Terahertz détection microfluidique en utilisant un capteur de guide d'ondes à plaques parallèles

Ce protocole utilise un guide d'ondes à plaque parallèle rainuré pour mesurer l'indice de réfraction d'un échantillon microfluidique à des fréquences térahertz. Concevez et fabriquez tout d'abord le guide d'ondes rainuré afin qu'il présente une résonance dans la gamme térahertz. Ensuite, à l'aide d'un système de spectroscopie térahertz dans le domaine temporel, mesurez la fréquence de résonance du guide d'ondes. Puis, remplissez le guide d'ondes avec un volume soigneusement mesuré du fluide échantillon.

La dernière étape consiste à mesurer la fréquence de résonance du guide d'onde rempli. En fin de compte, la différence entre les fréquences de résonance des guides d'onde vide et rempli peut être utilisée pour déterminer l'indice de réfraction de l'échantillon dans la gamme de fréquences térahertz. En général, les personnes novices dans cette méthode éprouvent des difficultés en raison de la très grande précision requise pour obtenir des résultats reproductibles.

Kim reel, une autre étudiante diplômée du laboratoire de Daniel Middleman, et moi allons maintenant démontrer la procédure. Concevez un guide d'ondes à plaques parallèles comportant une ou plusieurs cavités ou rainures intégrées. Fondez la géométrie sur les paramètres détaillés dans le manuscrit accompagnant et consultez également nos publications antérieures.

Voici quelques principes directeurs généraux. Commencez par une taille de plaque suffisamment grande pour être considérée comme infinie par rapport au faisceau incident, afin de permettre un accès facile à la rainure. Rendez la plaque inférieure du guide d'onde nettement plus large que la plaque supérieure, de sorte que la rainure s'étende sur presque toute la largeur de la plaque.

Réglez la longueur de propagation de manière à ce que le guide d'ondes dans son ensemble soit au moins trois fois plus long que l'étendue de la rainure, et que les trous dans la plaque inférieure soient filetés tandis que ceux de la plaque supérieure ne le soient pas. La conception de la rainure dépendra de la fréquence de résonance souhaitée, de la largeur de raie souhaitée et de l'espacement choisi entre les plaques, entre autres facteurs. Il est important de prendre en compte les limitations de vos techniques de fabrication pour des rainures très étroites ou très peu profondes, à utiliser comme référence.

Concevez également un dispositif identique dépourvu de rainure. Maintenez l'espacement des plaques à l'aide d'espacers diélectriques, tels que des éclats provenant d'un microscope brisé. La machine Slide Machine fabrique le guide d'onde.

Importamment, ne pas émousser les bords des plaques, en particulier sur la face d'entrée. L'arrondi des bords est une pratique courante dans de nombreux ateliers mécaniques pour des raisons de sécurité, mais un bord arrondi sur la face d'entrée déformera le signal. Commencer le montage avec une structure possédant deux surfaces planes perpendiculaires l'une à l'autre.

Placez la plaque inférieure sur la surface horizontale et appuyez dessus. Alignez-la contre la surface verticale. Insérez les entretoises diélectriques aussi près que possible des trous de vis.

Deux par vis, une de chaque côté. Vérifiez que les vis n'obstruent pas la rainure ni ne dépassent de la face d'entrée. Placez soigneusement la plaque supérieure à ras de la surface verticale et faites-la glisser vers le bas pour qu'elle repose sur la plaque inférieure et les entretoises.

Maintenant, maintenez les deux plaques bien à plat contre la surface verticale. Insérez les vis et serrez-les progressivement selon un motif alterné. Examinez le guide d'ondes final pour vérifier que la face d'entrée est parfaitement plane et que l'espacement entre les plaques est uniforme.

Commencez par configurer l'appareil. Si ce n'est pas déjà fait, insérez quatre lentilles dans le trajet du faisceau rah hertz selon une orientation confocale. Afin d'obtenir un focalisation étroite au point médian du trajet, placez une ouverture de 12 millimètres au point focal.

