Mikrofluidyczne detekcje w zakresie terahercowym z wykorzystaniem czujnika z falowodem z równoległych płytek

Niniejszy protokół wykorzystuje rowkowany równoległy falowód płytowy do pomiaru współczynnika załamania światła próbki mikrofluidycznej w częstotliwościach terahercowych. W pierwszej kolejności należy zaprojektować i wykonać rowkowany falowód w taki sposób, aby wykazywał on rezonans w zakresie terahercowym. Następnie, korzystając z systemu terahercowej spektroskopii w dziedzinie czasu, należy zmierzyć częstotliwość rezonansową falowodu. W kolejnym kroku falowód wypełnia się dokładnie odmierzoną objętością płynu próbnego.

Ostatnim krokiem jest pomiar częstotliwości rezonansowej wypełnionego falowodu. Ostatecznie różnica między częstotliwościami rezonansowymi dla falowodu pustego i wypełnionego może zostać wykorzystana do wyznaczenia współczynnika załamania światła próbki w zakresie częstotliwości terahercowych. Zazwyczaj osoby rozpoczynające pracę z tą metodą napotykają trudności ze względu na bardzo wysoką dokładność wymaganą do uzyskania powtarzalnych wyników.

Kim Reel, kolejny doktorant z laboratorium Daniela Middlemana, zaprezentuje teraz procedurę. Zaprojektuj falowód z równoległymi płytkami z jednym lub wieloma zintegrowanymi wnękami lub rowkami. Oprzyj geometrię na parametrach szczegółowo opisanych w towarzyszącym manuskrypcie, odnosząc się również do naszych poprzednich publikacji.

Oto kilka ogólnych zasad pomocniczych. Należy rozpocząć od doboru rozmiaru płyt tak szerokiego, aby można było go uznać za nieskończony w porównaniu z wiązką wejściową, co umożliwi łatwy dostęp do rowka. Dolna płyta falowodu powinna być znacznie szersza od górnej, tak aby rowek rozciągał się na niemal całą szerokość płyty.

Długość propagacji powinna być dobrana tak, aby cały przewodnik falowy był co najmniej trzykrotnie dłuższy niż zasięg rowka; otwory w dolnej płytce powinny być gwintowane, natomiast w górnej nie. Projekt rowka będzie zależał od pożądanej częstotliwości rezonansowej, pożądanej szerokości linii oraz wybranego odstępu między płytkami, między innymi czynnikami. Ważne jest uwzględnienie ograniczeń stosowanych technik wykonania w przypadku rowków bardzo wąskich lub bardzo płytkich do użytku jako referencja.

Należy również wykonać identyczną konstrukcję pozbawioną rowka. Odstępy między płytkami należy zachować, stosując przekładki dielektryczne, takie jak odłamki rozbitego okularu mikroskopu. Falowód należy wykonać na frezarce.

Co istotne, nie należy zaokrąglać krawędzi płytek, zwłaszcza na powierzchni wejściowej. Zaokrąglanie krawędzi jest standardową praktyką w wielu warsztatach mechanicznych ze względów bezpieczeństwa, jednak zaokrąglona krawędź na powierzchni wejściowej spowoduje zniekształcenie sygnału. Montaż należy rozpocząć od konstrukcji z dwiema płaskimi powierzchniami prostopadłymi do siebie.

Umieść dolną płytkę na poziomej powierzchni i dociśnij ją. Przystaw ją do powierzchni pionowej. Włóż przekładki dielektryczne jak najbliżej otworów na śruby.

Po dwie na każdą śrubę, jedna po każdej stronie. Sprawdź, czy śruby nie blokują rowka i nie wystają poza powierzchnię wlotową. Ostrożnie przyłóż górną płytkę do powierzchni pionowej i przesuń ją w dół, aż osiądzie na dolnej płytce i podkładkach.

Teraz, trzymając obie płytki ściśle przyciśnięte do powierzchni pionowej, włóż śruby i dokręcaj je stopniowo, stosując metodę naprzemienną. Sprawdź, czy końcowy falowód ma idealnie płaską powierzchnię wejściową oraz równomierne odstępy między płytkami.

Rozpocznij od skonfigurowania aparatury. Jeśli nie zostały jeszcze zamontowane, wprowadź cztery soczewki w tor wiązki rah hertz w orientacji konfokalnej. Aby uzyskać wąską ogniskową w punkcie środkowym toru, umieść aperturę o średnicy 12 mm w punkcie ogniskowym.

