Terahertz Microfluidic Sensing mit einem Parallel-Platte Waveguide Sensor

Dieses Protokoll verwendet eine gerillte Parallelplatten-Wellenleiteranordnung, um den Brechungsindex einer mikrofluidischen Probe bei Terahertz-Frequenzen zu messen. Zunächst entwerfen und fertigen Sie den gerillten Wellenleiter so an, dass er eine Resonanz im Terahertz-Bereich aufweist. Anschließend messen Sie mithilfe eines Terahertz-Zeitbereich-Spektroskopie-Systems die Resonanzfrequenz des Wellenleiters. Füllen Sie danach den Wellenleiter mit einem genau bestimmten Volumen der Probenflüssigkeit.

Der letzte Schritt besteht darin, die Resonanzfrequenz des gefüllten Wellenleiters zu messen. Letztendlich kann die Differenz zwischen den Resonanzfrequenzen für den leeren und den gefüllten Wellenleiter verwendet werden, um den Brechungsindex der Probe im Terahertz-Frequenzbereich zu bestimmen. Im Allgemeinen haben Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten, da eine sehr hohe Genauigkeit erforderlich ist, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.

Kim und ein weiterer Doktorand aus dem Labor von Daniel Middleman werden nun das Verfahren demonstrieren. Entwerfen Sie einen planparallelen Wellenleiter mit einem oder mehreren integrierten Hohlräumen oder Nuten. Legen Sie die Geometrie zugrunde, die in der begleitenden Veröffentlichung detailliert beschriebenen Parameter, und ziehen Sie außerdem unsere früheren Publikationen heran.

Das sind einige allgemeine Leitprinzipien. Beginnen Sie mit einer Plattendicke, die breit genug ist, um als unendlich im Vergleich zum Eingangsstrahl betrachtet werden zu können, um einen einfachen Zugang zur Nut zu ermöglichen. Machen Sie die untere Wellenleiterplatte deutlich breiter als die obere Platte, sodass sich die Nut nahezu über die gesamte Breite der Platte erstreckt.

Wählen Sie die Ausbreitungslänge so, dass der Wellenleiter insgesamt mindestens dreimal so lang ist wie die Ausdehnung der Nut, und stellen Sie sicher, dass die Bohrungen in der unteren Platte gewindebohrung sind, während jene in der oberen Platte nicht gewindebohrt sind. Das Design der Nut hängt unter anderem von der gewünschten Resonanzfrequenz, der gewünschten Linienbreite und dem gewählten Plattenabstand ab. Es ist wichtig, die Grenzen Ihrer Fertigungstechniken hinsichtlich sehr schmaler oder sehr flacher Nuten zu berücksichtigen, wenn die Vorrichtung als Referenz verwendet werden soll.

Stellen Sie außerdem ein identisches Design ohne Nut her. Halten Sie den Plattenabstand mit dielektrischen Abstandshaltern aufrecht, beispielsweise Splittern einer zerbrochenen Mikroskopplatte. Die Firma Slide Machine fertigt den Lichtwellenleiter.

Wichtig ist, die Kanten der Platten nicht abzurunden, insbesondere nicht an der Eingangsfläche. Abgerundete Kanten sind in vielen Werkstätten aus Sicherheitsgründen üblich, jedoch würde eine abgerundete Kante an der Eingangsfläche das Signal verzerren. Beginnen Sie den Zusammenbau mit einer Struktur, die zwei zueinander senkrechte ebene Flächen aufweist.

Platzieren Sie die untere Platte auf der horizontalen Fläche und drücken Sie sie fest an die vertikale Fläche. Setzen Sie die dielektrischen Abstandshalter so nah wie möglich an die Schraublöcher ein.

Zwei pro Schraube, eine auf jeder Seite. Prüfen Sie sorgfältig, ob die Schrauben die Nut behindern oder über die Eingangsfläche hinausragen. Setzen Sie die obere Platte bündig an die vertikale Fläche und schieben Sie sie nach unten, sodass sie auf der unteren Platte und den Abstandshaltern aufliegt.

Beide Platten nun bündig an der vertikalen Oberfläche angedrückt halten. Die Schrauben einsetzen und im wechselnden Muster schrittweise festschrauben. Überprüfen Sie den fertigen Wellenleiter auf eine vollständig ebene Eingangsfläche und gleichmäßigen Plattenabstand.

Beginnen Sie mit der Konfiguration der Apparatur. Falls noch nicht vorhanden, bringen Sie vier Linsen in den rah-hertz-Strahlengang in einer konfokalen Anordnung an. Um eine enge Fokussierung in der Mitte des Strahlengangs zu gewährleisten, platzieren Sie eine Blende mit 12 Millimetern Durchmesser im Brennpunkt.

