten. Öppningen bör vara tillräckligt stor för att blockera all strålning från förökningsmaterial förutom genom vågledaren. Storleken på öppningen kommer att bestämma strålens storlek fortplantas i vågledaren (i vårt fall, 12 mm).
3. Plats vågledare omedelbart bakom öppningen, med den ingående yta i kontakt med öppningen och med vågledaren förökning axel inriktad så nära som möjligt med den optiska axeln. Inriktningen här är kritisk - reflektioner, spridning, variation i cut-off och resonans frekvenser och andra jagFRÅGOR kan uppstå på grund av felaktig inriktning av vågledaren. Använd en säker hållare för att säkerställa REPETERBAR placering.
4. Spruthållare: det är användbart att ha en struktur som håller sprutan på plats så att spetsen är i linje med spåret. Genom att göra detta kan du minska risken för misstag i fyllningen på grund av rörelse sprutan i dina händer.

3. Provberedning

1. Rengöring Tillvägagångssätt: Demontera vågledare. Tvätta båda plattorna hos vågledaren grundligt i ett lämpligt lösningsmedel för att avlägsna eventuella rester från experimentet. Blås torr med tryckluft. Återmontera som under 1,3.
2. Spruta Förberedelse. För bästa resultat rekommenderar vi att du använder en annan spruta för varje material för att förhindra korskontaminering. Om detta inte är möjligt, bör sprutan också rengöras med samma lösningsmedel.
3. Fyll sprutan till lämplig fyllnadsvolymen med vätskan som skall testas. Försök att eliminera eventuella bubblor.

1. Placera ospårat referens vågledaren i anordningen som beskrivs i (2,3). Ta en referens vågform av ospårat vågledare, ta sedan bort. Detta är endast nödvändigt gång varannan timme under varje experimentell session beroende på långsiktig stabilitet tidsdomänen spektrometer signal.
2. Placera ren räfflad vågledare i apparaten, såsom beskrivits i (2,3)
3. Ta en vågform för den tomma spårförsedda vågledaren. OBS: Detta måste göras varje gång vågledaren bort och rengöras. Processen för avlägsnande och demontering kan leda till mycket små variationer i geometrin hos vågledaren. Dessa variationer kommer att påverka den absoluta resonansfrekvens av de tomma och fyllda spår men inte den observerade skift, därför var "full" mätning kräver sin egen "tomt" referens för att beräkna förskjutningen.
4. Utan att röra vågledaren, sätta den fyllda sprutan på plats i hållaren. Sakta fylla spåret, hållatitta att fyllningen är bra, med inga bubblor eller spill. (Hur att bestämma den korrekta fyllningen beloppet beskrivs i diskussionsavsnittet.) Ta ett vågform.
5. Om systemet har mer än ett spår, fortsätta att fylla spåren och med vågformer som önskas.
6. Avlägsna vågledare och rengör (såsom i steg 3).
7. Upprepa så många gånger som behövs. För bästa resultat, är flera dataset för varje prov rekommenderas för att minska felet.

5. Representativa resultat

Dataanalys av dessa vågformer är okomplicerad och kan följa försöksledaren sedvanliga tekniker för transformering till frekvensdomänen. Frekvensspektra såsom de anges i figur 3 bör resultera. Dessa kan kvadreras och divideras med referensvågformen för att erhålla spektra kraftöverföring såsom figur 4. Linjebredden och central frekvens av resonanserna för de tomma och fulla vågledare kan vara measured från dessa spektra, eller Lorentz krampanfall kan utföras för att öka noggrannheten.

Den resonanta förskjutning orsakas av vätskan bara skillnaden mellan de observerade centrala frekvenserna för resonanserna för de tomma och fulla vågledare. Att omvandla detta till en brytningsindex mätning måste förhållandet mellan förskjutningen och RI fastställas. Detta kan göras experimentellt genom att följa denna procedur med prover av kända index eller beräkningsmässigt genom att utföra simuleringar av spåret fylld med prover av kända index ^9, eller analytiskt med mode-matchande tekniker ^8. När en övergång mot RI-kurvan är etablerad, kan RI mätningar av okända prover exakt utföras.

Det finns några speciella fel som kan uppstå under denna procedur. Bubblor eller misstag i fyllningen av spåret kan resultera i bullriga eller felaktiga uppgifter, varför vi rekommenderar flera datamängder för varje sample material. En annan vanlig felkälla är i placeringen av vågledarna. Om referens-och sensorn vågledare placeras i exakt samma inriktning, kommer eventuella reflektioner eller andra artefakter vara samma för båda och kommer att dela ut ur transmissionsspektrum. Om inriktningen är något av, kommer reflektionerna inte dela ut och ringer kommer att observeras i överföringen spektra (några mindre ringning kan ses i figur 4). Om det inte är önskvärt att återta data, är det möjligt att eliminera denna ringning genom att trimma tidsdomänen vågform innan reflektionen visas, men detta kraftigt reducerar den spektrala upplösningen och därför brytningsindex upplösningen är begränsad liksom.

