Terahertz microfluídicos detección utilizando un sensor de guía de ondas de placas paralelas

Este protocolo utiliza una guía de onda de placas paralelas ranurada para medir el índice de refracción de una muestra microfluídica a frecuencias de terahercios. Primero, diseñe y fabrique la guía de onda ranurada para que presente una resonancia en el rango de terahercios. Luego, utilizando un sistema de espectroscopía en el dominio temporal de terahercios, mida la frecuencia resonante de la guía de onda. A continuación, llene la guía de onda con un volumen cuidadosamente medido del fluido de muestra.

El paso final consiste en medir la frecuencia resonante de la guía de onda llena. En última instancia, la diferencia entre las frecuencias resonantes de las guías de onda vacía y llena puede utilizarse para determinar el índice de refracción de la muestra en el rango de frecuencia de terahercios. Por lo general, las personas nuevas en este método tendrán dificultades debido a la precisión muy elevada necesaria para obtener resultados repetibles.

Kim Reel, otra estudiante de posgrado del Laboratorio de Daniel Middleman, y yo ahora demostraremos el procedimiento. Diseñe una guía de onda de placas paralelas con una o más cavidades o ranuras integradas. Base la geometría en los parámetros detallados en el manuscrito adjunto y consulte también nuestras publicaciones anteriores.

Estos son algunos principios generales orientadores. Comience con un tamaño de placa lo suficientemente amplio como para considerarlo infinito en comparación con el haz de entrada, lo que permitirá un fácil acceso al surco. Haga que la placa inferior del guíaondas sea significativamente más ancha que la placa superior, de modo que el surco se extienda casi por toda la anchura de la placa.

Configure la longitud de propagación de modo que la guía de ondas en su conjunto sea al menos tres veces más larga que la extensión de la ranura, y los orificios en la placa inferior estén roscados mientras que los de la placa superior no lo estén. El diseño de la ranura dependerá de la frecuencia resonante deseada, el ancho de línea deseado y la separación elegida entre placas, entre otros factores. Es importante considerar las limitaciones de sus técnicas de fabricación para ranuras muy estrechas o muy poco profundas para su uso como referencia.

Además, fabrique un diseño idéntico sin ranura. Mantenga el espaciado entre placas utilizando separadores dieléctricos, como fragmentos de un microscopio roto. La máquina deslizante fabrica la guía de ondas.

Es importante no achatarse los bordes de las placas, particularmente en la cara de entrada. Los bordes redondeados son una práctica común en muchos talleres mecánicos por razones de seguridad, pero un borde redondeado en la cara de entrada distorsionará la señal. Comience el ensamblaje con una estructura que tenga dos superficies planas perpendiculares entre sí.

Coloque la placa inferior sobre la superficie horizontal y presiónela. Ajuste contra la superficie vertical. Inserte los separadores dieléctricos lo más cerca posible de los orificios de los tornillos.

Dos por tornillo, uno en cada lado. Verifique que los tornillos no obstruyan la ranura ni sobresalgan más allá de la cara de entrada. Con cuidado, coloque la placa superior alineada contra la superficie vertical y deslícela hacia abajo para que quede apoyada sobre la placa inferior y los separadores.

Ahora sostenga ambas placas alineadas contra la superficie vertical. Inserte los tornillos y apriételos progresivamente en un patrón alternado. Examine la guía de ondas final para verificar una cara de entrada perfectamente plana y un espaciado uniforme entre las placas.

Comience por configurar el aparato. Si aún no están presentes, introduzca cuatro lentes en la trayectoria del haz rah hertz en una orientación confocal. Para lograr un enfoque estrecho en el punto medio de la trayectoria, coloque una abertura de 12 milímetros en el punto focal.

La abertura debe ser lo suficientemente grande como para bloquear toda la radiación, excepto la que pasa a través de la guía de ondas. El tamaño de la abertura determinará el tamaño del haz que se propaga en la guía de ondas. Utilice un soporte seguro para garantizar una colocación repetible de la guía de ondas.

A continuación, coloque la guía de ondas inmediatamente detrás de la abertura, con la cara de entrada en contacto con la abertura y con el eje de propagación de la guía de ondas alineado lo más posible con el eje óptico. Esta alineación es crítica, ya que pueden surgir reflexiones, variaciones de dispersión en el corte, frecuencias resonantes y otros problemas debido a una alineación inadecuada de la guía de ondas. Ahora, coloque el soporte de la jeringa de manera que la punta de la jeringa quede alineada con la ranura.

Para obtener los mejores resultados, utilice una jeringa diferente para cada material para evitar la contaminación cruzada. Llene la jeringa con el líquido que se va a probar y elimine cualquier burbuja. También entre ensayos.

Siga un procedimiento de limpieza que requiere desmontar primero la guía de onda. Luego, lave ambas placas exhaustivamente con un disolvente adecuado para eliminar cualquier residuo del experimento. Sopla seco con aire comprimido y vuelva a armar la guía de onda como se mostró anteriormente.

Comience con una forma de onda de referencia de la guía de onda grod. Una forma de onda de referencia solo es necesaria una vez cada pocas horas durante cada sesión experimental, dependiendo de la estabilidad a largo plazo de la señal del espectrómetro en el dominio del tiempo.

Retire la guía de ondas sin agrupar. A continuación, coloque la guía de ondas ranurada limpia en el aparato. Registre una forma de onda para la guía de ondas agrupada vacía.

El proceso de extracción y desmontaje puede provocar variaciones muy pequeñas en la geometría de la guía de onda. Estas variaciones afectarán la frecuencia resonante absoluta de las ranuras vacías y llenas, pero no el desplazamiento observado. Por lo tanto, cada medición completa requiere su propia referencia vacía.

Para calcular el desplazamiento sin mover la guía de ondas, coloque la jeringa llena en su sitio en el soporte. Llene lentamente la ranura manteniendo. Observe que la llenado sea adecuado, sin burbujas ni desbordamiento.

Tome otra forma de onda. Si el sistema tiene más de una ranura, continúe llenando las ranuras según sea necesario. Retire la guía de ondas y límpiela antes de recopilar el siguiente conjunto de datos.

En este ejemplo de una guía de ondas bien fabricada, observe que la ranura no se extiende a lo largo de toda la longitud ni del ancho de la guía de ondas. Una vez ensamblada, la geometría de la guía de ondas de placas paralelas es adecuada para implementar un sensor de índice de refracción para frecuencias de terahercios. Se requiere un pequeño volumen de líquido para la medición del índice de refracción.

Estos datos muestran espectros de frecuencia típicos y se obtienen a partir de un análisis de tetra decano. El espectro obtenido a partir de la guía de onda de referencia sin ranuras se muestra en negro, las mediciones de la guía de onda ranurada sin llenado de líquido se indican en azul, y la guía de onda ranurada con una muestra de tetra decano aparece en rojo. Los espectros de amplitud para las guías de onda ranuradas vacía y llena se elevan luego al cuadrado y se dividen por el espectro de la guía de onda de referencia para obtener los espectros de transmisión de potencia.

La diferencia en frecuencia entre las características resonantes de las guías de onda vacías y llenas es el desplazamiento resonante, que se relaciona con el índice de refracción. Al realizar este procedimiento, es importante recordar ser lo más constante posible y tener cuidado para minimizar la contaminación cruzada en la guía de onda. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo obtener una medición del índice de refracción de una muestra microfluídica midiendo la frecuencia resonante de una guía de onda de placas paralelas ranurada mediante espectroscopia terahercios en el dominio del tiempo.