Терагерцового Микрофлюидных зондирования с помощью плоского волновода датчика

Резюме

Порядок осуществления преломления датчик индекс для терагерцового частот на основе рифленой плоского волновода геометрии описано здесь. Метод дает измерение показателя преломления небольшого объема жидкости через мониторинг сдвиг резонансной частоты волновода структуры

Аннотация

Показатель преломления (RI) зондирование является мощным неинвазивным и без наклеек чувствительный метод для обнаружения, идентификации и мониторинга микрофлюидных образцов с широким спектром возможных конструкций датчика, например, интерферометров и резонаторов ^1,2. Большинство существующих RI зондирования сосредоточиться на биологических материалов в водных растворах в видимой и ИК частоты, такие как гибридизация ДНК и генома. В терагерцовом частот, приложения включают контроль качества, контроль производственных процессов и зондирование и обнаружение приложений, связанных неполярных материалов.

Несколько потенциальных проектов для преломления датчики индекса в терагерцового режима существуют, в том числе фотонный кристалл ³ волноводов, асимметричный сплит-кольцевых резонаторов ^4, и фотонные структуры запрещенной зоны интегрированы в параллельных пластин волноводов ^5. Многие из этих конструкций на основе оптических резонаторов, такие как кольцаили полости. Резонансные частоты этих структур зависит от показателя преломления материала в или вокруг резонатора. Наблюдая за изменениями в резонансной частоты показатель преломления образца может быть точно измерена, и это в свою очередь может быть использована для идентификации материала, мониторинг загрязнения или разведения и т.д.

Датчик дизайна мы используем здесь, основана на простом плоского волновода ^6,7. Прямоугольный паз обрабатывается в одном лице выступает в качестве резонатора (рис. 1 и 2). Когда терагерцового излучения связано в волновод и распространяется в низшем порядке поперечно-электрических (ТЕ ₁₎ режим, в результате одного сильного резонансного функцию с перестраиваемой резонансной частотой, которая зависит от геометрии паза ^6,8. Эта канавка может быть заполнен неполярных жидких микрофлюидных образцы, которые вызывают сдвиг наблюдаемой резонансной частотой, зависящей от количества жидкостьUID в паз и ее показатель преломления ^9.

Наша техника имеет преимущество перед другими методами терагерцовой в своей простоте, как в изготовлении и реализации, так как эта процедура может быть выполнена с помощью стандартного лабораторного оборудования без необходимости в чистую комнату или любой специальный изготовление или экспериментальных методов. Она также может быть легко расширена до многоканальных операций путем включения нескольких канавок ^10. В этом видео мы расскажем о нашей полной экспериментальной процедуры, от проектирования датчика к анализу данных и определение показателя преломления образца.

