חישת Terahertz Microfluidic באמצעות חיישן מוליך גל מקביל צלחת

Summary

ההליך ליישום חיישן שביר לתדרי terahertz מבוססים על גיאומטרית מוליך גל חורצת מקבילת צלחת מתואר כאן. השיטה מניבה מדידה של מקדם השבירה של נפח קטן של נוזל דרך ניטור של השינוי בתדר התהודה של מבנה מוליך הגל

Abstract

מקדם שבירה (RI) חישה הוא לא פולשנית עצמה וטכניקת תווית חינם חישה לזיהוי, האיתור והניטור של דגימות microfluidic עם מגוון רחב של עיצובי חיישן אפשריים כגון התאבכות ^ו1,2 תהודה. רוב היישומים הקיימים RI חישה להתמקד בחומרים ביולוגיים בתמיסות מימיות בתדרים גלויים וIR, כמו הכלאת DNA ורצף הגנום. בתדרי terahertz, יישומים כוללים בקרת איכות, ניטור של תהליכים תעשייתיים וחישה ויישומי זיהוי המעורבים חומרי nonpolar.

כמה עיצובים אפשריים לחיישנים שבירים במשטר terahertz קיימים, כולל גלבו פוטוניים גביש ^3, תהודה מפוצלת טבעת סימטרית ^4, ומבני פער להקה פוטוניים משולב גלבו מקביל צלחת ^5. רבים מעיצובים אלה מבוססים על תהודה אופטית כגון טבעותאו עששת. את תדר התהודה של מבנים אלו הם תלויים במקדם השבירה של החומר או סביב המהוד. על ידי מעקב אחר השינויים בתדר תהודת מקדם השבירה של דגימה ניתן למדוד במדויק וזה בתורו יכול לשמש לזיהוי חומר, לפקח על זיהום או דילול, וכו '

עיצוב החיישן אנו משתמשים כאן מבוססים על מוליך גל פשוט מקבילת צלחת ^6,7. חריץ מלבני מעובדים למעשים 1 פנים כחלל תהודה (תרשימי 1 ו 2). כאשר קרינת terahertz מצמידה למוליך הגל ומתפשט במצב הנמוך ביותר מסדר רוחבי החשמלי ₍₁ TE), התוצאה היא תכונת תהודה חזקה אחד עם תדר תהודה מתכונן שתלוי בגיאומטריה של חריץ ^6,8. גרוב זה יכול להיות מלא עם דגימות נוזליות microfluidic nonpolar הגורמים לשינוי בתדר התהודה נצפה שתלוי בכמות של liqUID בחריץ והאינדקס שלו השביר ^9.

הטכניקה שלנו יש יתרון על פני שיטות אחרות terahertz בפשטות שלו, הוא בייצור ויישום, שכן יכול להתבצע בהליך עם ציוד מעבדה סטנדרטי ללא צורך בחדר נקי או כל ייצור מיוחד או ניסיוני בטכניקות. כמו כן, ניתן להרחיב בקלות לפעולה רב על ידי שילוב של חריצים מרובים ^10. בוידאו זה יתאר הליך הניסוי המלא שלנו, מהעיצוב של החיישן לניתוח וקביעת מקדם שבירת מדגם הנתונים.