Figur 1. Fotografi av vågledaren med relevanta markerade delar. Notera att spåret inte sträcker entire längd eller bredd av vågledaren och strukturen är utformad så att monteringsbeslagen inte hindrar spåret eller banan av strålning förökning.

Figur 2. Skiss över spårförsedda vågledaren.

Figur 3. (A) Prov frekvensspektra för referens vågledaren (svart), den spårförsedda vågledaren utan vätskefyllningen (blå), och den spårförsedda vågledaren med vätska, i detta fall tetradekan (röd). Gränsfrekvenserna för TE ₁ och TE 3 lägen förökning visas, liksom vattenånga absorptionslinjer. (B) Närbild av resonanserna för de tomma och fulla räfflade vågledare.

Figur 4. Kraftöverföring spektra för de tomma och fulla räfflade vågledare. Skillnaden i frekvens mellan de två resonanta funktioner är resonant skift (Af), som avser brytningsindex.

Discussion

Det bör noteras att brytningsindex för vätskan under test bestäms endast vid frekvensen av kaviteten resonans, inte över en bred bandbredd. Detta har några distinkta fördelar. Först, även om våra mätningar har utnyttjat ett bredband terahertz källa för karakterisering ändamål, kan en bygga även en motsvarande avkänning system med en enda frekvens THz källa med endast en begränsad grad av frekvens avstämbarhet, ett tillvägagångssätt som kan vara mycket billigare och mer kompakt. Det andra, kan den avkännande tillvägagångssätt parallelliserade genom att införliva flera spår i en enda vågledare. ¹⁰ Varje spår skulle ha en något annorlunda geometri, och därför en annan frekvens för avkänning. Med hjälp av en bredbands terahertz puls, kan man bestämma brytningsindex (och skift) självständigt och samtidigt för flera flytande prover. Denna parallella avkännande förmåga skulle inte lätt införlivas i en konventionelltidsdomän terahertz mätsystem, i vilket endast en enda vätska mäts vid en tidpunkt.

Den viktigaste fråga med denna experimentella teknik är konsekvens och repeterbarhet. Aggregatet och placeringen av vågledaren och fyllnadsvolymen kan införa en stor mängd fel om inte konsekvent. Att upprätthålla en konsekvent påfyllningsvolymen kan göras på ett par olika sätt. One som visas i detta förfarande, är att använda hög precision sprutor för att mäta exakta volymer. En annan metod är att använda en laser interferometriska system för att övervaka den faktiska fyllnadsnivån i spåret ^9. För att bestämma den bästa sprutvolym eller fylla höjd, de bästa resultaten erhålls genom att gradvis fylla spåret och övervaka motsvarande förskjutning av den resonanta funktionen. När spåret är full och vätskan börjar att svämma över, kommer den resonanta funktionen vara på sin lägsta frekvens. Volymen eller fylla höjden strax innan detta spill / mättnad point är det bästa valet och frekvens skift vs RI respons enheten bör kalibreras med hjälp av detta värde.

Det finns flera andra viktiga faktorer förutom vågledaraggregatet och fyllningsvolym. Korskontaminering bör undvikas genom noggrann rengöring förfaranden. Avdunstning måste övervägas för lättare molekyler och kan begränsa upplösningen i dessa fall. RI upplösning av detta förfarande i allmänhet begränsas av variationen mellan olika datamängder av samma material, men framtida förbättringar i repeterbarhet kan minska upplösningen till den gräns som den spektrala upplösningen av apparaten.

Framtida förbättringar för denna teknik inkluderar att anpassa sensorn design till en sluten kanal för att eliminera fylla fel och för att möjliggöra kontinuerligt flöde övervakning och utveckla en tillförlitlig rengöring teknik som inte kräver demontering av vågledaren. Det finns vissa begränsningar somär inneboende i tekniken - som begränsningen till opolära vätskor, tack vare en stark terahertz absorption av polära molekyler - men andra, såsom upplösning och repeterbarhet har potential för betydande förbättring. Som det ser ut, har denna teknik etablerats som en enkel och kostnadseffektiv teknik för RI avkänning och övervakning, särskilt för industriella tillämpningar.

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.