протокол

1. Дизайн и изготовление датчиков

1. Конструкция плоского волновода с одним или более интегрированной полости (или "канавки"). См. рисунки 1 и 2. Геометрия может быть основано на что дано в наших предыдущих публикациях ^8,9 или специально разработанные для конкретного приложения. Следующие общие руководящие принципы предложил:
   1. Планки: В этом эксперименте планки в 1 мм используется для эффективного взаимодействия в режим TE1 без необходимости использования специальной оптики. Она также обеспечивает одномодовый распространения на частотах интерес. При использовании других расстояний пластины, многомодовый эффективность распространения, дисперсию и связи должны быть рассмотрены.
   2. Распорки: Этот планки осуществляется с использованием диэлектрических прокладок. Небольшие кусочки стекла с очень равномерной толщины делают отличные прокладки - в нашем случае, мы используем осколки от разрушенной стекло микроскопа, с имеют толщину 1 мм + / - 3 мкм.
   3. Размер плиты: плиты сами должны быть достаточно широкими, чтобы их можно было считать бесконечной по сравнению с входного пучка. (В нашем случае, 4,75 см на 1,2 см пучком.) Толщина каждой пластины должна быть намного толще, чем толщина скин-слоя, и более толстыми пластинами (> 1 см) рекомендуется уменьшить вероятность энергии, проходящей выше или ниже волновода и достигающих детектора. Распространение длина должна быть достаточной, чтобы паз, по крайней мере в два раза свою ширину от входного и выходного лица, но сведено к минимуму, чтобы уменьшить дисперсию.
   4. Геометрия нижней плиты: Для обеспечения легкого доступа к канавке, нижняя пластина волновода должна быть значительно шире, чем верхняя пластина, в то время как радиальные простирается почти (но не совсем) по всей ширине пластины. (См. рисунок 1) Это делает его гораздо легче получить доступ к канавке и контролировать уровень наполнения.
   5. Винты: верхней и нижней пластины имеют расширения, так что винты могут быть вставлены, чтобы держать волнуРуководства вместе, не препятствуя ни канавки или пути распространения. (См. рисунок 1) отверстия в нижней пластине с резьбой в то время как верхний нет.
   6. Полость Геометрия: Дизайн для паза будет зависеть от желаемого резонансная частота, желаемая ширина линии, и выбрали планки, среди прочих факторов. Это важно учитывать ограничения вашего технологическим процессом для очень узкой или очень неглубокие бороздки. Многочисленные канавки для многоканального зондирования имеют дополнительные требования ^10.
   7. Ungrooved версии: дизайн идентичны в каждом аспекте без паза должна быть изготовлена, которые будут использоваться в качестве ссылки.
2. Изготовление волноводов может быть сделано путем механической обработки. ВАЖНО: не тупые края пластин, в частности, на входе лицо. Закругленные края являются стандартной практикой во многих магазинах машину по соображениям безопасности, но округлые края на входе лицо будет искажать сигнал.
3. СборкаПроцедуры. После двух пластин были сфабрикованы, они должны быть собраны в волновод.
   1. Используйте L-образный кронштейн или другие плоские объекты, чтобы создать структуру с двумя плоскими поверхностями, перпендикулярными друг другу. Поместите нижнюю пластину на горизонтальную поверхность и нажмите на него вплотную к вертикальной поверхности. Поместите диэлектрической прокладки как можно ближе к отверстию, насколько возможно (по два на винт, по одной с каждой стороны), соблюдая осторожность, чтобы не препятствовать канавки или выходят за пределы входа лицо.
   2. Аккуратно положите верхнюю пластину заподлицо с вертикальной поверхности и сдвиньте ее вниз, чтобы сидеть на нижней пластины и прокладки. Холдинг обе плиты вплотную к вертикальной поверхности, вставьте винты. Винтовые их вниз постепенно в чередуются. Эта процедура приводит к волновод с идеально плоской поверхности входных и равномерное расстояние пластины.

2. Экспериментальный аппарат

Этот протокол предполагает, что пользователь гас доступом к передаче геометрии терагерцового временной области спектрометра (в нашем случае, Picometrix T-Ray 4.000) и знаком с получением временной области сигналов и преобразование Фурье в частотной области.

1. Конфокальной конфигурации. Если уже нет, четыре линзы должны быть введены в пути луча в конфокальной ориентации для того, чтобы обеспечить плотный фокус в середине пути.
2. Поместите диафрагмы в фокальной точке. Диафрагма должна быть достаточно большой, чтобы заблокировать все излучения, распространяющегося только через волновод. Размер диафрагмы будет определять размер пучка, распространяющегося в волноводе (в нашем случае 12 мм).
3. Место волновода непосредственно за диафрагмой, с входным лица в контакте с диафрагмой и с осью волноводного распространения выровнен как можно ближе с оптической осью. Выравнивание здесь имеет решающее значение - отражения, дисперсии, вариации в обрезания и резонансных частот, и других яОПРОСЫ могут возникнуть из-за неправильного выравнивания волновода. Используйте безопасные держателем для обеспечения REPEATABLE РАЗМЕЩЕНИЯ.
4. Шприц держателя: это полезно иметь структуру, которая держит шприц на место так, чтобы кончик совмещена с канавкой. Делая это, вы можете снизить вероятность ошибок в заполнении из-за движения шприцем в руках.

3. Подготовка проб

1. Процедура очистки: Разберите волновода. Промойте обе пластины волновода полностью в соответствующем растворителе для удаления остатков из эксперимента. Продуйте сжатым воздухом. Соберите как и в 1.3.
2. Подготовка шприца. Для достижения наилучших результатов, мы рекомендуем использовать различные шприцы для каждого материала, чтобы предотвратить перекрестное загрязнение. Если это невозможно, то шприцем также должны быть очищены с тем же растворителем.
3. Заполните шприц соответствующий объем заполнения с жидкостью для тестирования. Попробуйте устранить любые пузыри.