L'ouverture doit être suffisamment grande pour bloquer tout rayonnement, sauf celui qui se propage à travers le guide d'ondes. La taille de l'ouverture déterminera la dimension du faisceau se propageant dans le guide d'ondes. Utilisez un support fixe pour garantir un positionnement reproductible du guide d'ondes.

Placez ensuite le guide d'ondes immédiatement derrière l'ouverture, avec la face d'entrée en contact avec l'ouverture et l'axe de propagation du guide d'ondes aligné le plus précisément possible sur l'axe optique. Cet alignement est critique, car des réflexions, une dispersion ou des variations au niveau du seuil de coupure, des fréquences de résonance et d'autres problèmes peuvent survenir en cas d'alignement incorrect du guide d'ondes. Placez maintenant le support de seringue de manière à ce que l'extrémité de la seringue soit alignée avec la rainure.

Pour de meilleurs résultats, utilisez une seringue différente pour chaque matériau afin d'éviter toute contamination croisée. Remplissez la seringue avec le liquide à tester et éliminez toutes les bulles. Également entre chaque essai.

Suivez une procédure de nettoyage qui nécessite de démonter d'abord le guide d'ondes. Lavez ensuite soigneusement les deux plaques avec un solvant approprié afin d'éliminer tout résidu de l'expérience. Séchez-les avec de l'air comprimé, puis remontez le guide d'ondes comme indiqué précédemment.

Commencez par une forme d'onde de référence du guide d'ondes grod. Une forme d'onde de référence n'est nécessaire qu'une fois toutes les quelques heures au cours de chaque séance expérimentale, selon la stabilité à long terme du signal du spectromètre dans le domaine temporel.

Retirez le guide d'ondes non rainuré. Ensuite, placez le guide d'ondes rainuré propre dans l'appareil. Enregistrez un signal pour le guide d'ondes groupé vide.

Le processus de retrait et de désassemblage peut entraîner de très légères variations dans la géométrie du guide d'ondes. Ces variations affecteront la fréquence de résonance absolue des rainures vides et remplies, mais pas le décalage observé. Par conséquent, chaque mesure complète nécessite sa propre référence à vide.

Pour calculer le décalage sans déplacer le guide d'ondes, insérez la seringue remplie dans le support. Remplissez lentement la rainure en veillant à ce que le remplissage soit correct, sans bulles ni débordement.

Prenez une autre forme d'onde. Si le système comporte plus d'une rainure, continuez à remplir les rainures selon les besoins. Retirez le guide d'onde et nettoyez-le avant de collecter le prochain jeu de données.

Dans cet exemple de guide d'ondes bien fabriqué, noter que la rainure ne s'étend pas sur toute la longueur ou la largeur du guide d'ondes. Une fois assemblé, la géométrie du guide d'ondes à plaques parallèles est adaptée à la mise en œuvre d'un capteur d'indice de réfraction pour les fréquences térahertz. Un petit volume de liquide est nécessaire pour la mesure de l'indice de réfraction.

Ces données montrent des spectres de fréquence typiques et sont obtenues à partir d'une analyse du tétradcane. Le spectre obtenu à partir du guide d'ondes de référence non rainuré est représenté en noir, les mesures du guide d'ondes rainuré sans remplissage liquide sont indiquées en bleu, et le guide d'ondes rainuré contenant un échantillon de tétradcane apparaît en rouge. Les spectres d'amplitude pour les guides d'ondes rainurés vide et rempli sont ensuite élevés au carré et divisés par le spectre du guide d'ondes de référence afin d'obtenir les spectres de transmission de puissance.

La différence de fréquence entre les caractéristiques de résonance des guides d'ondes vides et pleins correspond au décalage de résonance, qui est lié à l'indice de réfraction. Lors de la réalisation de cette procédure, il est important de rester aussi constant que possible et de faire attention à minimiser la contamination croisée dans le guide d'ondes. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez bien comprendre comment obtenir une mesure de l'indice de réfraction d'un échantillon microfluidique en mesurant la fréquence de résonance d'un guide d'ondes à plaques parallèles rainuré à l'aide de la spectroscopie térahertz en domaine temporel.