Protocol

1. עיצוב וייצור חיישן

1. עצב מוליך גל מקביל צלחת עם חללים משולבים אחד או יותר (או "חריצים"). ראה איורים 1 ו 2. גיאומטריה עשויה להיות מבוססת על שניתן בפרסומים הקודמים שלנו ^8,9 או תוכננה במיוחד ליישום מסוים. העקרונות המנחים הכלליים הבאים מוצעים:
   1. ריווח פלייט: בניסוי זה מרווח צלחת של 1 מ"מ משמש לצימוד יעיל למצב TE1 ללא צורך באופטיקה מיוחדת. זה גם מבטיח התקדמות במצב יחיד בתדירויות של עניין. בעת שימוש בspacings צלחת אחר, יעילות הפצה, פיזור וצימוד multimode צריכה להיחשב.
   2. מפרידים: מרווח צלחת זה מנוהל באמצעות מפרידים דיאלקטרי. חתיכות קטנות של זכוכית עם עובי אחיד מאוד לעשות מפרידים מצוינים - במקרה שלנו, אנו משתמשים ברסיסים משקופית מיקרוסקופ מרוסקת, עם יש עובי של מ"מ 1 + / - 3 מיקרומטר.
   3. גודל צלחת: הצלחות בעצמם צריכות להיות רחבות מספיק שהם יכולים להיחשב אינסופיים בהשוואה לקורה הקלט. (במקרה שלנו, 4.75 סנטימטר לקורה סנטימטרים 1.2). העובי של כל צלחת חייב להיות הרבה יותר עבה מעומק העור, וצלחות עבות (> 1 סנטימטר) מומלצות כדי לצמצם את האפשרות של אנרגיה עוברת מעל או מתחת למוליך הגל ולהגיע לגלאי. אורך רבייה צריך להיות מספיק שהגרוב הוא לפחות כפול מהרוחב מהקלט ופלט הפנים שלו, אבל כדי להפחית את הפיזור ממוזער.
   4. גיאומטרית צלחת תחתונה: כדי לאפשר גישה נוחה לחריץ, צלחת מוליך הגל התחתונה צריכה להיות משמעותי יותר מאשר הצלחת העליונה, בעוד החריץ משתרע כמעט (אבל לא לגמרי) את כל הרוחב של הצלחת. (ראה תרשים 1) זה עושה את זה הרבה יותר קל לגשת לחריץ ולפקח על הרמה של מילוי.
   5. ברגים: שניהם צלחת תחתונה עליון ויש להם סיומת כך שברגים עשויים להיות מוכנסים להחזיק גלתנחה יחד ללא הפרעה או החריצים או את נתיב ההתקדמות. (ראה תרשים 1) החורים בצלחת התחתונה מוצגים ברצף ואילו חלק העליון הם לא.
   6. גיאומטרית חלל: עיצוב לחריץ יהיה תלוי בתדר הרצוי תהודה, linewidth הרצוי, ואת מרווח הצלחת הנבחרת, בין יתר. חשוב לקחת בחשבון את המגבלות של טכניקות הייצור שלך לחריצים צרים מאוד או רדודים מאוד. חריצים מרובים לחישה רבה ערוציים יש דרישות נוספות ^10.
   7. גרסת Ungrooved: עיצוב זהה בכל היבט, בלי חריצים צריכה להיות גם מפוברקת, כדי לשמש כנקודת התייחסות.
2. המצאה של מוליך הגל יכול להיעשות על ידי מכונה. חשוב: לא מקהה את הקצוות של הצלחות, במיוחד על פניו הקלט. קצוות מעוגלים הם מקובלים בחנויות מכונית רבות מטעמי בטיחות, אבל קצה מעוגל על ​​פני הקלט יעוות את האות.
3. עצרתהליך. אחרי שתי הצלחות היו מפוברקות, הם צריכים להיות מורכבים מוליך הגל.
   1. להשתמש באובייקטי L-סוגריים או אחרים שטוחים כדי ליצור מבנה עם שני משטחים שטוחים ניצבים זה לזה. הנח את הצלחת התחתונה על המשטח האופקי ולחץ אותו לשטוף כנגד המשטח האנכי. הנח את המפרידים דיאלקטרי כמו לסגור את חורי ברגים ככל האפשר (שניים לכל בורג, אחד בכל צד), נזהר שלא להפריע לחריץ או להאריך מעבר לפנים הקלט.
   2. בזהירות להניח סומק הצלחת העליונה נגד המשטח האנכי וחלק אותו כלפי מטה כדי לשבת על הצלחת ומפרידים התחתונים. מחזיקים שתי הצלחות לשטוף כנגד המשטח האנכי, הכניסו את הברגים. הברג אותם בהדרגה בתבנית לסירוגין. הליך זה מוביל למוליך גל עם פן קלט שטוחים לחלוטין וריווח צלחת אחיד.

2. מתקן ניסויי

פרוטוקול זה מניח חה המשתמשהגישה של לספקטרומטר תחום בזמן שידור terahertz-גיאומטריה (במקרה שלנו, Picometrix 4000 T-Ray) ומכירה קבלת גל תחום בזמן ופורה הפיכה לתדר התחום.

