Terahertz Sensing microfluidici Utilizzando un parallelo-piastra sensore guida d'onda

Questo protocollo utilizza una guida d'onda a piastra parallela scanalata per misurare l'indice di rifrazione di un campione microfluidico a frequenze terahertz. Progettare e realizzare innanzitutto la guida d'onda scanalata in modo che presenti una risonanza nell'intervallo terahertz. Successivamente, mediante un sistema di spettroscopia nel dominio del tempo a terahertz, misurare la frequenza di risonanza della guida d'onda. Poi, riempire la guida d'onda con un volume accuratamente misurato del fluido campione.

L'ultimo passaggio consiste nel misurare la frequenza di risonanza della guida d'onda riempita. In definitiva, la differenza tra le frequenze di risonanza della guida d'onda vuota e di quella riempita può essere utilizzata per determinare l'indice di rifrazione del campione nell'intervallo di frequenza terahertz. In generale, le persone nuove rispetto a questo metodo incontreranno difficoltà a causa dell'elevatissima accuratezza richiesta per ottenere risultati ripetibili.

Kim, un'altra studentessa laureata del Laboratorio di Daniel Middleman, e io illustreremo ora la procedura. Progettare una guida d'onda a piastre parallele con una o più cavità o scanalature integrate. Basare la geometria sui parametri descritti nel manoscritto allegato e fare riferimento anche alle nostre pubblicazioni precedenti.

Questi sono alcuni principi generali di riferimento. Iniziare con una dimensione della piastra sufficientemente ampia da poter essere considerata infinita rispetto al fascio in ingresso, in modo da consentire un facile accesso alla scanalatura. Rendere la piastra inferiore della guida d'onda significativamente più larga della piastra superiore, in modo che la scanalatura si estenda per quasi tutta la larghezza della piastra.

Regolare la lunghezza di propagazione in modo che la guida d'onda nel suo complesso sia almeno tre volte più lunga dell'estensione della scanalatura e in modo che i fori nella piastra inferiore siano filettati, mentre quelli nella piastra superiore non lo siano. La progettazione della scanalatura dipenderà dalla frequenza risonante desiderata, dalla larghezza di riga desiderata e dalla distanza scelta tra le piastre, oltre ad altri fattori. È importante considerare i limiti delle tecniche di fabbricazione per scanalature molto strette o molto poco profonde per un utilizzo come riferimento.

Produrre anche una progettazione identica priva di scanalatura. Mantenere la distanza tra le piastre utilizzando distanziatori dielettrici, come frammenti di un microscopio rotto. Slide Machine realizzerà la guida d'onda.

È importante non smussare i bordi delle piastre, in particolare sulla faccia di ingresso. Gli spigoli arrotondati sono una pratica comune in molte officine meccaniche per motivi di sicurezza, ma un bordo arrotondato sulla faccia di ingresso distorcerà il segnale. Iniziare il montaggio con una struttura dotata di due superfici piane perpendicolari tra loro.

Posizionare la piastra inferiore su una superficie orizzontale e premere. Allineare con la superficie verticale. Inserire gli spaziatori dielettrici il più vicino possibile ai fori delle viti.

Due per vite, una per ciascun lato. Verificare che le viti non ostruiscano la scanalatura né sporgano oltre la faccia di ingresso. Posizionare con attenzione la piastra superiore a filo con la superficie verticale e farla scorrere verso il basso in modo che poggia sulla piastra inferiore e sugli spessori.

Ora tenere entrambe le piastre perfettamente aderenti alla superficie verticale. Inserire le viti e avvitarle gradualmente in modo alternato. Esaminare la guida d'onda finale per verificare che la faccia di ingresso sia perfettamente piana e che la distanza tra le piastre sia uniforme.

Iniziare configurando l'apparato. Se non già presenti, inserire quattro lenti nel percorso del fascio rah hertz in un'orientazione confocale. Per ottenere un fuoco stretto nel punto medio del percorso, posizionare un'apertura di 12 millimetri nel punto focale.