Die Blende sollte groß genug sein, um sämtliche Strahlung außer der durch den Wellenleiter laufenden zu blockieren. Die Größe der Blende bestimmt die Strahlgröße, die im Wellenleiter propagiert. Verwenden Sie eine sichere Halterung, um eine reproduzierbare Positionierung des Wellenleiters zu gewährleisten.

Positionieren Sie nun den Wellenleiter unmittelbar hinter der Blende, sodass die Eingangsfläche mit der Blende in Kontakt steht und die Ausbreitungsachse des Wellenleiters möglichst genau mit der optischen Achse ausgerichtet ist. Diese Ausrichtung ist kritisch, da sonst Reflexionen, Dispersionsvariationen in der Grenzfrequenz sowie andere Probleme aufgrund einer unsachgemäßen Ausrichtung des Wellenleiters auftreten können. Platzieren Sie nun den Spritzenhalter so, dass die Spitze der Spritze mit der Nut ausgerichtet ist.

Verwenden Sie für optimale Ergebnisse eine andere Spritze für jedes Material, um Kreuzkontaminationen zu vermeiden. Füllen Sie die Spritze mit der zu prüfenden Flüssigkeit und entfernen Sie alle Blasen. Dies gilt auch zwischen den Durchläufen.

Befolgen Sie ein Reinigungsverfahren, das zunächst die Demontage des Wellenleiters erfordert. Anschließend beide Platten gründlich in einem geeigneten Lösungsmittel waschen, um Rückstände aus dem Experiment zu entfernen. Mit Druckluft trockenblasen und den Wellenleiter wie zuvor gezeigt wieder zusammensetzen.

Beginnen Sie mit einer Referenzwellenform des Grod-Wellenleiters. Eine Referenzwellenform ist während jeder experimentellen Sitzung nur einmal alle paar Stunden erforderlich, abhängig von der Langzeitstabilität des Zeitbereichs-Spektrometersignals.

Entfernen Sie den ungeordneten Wellenleiter. Stellen Sie anschließend den sauberen, rilligen Wellenleiter in die Vorrichtung. Nehmen Sie eine Wellenform für den leeren geordneten Wellenleiter auf.

Der Prozess der Entfernung und Demontage kann zu sehr geringen Änderungen in der Geometrie des Wellenleiters führen. Diese Änderungen beeinflussen die absolute Resonanzfrequenz der leeren und gefüllten Rillen, nicht jedoch die beobachtete Verschiebung. Daher erfordert jede vollständige Messung eine eigene leere Referenz.

Um die Verschiebung zu berechnen, ohne den Wellenleiter zu bewegen, setzen Sie die gefüllte Spritze in den Halter ein. Füllen Sie die Nut langsam unter gleichzeitigem Beobachten, ob die Füllung gut ist und keine Blasen oder Überläufe auftreten.

Nehmen Sie eine weitere Wellenform auf. Wenn das System mehr als eine Nut hat, füllen Sie weiterhin Nuten und nehmen Sie nach Bedarf auf. Entfernen Sie den Wellenleiter und reinigen Sie ihn, bevor Sie den nächsten Datensatz sammeln.

Bei diesem Beispiel eines gut gefertigten Wellenleiters ist zu beachten, dass die Nut nicht die gesamte Länge oder Breite des Wellenleiters durchzieht. Nach dem Zusammenbau eignet sich die Geometrie des Parallelplatten-Wellenleiters zur Realisierung eines Brechungsindex-Sensors für Terahertz-Frequenzen. Für die Messung des Brechungsindex ist nur ein geringes Flüssigkeitsvolumen erforderlich.

Diese Daten zeigen typische Frequenzspektren und wurden aus einer Analyse von Tetradecan gewonnen. Das Spektrum, das von dem Referenz-Wellenleiter ohne Rillen stammt, ist in Schwarz dargestellt; Messungen des gerillten Wellenleiters ohne Flüssigkeitsfüllung sind in Blau angegeben, und der gerillte Wellenleiter mit einer Tetradecan-Probe ist in Rot dargestellt. Die Amplitudenspektren für den leeren und den gefüllten gerillten Wellenleiter werden anschließend quadriert und durch das Spektrum des Referenz-Wellenleiters dividiert, um die Leistungs-Transmissionspektren zu erhalten.

Der Unterschied in der Frequenz zwischen den resonanten Eigenschaften der leeren und gefüllten Wellenleiter ist die Resonanzverschiebung, die mit dem Brechungsindex zusammenhängt. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, stets möglichst konsistent vorzugehen und darauf zu achten, eine Kreuzkontamination im Wellenleiter so gering wie möglich zu halten. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man eine Messung des Brechungsindex einer mikrofluidischen Probe erhält, indem man die Resonanzfrequenz eines gerillten Parallelplatten-Wellenleiters mittels Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie misst.