1. תצורת confocal. אם לא קיימים כבר 4 עדשות צריכות להיות הציגה לתוך נתיב הקרן באורינטצית confocal על מנת לספק התמקדות חזקה באמצע הנתיב.
2. הנח צמצם בנקודת המוקד. הצמצם צריך להיות גדול מספיק כדי לחסום את כל הקרינה ממתפשטת אלא דרך מוליך הגל. גודל הצמצם יקבע את גודל האלומה מתפשט במוליך הגל (במקרה שלנו, 12 מ"מ).
3. מקום מוליך גל מייד מאחורי הצמצם, עם פן הקלט במגע עם הפתח ועם ציר התפשטות מוליך הגל מיושר, ככל האפשר, עם הציר האופטי. היישור כאן הוא קריטי - השתקפויות, פיזור, גיוון בתדרים החתוכים ומהדהדים, ואני אחר ssues עלולה להתעורר עקב יישור לא תקין של מוליך הגל. השתמש בעל מאובטח להבטיח מיקום שחזור.
4. בעל מזרק: כדאי לי מבנה שמחזיק את המזרק במקום, כך שהקצה מיושר עם החריץ. בכך אתה יכול לצמצם את האפשרות של טעויות במילוי עקב התנועה של המזרק בידות שלך.

3. לדוגמא הכנה

1. ניקוי נוהל: לפרק את מוליך הגל. שטוף את שתי הצלחות של מוליך גל יסודיות בממס מתאים כדי להסיר שאריות מהניסוי. לפוצץ יבש עם אוויר דחוס. להרכיב מחדש כמו ב1.3.
2. מזרק הכנה. לקבלת תוצאות הטובות ביותר, אנו ממליצים על שימוש במזרק שונה עבור כל חומר למניעת זיהום צולב. אם זה לא אפשרי, מזרק צריך גם לנקות עם אותו הממס.
3. מלא מזרק למילוי הנפח מתאים עם הנוזל כדי להיבדק. נסה לחסל את כל בועות.

"Jove_title"> 4. הליך ניסוי

1. הנח את מוליך גל התייחסות ungrooved במנגנון כפי שמתואר ב( 2.3). קח waveform התייחסות של מוליך גל ungrooved, ולאחר מכן להסיר. הדבר נדרש רק אחת לכמה שעות בכל מפגש ניסיוני, בהתאם ליציבות לטווח הארוך של אות ספקטרומטר התחום בזמן.
2. הנח מוליך גל מחורץ נקי במנגנון, כפי שתואר ב( 2.3)
3. קח גל למוליך הגל החורץ הריק. הערה: יש לעשות זאת בכל פעם שמוליך הגל מוסר וניקה. התהליך של הסרה ופירוק יכול להוביל לשינויים קטנים מאוד בגיאומטריה של מוליך הגל. וריאציות אלה ישפיעו על תדר התהודה המוחלט של החריצים הריקים ומלאים, אך לא נצפו במשמרות, ולכן כל מדידה "מלאה" מחייבת ההתייחסות שלו "הריקה" כדי לחשב את השינוי.
4. מבלי להזיז את מוליך גלים, הניח את המזרק המלא במקום בבעל. לאט לאט למלא את הגרוב, שמירהלצפות שהמילוי הוא טוב, ללא בועות או גלישה. (כיצד לקבוע את כמות המילוי הנכונה מתואר בסעיף הדיון.) קח את צורת גל אחר.
5. אם למערכת יש חריץ אחד או יותר, להמשיך למלא חריצים וצורות גל לוקח כרצונך.
6. הסר מוליך גל ולנקות (כמו בשלב 3).
7. חזור כמה פעמים לפי צורך. לקבלת תוצאות הטובות ביותר, במספר קבוצות נתונים עבור כל דגימה מומלצות לצמצם את השגיאה.

5. נציג תוצאות

ניתוח נתונים של צורות גל אלה הוא פשוט ויכול לעקוב הטכניקות הרגילות של הנסיין להפיכה לתחום התדר. ספקטרום תדרים כגון אלה הניתנים באיור 3 אמור לגרום. אלה יכולים להיות בריבוע ומחולקים בצורת גל ההתייחסות להשיג ספקטרום העברת חשמל כגון איור 4. תדירות linewidth והמרכזית של תהודות עבור גלבו הריק ומלא יכולה להיות מ 'easured מהספקטרום הללו, או התקפים הלורנצי ניתן לבצע כדי להגביר את הדיוק.

