Terahertz Microfluïdische Sensing via een parallelle-plaat Waveguide Sensor

Dit protocol maakt gebruik van een gegroefde parallelle plaat-golfgeleider om de brekingsindex van een microfluïdisch monster bij terahertz-frequenties te meten. Ontwerp en fabriceer eerst de gegroefde golfgeleider zodat deze een resonantie vertoont in het terahertz-bereik. Meet vervolgens, met behulp van een terahertz tijd-domein spectroscopiesysteem, de resonantiefrequentie van de golfgeleider. Vul daarna de golfgeleider met een zorgvuldig afgemeten volume van de monstervloeistof.

De laatste stap is het meten van de resonantiefrequentie van de gevulde golfgeleider. Uiteindelijk kan het verschil tussen de resonantiefrequenties voor de lege en gevulde golfgeleiders worden gebruikt om de brekingsindex van het monster in het terahertz-frequentiebereik te bepalen. Over het algemeen zullen personen die nieuw zijn met deze methode moeite hebben vanwege de zeer hoge nauwkeurigheid die vereist is om reproduceerbare resultaten te verkrijgen.

Kim reel, eveneens een promovendus uit het laboratorium van Daniel Middleman, en ik zullen nu de procedure demonstreren. Ontwerp een parallelplaat-golfgeleider met één of meer geïntegreerde caviteiten of groeven. Baseer de geometrie op de parameters die in het bijbehorende manuscript worden beschreven en raadpleeg daarnaast onze eerdere publicaties.

Dit zijn enkele algemene leidende principes. Begin met een plaatgrootte die breed genoeg is om als oneindig te kunnen worden beschouwd in vergelijking met de invallende straal, zodat de groef gemakkelijk toegankelijk is. Maak de onderste golfgeleiderplaat aanzienlijk breder dan de bovenste plaat, zodat de groef zich over bijna de gehele breedte van de plaat uitstrekt.

Zorg ervoor dat de propagatielengte zodanig is dat de golfgeleider als geheel minstens drie keer zo lang is als de uitbreiding van de groef, en dat de gaten in de bodemplaatdraad zijn terwijl die in de bovenplaat dat niet zijn. Het ontwerp van de groef is afhankelijk van onder andere de gewenste resonantiefrequentie, de gewenste lijnbreedte en de gekozen plaatafstand. Het is belangrijk om rekening te houden met de beperkingen van uw fabricagetechnieken voor zeer smalle of zeer ondiepe groeven voor gebruik als referentie.

Maak daarnaast een identiek ontwerp zonder groef. Handhaaf de plaatafstand met behulp van diëlektrische afstandshouders, zoals scherven van een gebroken objectglas. Fabriceer de golfgeleider met een freesmachine.

Het is belangrijk om de randen van de platen niet af te ronden, in het bijzonder aan de ingangszijde. Afgeronde randen zijn in veel machineplaatsen gebruikelijk vanwege veiligheidsredenen, maar een afgeronde rand aan de ingangszijde zal het signaal vervormen. Begin de assemblage met een structuur met twee vlakke oppervlakken die loodrecht op elkaar staan.

Plaats de bodemplaat op het horizontale oppervlak en druk deze aan. Plaats deze vlak tegen het verticale oppervlak. Voeg de diëlektrische tussenringen zo dicht mogelijk bij de schroefgaten toe.

Twee per schroef, één aan elke zijde. Controleer of de schroeven de groef niet blokkeren of voorbij het invoeroppervlak steken. Plaats de bovenplaat voorzichtig vlak tegen het verticale oppervlak en schuif deze naar beneden zodat deze op de onderplaat en de afstandshouders rust.

Houd nu beide platen vlak tegen het verticale oppervlak. Plaats de schroeven en draai ze stapsgewijs vast in een afwisselend patroon. Controleer de uiteindelijke golfgeleider op een perfect vlak invoerfront en een gelijkmatige plaatafstand.

Begin met het configureren van de opstelling. Indien nog niet aanwezig, plaats dan vier lenzen in het rah hertz-straalpad in een confocale oriëntatie. Om een scherpe focus in het midden van het pad te verkrijgen, plaatst u een diafragma van 12 millimeter op het brandpunt.