4. Экспериментальная процедура

1. Поместите ungrooved волновода ссылкой на аппарат, как описано в (2,3). Возьмите опорного сигнала из ungrooved волновода, а затем удалить. Это необходимо только раз в несколько часов во время каждой экспериментальной сессии, в зависимости от долгосрочной стабильности во временной области спектрометра сигнал.
2. Поместите чистую канавками волновода в аппарат, как описано в (2,3)
3. Возьмите сигнала для пустой рифленый волновода. ПРИМЕЧАНИЕ: Это должно быть сделано каждый раз, когда волновод удаляется и очищается. Процесс снятия и разборки может привести к очень небольшие изменения в геометрии волновода. Эти изменения повлияют на абсолютную резонансную частоту пустых и заполненных канавками, но не наблюдаемый сдвиг, поэтому каждое "полное" измерение требует своих "пустых" ссылок для расчета сдвига.
4. Без перемещения волновода, положите заполненный шприц на место в держатель. Медленно заполните паз, сохранивследить за тем, заливка хорошо, без пузырьков или переполнения. (Как определить правильное заполнение суммы описано в разделе Обсуждение). Возьмем другой сигнал.
5. Если в системе имеется более одного паза, продолжить заполнение канавок и принимать сигналы как хотелось бы.
6. Удалить волновода и очистить (как в шаге 3).
7. Повторите столько раз, сколько необходимо. Для достижения наилучших результатов нескольких наборов данных для каждого образца рекомендуется уменьшить ошибку.

5. Представитель Результаты

Данные анализа этих сигналов является простым и может следовать обычным методам экспериментатора для преобразования в частотной области. Частотные спектры наподобие тех, что на Рисунке 3 должна привести. Они могут быть квадрат и делится на опорного сигнала для получения энергии спектров пропускания, таких как рис 4. Ширина линии и центральная частота резонанса для пустой и полной волноводов может быть мeasured из этих спектров, или лоренцевы приступы могут быть выполнены для повышения точности.

Резонансный сдвиг, вызванный жидкость только разница между наблюдаемой центральной частоты резонанса для пустой и полной волноводов. Чтобы преобразовать это измерение индекса преломления, отношения между сдвигом и RI должны быть установлены. Это можно сделать экспериментально после этой процедуры с образцами известных индекс, или вычислительно путем проведения моделирования паз заполнен образцами известно индекс ^9, или аналитически, используя режим методы сопоставления ^8. После того, как сдвиг по сравнению с кривой RI установлено, RI измерения неизвестных образцов может быть точно выполнены.

Есть несколько конкретных ошибок, которые могут возникнуть во время этой процедуры. Пузыри или ошибки в заполнении паза может привести к шумным или неверных данных, поэтому мы рекомендуем нескольких наборов данных для каждой SAmple материала. Другой частый источник ошибок в размещении волноводов. Если ссылка волноводов и датчик находятся в точно такой же выравнивание, любые размышления или других артефактов будет такой же, как и разделим из спектра пропускания. Если выравнивание немного выключено, отражение не будет делить, и звон будет наблюдаться в спектрах пропускания (некоторые незначительные звон можно увидеть на рисунке 4). Если это не желательно, чтобы вернуть данные, можно устранить этот звон путем обрезки временной области сигнала до отражения появляется, но это значительно снижает спектральное разрешение и, следовательно, преломления резолюции индекс ограничены.

Рисунок 1. Фотография волновода с соответствующими частями обозначены. Обратите внимание, что паз не распространяется электроннойntire длины или ширины волновода и структура устроена так, что крепеж не будет препятствовать канавки или пути распространения излучения.

Рисунок 2. Схема рифленой волновода.

Рисунок 3. (А) Пример частотного спектра для ведения волновода (черный), рифленые волновода без жидкости заполнения (синий), и рифленые волновода с жидкостью, в данном случае тетрадекана (красный). Частоты среза для TE ₁ и TE 3 режима распространения показано, как и вода линий поглощения паров. (Б) Крупным планом резонансов для пустой и полной рифленой волноводов.

Рисунок 4. Мощности спектров пропускания для пустой и полной рифленой волноводов. Разница в частоте между двумя резонансными особенностей является резонансным сдвига (Δf), который относится к показателю преломления.

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

Обсуждение

Следует отметить, что показатель преломления жидкости при тесте определяется только на частоте резонансной полости, не более широкую полосу пропускания. Это имеет несколько явных преимуществ. Во-первых, хотя наши измерения воспользовались широкополосный источник терагерцового для х...

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

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Название реагента	Компания	Номер в каталоге	Комментарии (по желанию)
10 мкл шприц	Гамильтон	80314	Высокая точность шприца
Жидкие алканы	Acros Organics		Образцы для калибровки и тестирования
			Нет специального оборудования не требуется. Подходит тестовых материалов и растворителей на усмотрение экспериментатора. Высокоточных шприцы, используемые в этой процедуре приведены в таблице ниже, но экспериментатор, возможно, пожелают использовать шприцы разного объема и конструкции, в том числе цифровые шприцы для повышения точности. Тест алканов, используемые в данном эксперименте, также перечислены.