L'apertura deve essere abbastanza grande da bloccare tutta la radiazione impedendone la propagazione, eccetto attraverso la guida d'onda. La dimensione dell'apertura determinerà le dimensioni del fascio che si propaga nella guida d'onda. Utilizzare un supporto stabile per garantire un posizionamento ripetibile della guida d'onda.

Posizionare successivamente la guida d'onda immediatamente dietro l'apertura, con la faccia di ingresso a contatto con l'apertura e con l'asse di propagazione della guida d'onda allineato il più possibile con l'asse ottico. Questo allineamento è critico: riflessioni, dispersione e variazioni nella frequenza di taglio, nonché altri problemi, possono verificarsi a causa di un errato allineamento della guida d'onda. Posizionare ora il supporto della siringa in modo che la punta della siringa sia allineata con la scanalatura.

Per ottenere i migliori risultati, utilizzare una siringa diversa per ogni materiale al fine di evitare contaminazioni incrociate. Riempire la siringa con il liquido da testare ed eliminare eventuali bolle d'aria. Fare altrettanto tra un'analisi e l'altra.

Seguire una procedura di pulizia che richiede prima lo smontaggio della guida d'onda. Lavare quindi accuratamente entrambe le piastre con un solvente appropriato per rimuovere eventuali residui dell'esperimento. Asciugare con aria compressa e rimontare la guida d'onda come mostrato in precedenza.

Iniziare con una forma d'onda di riferimento della guida d'onda grod. Una forma d'onda di riferimento è necessaria solo una volta ogni poche ore durante ogni sessione sperimentale, a seconda della stabilità a lungo termine del segnale del dominio temporale dello spettrometro.

Rimuovere la guida d'onda non scanalata. Successivamente, posizionare la guida d'onda scanalata pulita nell'apparato. Registrare un'onda per la guida d'onda scanalata vuota.

Il processo di rimozione e smontaggio può provocare variazioni molto piccole nella geometria della guida d'onda. Queste variazioni influenzeranno la frequenza risonante assoluta delle scanalature vuote e riempite, ma non lo spostamento osservato. Pertanto, ogni misurazione completa richiede un proprio riferimento vuoto.

Per calcolare lo spostamento senza spostare la guida d'onda, posizionare la siringa piena nel supporto. Riempire lentamente la scanalatura mantenendo. Verificare che il riempimento sia adeguato, senza bolle o traboccamenti.

Prendere un'altra forma d'onda. Se il sistema ha più di una scanalatura, continuare a riempire le scanalature e acquisire i dati secondo necessità. Rimuovere la guida d'onda e pulirla prima di raccogliere il set di dati successivo.

In questo esempio di un'onda guidata ben realizzata, si noti che la scanalatura non si estende per tutta la lunghezza o larghezza dell'onda guidata. Una volta assemblata, la geometria dell'onda guidata a piastre parallele è adatta per l'implementazione di un sensore di indice di rifrazione per frequenze terahertz. È richiesto un piccolo volume di liquido per la misurazione dell'indice di rifrazione.

Questi dati mostrano spettri di frequenza tipici e sono ottenuti da un'analisi del tetradecano. Lo spettro ottenuto dalla guida d'onda di riferimento senza scanalature è mostrato in nero, le misurazioni della guida d'onda scanalata senza riempimento liquido sono indicate in blu, e la guida d'onda scanalata con campione di tetradecano è in rosso. Gli spettri di ampiezza per le guide d'onda scanalate vuote e piene vengono quindi elevati al quadrato e divisi per lo spettro della guida d'onda di riferimento al fine di ottenere gli spettri di trasmissione della potenza.

La differenza di frequenza tra le caratteristiche risonanti delle guide d'onda vuote e piene è lo spostamento risonante, che è correlato all'indice di rifrazione. Durante l'esecuzione di questa procedura, è importante ricordare di essere il più possibile coerenti e di prestare attenzione a minimizzare la contaminazione incrociata nella guida d'onda. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come ottenere una misura dell'indice di rifrazione di un campione microfluidico misurando la frequenza risonante di una guida d'onda a piastre parallele scanalata mediante spettroscopia nel dominio temporale a terahertz.