De opening moet groot genoeg zijn om alle straling te blokkeren, behalve de straling die door de golfgeleider gaat. De grootte van de opening bepaalt de grootte van de bundel die door de golfgeleider gaat. Gebruik een stevige houder om een reproduceerbare plaatsing van de golfgeleider te garanderen.

Plaats vervolgens de golfgeleider direct achter de opening, waarbij de ingangszijde in contact staat met de opening en de voortplantingsas van de golfgeleider zo nauwkeurig mogelijk is uitgelijnd met de optische as. Deze uitlijning is kritiek; bij een onjuiste uitlijning van de golfgeleider kunnen reflecties, dispersievariaties in de afsnijfrequentie, resonantiefrequenties en andere problemen optreden. Plaats nu de spuitenhouder zodanig dat de punt van de spuit is uitgelijnd met de groef.

Gebruik voor het beste resultaat een andere spuit voor elk materiaal om kruiscontaminatie te voorkomen. Vul de spuit met de te testen vloeistof en verwijder eventuele luchtbellen. Doe dit ook tussen de runs door.

Volg een reinigingsprocedure waarbij de golfgeleider eerst gedemonteerd moet worden. Was vervolgens beide platen grondig in een geschikt oplosmiddel om alle resten van het experiment te verwijderen. Blaas ze droog met perslucht en monteer de golfgeleider opnieuw zoals eerder getoond.

Begin met een referentiegolfvorm van de grod-golfgeleider. Een referentiegolfvorm is slechts één keer per enkele uren nodig tijdens elke experimentsessie, afhankelijk van de langetermijnstabiliteit van het tijd-domein spectrometer-signaal.

Verwijder de niet-gegroefde golfgeleider. Plaats vervolgens de schone gegroefde golfgeleider in het apparaat. Neem een golfvorm op voor de lege gegroefde golfgeleider.

Het proces van verwijdering en demontage kan leiden tot zeer kleine variaties in de geometrie van de golfgeleider. Deze variaties hebben invloed op de absolute resonantiefrequentie van de lege en gevulde groeven, maar niet op de waargenomen verschuiving. Daarom vereist elke volledige meting een eigen lege referentie.

Om de verschuiving te berekenen zonder de golfgeleider te bewegen, plaatst u de gevulde spuit in de houder. Vul de groef langzaam terwijl u deze in de gaten houdt. Controleer of de vulling goed is, zonder luchtbellen of overloop.

Neem een andere golfvorm. Als het systeem meer dan één groef heeft, ga dan door met het vullen van de groeven en het nemen van metingen naar behoefte. Verwijder de golfgeleider en reinig deze voordat de volgende dataset wordt verzameld.

In dit voorbeeld van een goed vervaardigde golfgeleider is opmerkelijk dat de groef niet over de gehele lengte of breedte van de golfgeleider loopt. Eenmaal geassembleerd is de parallelplaat-golfgeleidergeometrie geschikt voor de implementatie van een brekingsindexsensor voor terahertz-frequenties. Voor de meting van de brekingsindex is een klein volume vloeistof vereist.

Deze gegevens tonen typische frequenciespectra en zijn verkregen uit een analyse van tetradecaan. Het spectrum verkregen van de referentie-golfgeleider zonder groeven is in het zwart weergegeven, metingen van de gegroefde golfgeleider zonder vloeistofvulling zijn in het blauw aangegeven, en de gegroefde golfgeleider met een tetradecaanmonster is in het rood. De amplitudespectra voor de lege en gevulde gegroefde golfgeleiders worden vervolgens gekwadrateerd en gedeeld door het spectrum van de referentiegolfgeleider om vermogenstransmissiespectra te verkrijgen.

Het verschil in frequentie tussen de resonantiekenmerken van de lege en volle golfgeleiders is de resonantieverschuiving, die gerelateerd is aan de brekingsindex. Tijdens deze procedure is het belangrijk om zo consistent mogelijk te werken en zorgvuldig te zijn om kruiscontaminatie in de golfgeleider te minimaliseren. Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe u de brekingsindex van een microfluïdisch monster kunt bepalen door de resonantiefrequentie van een gegroefde parallelle plaat-golfgeleider te meten met behulp van Terahertz time-domain spectroscopie.