משמרת התהודה נגרמת על ידי הנוזל היא רק ההבדל בין התדרים המרכזיים הנצפים של תהודות עבור גלבו הריק ומלא. כדי להמיר את זה למדידה מקדם שבירה, את הקשר בין השינוי וRI צריך לקום. זה יכול להיעשות באופן ניסיוני על ידי ביצוע הליך זה עם דגימות של מדד ידוע, או מחשוב על ידי ביצוע סימולציות של הגרוב מלא בדוגמאות של מדד ידוע ^9, או בוחן שימוש במצב התאמה של טכניקות ^8. לאחר שינוי לעומת עקומת RI הוא הקים, מדידות הר"י דגימות ידועות ניתן לבצע באופן מדויק.

יש כמה טעויות מסוימות אשר עלולים להתרחש במהלך הליך זה. בועות או טעויות במילוי של החריץ יכולות לגרום לנתונים רועשים או שגויים, ולכן אנו ממליצים על ערכות נתונים מרובות עבור כל sample חומר. מקור שכיח נוסף של טעות הוא במיקום של גלבו. אם בגלבו ההתייחסות והחיישן ממוקמים בדיוק באותו המערך, השתקפויות כלשהן או ממצאים אחרים תהיינה זהה לשניהם ותחלקנה מתוך ספקטרום השידור. אם היישור הוא מעט כבוי, ההשתקפויות לא תחלקנה את הצלצול ויהיה ניתן לצפות בשידור הספקטרום (צלצול קטין מסוים שניתן לראות באיור 4). אם אין זה רצוי לכבוש מחדש את הנתונים, ניתן לחסל את צלצול זה על ידי זמירת גל התחום בזמן לפני ההשתקפות מופיעה, אבל זה מקטין באופן משמעותי את הרזולוציה ספקטרלית ולכן רזולוצית השבירה מוגבלת גם כן.

איור 1. תצלום של מוליך הגל עם חלקים רלוונטיים מסומנים. שימו לב שהגרוב לא להאריך את הדוארהאורך או רוחב של מוליך הגל ומבנה ntire מתוכנן כך שהרכבת החומרה לא לחסום את החריץ או את הנתיב של התפשטות קרינה.

איור 2. סכמטי של מוליך הגל החורץ.

איור 3. (א) ספקטרום תדרי דוגמה למוליך גל ההפניה (שחור), מוליך הגל החורץ ללא מילוי נוזלי (כחול), ומוליך הגל מחורצת עם נוזל, במקרה זה tetradecane (אדום). תדרי החיתוך _ל1 TE ו3 מצבי ריבוי TE נראים לעין, וכך גם קווי מי האדים הקליטים. (ב) התצלום מקרוב של את התהודה לגלבו מחורץ הריק ומלא.

איור 4. ספקטרום העברת כוח לגלבו מחורץ הריק ומלא. ההבדל בתדירות בין שתי תכונות התהודה הוא שינוי התהודה (Δf), המתייחס למקדם השבירה.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

יש לציין כי מקדם השבירה של הנוזל נבדק נקבע רק בתדר של תהודת החלל, לא על רוחב פס רחב. זו יש כמה יתרונות ברורים. ראשית, למרות שהמדידות שלנו עשו שימוש במקור terahertz פס רחב למטרות אפיון, אפשר גם לבנות מערכת חישה מקבילה עם מקור בתדר יחיד THz עם רק מידה מוגבלת של tunability תדירות, גישה ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
שם המגיב	חברה	מספר קטלוגים	תגובות (אופציונלי)
10 מזרק μl	המילטון	80314	מזרק דיוק גבוה
אלקאנים נוזליים	אורגניקס acros		דוגמאות לכיול ובדיקה
			אין ציוד ספציפי נדרש. חומרי בדיקה מתאימות וממסים נותרים לשיקול דעתו של הנסיין. את מזרקי הדיוק גבוה המשמשים בהליך זה מפורט בטבלה שלהלן, אבל הנסיינית אולי תרצה להשתמש מזרקים של נפח או עיצוב שונה, כולל מזרקים דיגיטליים לדיוק משופר. את אלקאנים הבדיקה המשמשים בניסוי זה מוצג גם הם.