Apertura powinna być wystarczająco duża, aby zablokować propagację całego promieniowania, z wyjątkiem promieniowania przechodzącego przez falowód. Rozmiar apertury określi rozmiar wiązki propagującej się w falowodzie. Należy użyć stabilnego uchwytu, aby zapewnić powtarzalne umieszczenie falowodu.

Następnie umieść falowód bezpośrednio za aperturą, tak aby jego powierzchnia wejściowa stykała się z aperturą, a oś propagacji falowodu była ustawiona jak najbliżej osi optycznej. Prawidłowe wyrównanie jest tutaj krytyczne; niewłaściwe ustawienie falowodu może prowadzić do powstania refleksów, dyspersji, zmian częstotliwości odcięcia, częstotliwości rezonansowych oraz innych problemów. Teraz umieść uchwyt strzykawki w taki sposób, aby końcówka strzykawki była wyrównana z rowkiem.

Aby uzyskać najlepsze wyniki, należy używać oddzielnej strzykawki dla każdego materiału, aby zapobiec kontaminacji krzyżowej. Napełnić strzykawkę cieczą poddaną badaniu i usunąć wszelkie pęcherzyki powietrza. Postąpić tak również pomiędzy poszczególnymi pomiarami.

Należy przeprowadzić procedurę czyszczenia, która wymaga najpierw zdemontowania falowodu. Następnie obie płytki należy dokładnie wyprać w odpowiednim rozpuszczalniku, aby usunąć wszelkie pozostałości z eksperymentu. Wysuszyć sprężonym powietrzem, a następnie złożyć falowód w sposób opisany wcześniej.

Zacznij od uzyskania przebiegu fali referencyjnej dla falowodu grod. Przebieg fali referencyjnej jest konieczny tylko raz na kilka godzin podczas każdej sesji eksperymentalnej, w zależności od długoterminowej stabilności sygnału spektrometru czasowo-rozdzielczego.

Usuń niezgrupowany falowód. Następnie umieść czysty rowkowany falowód w aparaturze. Zbierz przebieg fali dla pustego zgrupowanego falowodu.

Proces usuwania i demontażu może prowadzić do bardzo niewielkich zmian w geometrii falowodu. Zmiany te wpłyną na bezwzględną częstotliwość rezonansową pustych i wypełnionych rowków, ale nie na obserwowany przesunienie. W związku z tym każdy pełny pomiar wymaga osobnego odniesienia dla pustego układu.

Aby obliczyć przesunięcie bez przemieszczania falowodu, umieść napełnioną strzykawkę w uchwycie. Powoli napełniaj rowek. Upewnij się, że napełnianie przebiega prawidłowo, bez pęcherzyków powietrza i bez przelewania.

Wykonaj kolejny pomiar przebiegu fali. Jeśli system posiada więcej niż jeden rowek, kontynuuj wypełnianie rowków i pobieraj dane według potrzeb. Wyjmij falowód i oczyść go przed zebraniem następnego zestawu danych.

W tym przykładzie prawidłowo wykonanego falowodu należy zwrócić uwagę, że żłobienie nie obejmuje całej długości ani szerokości falowodu. Po zmontowaniu geometryczna struktura falowodu z równoległych płyt nadaje się do implementacji czujnika współczynnika refrakcji dla częstotliwości terahercowych. Do pomiaru współczynnika refrakcji wymagana jest niewielka objętość cieczy.

Dane te przedstawiają typowe widma częstotliwości uzyskane z analizy tetradekanu. Widmo uzyskane z referacyjnego falowodu bez rowków przedstawiono kolorem czarnym, pomiary falowodu z rowkami bez wypełnienia cieczą zaznaczono kolorem niebieskim, a falowodu z rowkami z próbką tetradekanu – kolorem czerwonym. Widma amplitudy dla pustego i wypełnionego falowodu z rowkami zostają następnie podniesione do kwadratu i podzielone przez widmo z referacyjnego falowodu w celu uzyskania widm transmitancji mocy.

Różnica w częstotliwości między cechami rezonansowymi pustego i wypełnionego falowodu stanowi przesunięcie rezonansowe, które wiąże się ze współczynnikiem załamania światła. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby zachować jak największą spójność i dbać o zminimalizowanie zanieczyszczeń krzyżowych w falowodzie. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo mieć dobrą wiedzę na temat tego, jak wyznaczyć współczynnik załamania światła próbki mikrofluidycznej poprzez pomiar częstotliwości rezonansowej żłobionego falowodu z równoległymi płytkami z wykorzystaniem terahercowej spektroskopii w dziedzinie czasu.