Sensoriamento terahertz microfluídicos usando um sensor de guia de onda de placas paralelas

Este protocolo utiliza uma guia de onda de placa paralela ranhurada para medir o índice de refração de uma amostra microfluídica em frequências terahertz. Primeiro, projete e fabrique a guia de onda ranhurada para exibir uma ressonância na faixa terahertz. Em seguida, utilizando um sistema de espectroscopia no domínio do tempo terahertz, meça a frequência de ressonância da guia de onda. Depois, preencha a guia de onda com um volume cuidadosamente medido do fluido da amostra.

O passo final consiste em medir a frequência de ressonância da guia de onda preenchida. Em última análise, a diferença entre as frequências de ressonância da guia de onda vazia e da preenchida pode ser utilizada para determinar o índice de refração da amostra na faixa de frequência de terahertz. Geralmente, indivíduos novos neste método enfrentarão dificuldades devido à alta precisão exigida para obter resultados reprodutíveis.

Kim reel outro estudante de pós-graduação do Laboratório de Daniel Middleman e eu agora demonstraremos o procedimento. Projete uma guia de onda de placas paralelas com uma ou mais cavidades ou ranhuras integradas. Baseie a geometria nos parâmetros detalhados no manuscrito anexo e consulte também nossas publicações anteriores.

Estes são alguns princípios orientadores gerais. Comece com um tamanho de placa suficientemente largo para que possa ser considerado infinito em comparação com o feixe de entrada, permitindo fácil acesso ao sulco. Faça a placa guia de onda inferior significativamente mais larga do que a placa superior, de modo que o sulco se estenda quase por toda a largura da placa.

Defina o comprimento de propagação de modo que a guia de onda como um todo tenha pelo menos três vezes o comprimento da extensão do sulco, e os furos na placa inferior sejam roscados, enquanto os da placa superior não o são. O projeto do sulco dependerá da frequência ressonante desejada, da largura de linha desejada e do espaçamento escolhido entre as placas, entre outros fatores. É importante considerar as limitações das suas técnicas de fabricação para sulcos muito estreitos ou muito rasos para uso como referência.

Também fabrique um design idêntico sem ranhura. Mantenha o espaçamento entre as placas utilizando espaçadores dielétricos, como fragmentos de um microscópio quebrado. A Slide Machine fabricará a guia de onda.

Importante: não arredonde as bordas das placas, especialmente na face de entrada. O arredondamento das bordas é uma prática comum em muitos laboratórios mecânicos por motivos de segurança, mas uma borda arredondada na face de entrada irá distorcer o sinal. Inicie a montagem com uma estrutura que tenha duas superfícies planas perpendiculares entre si.

Coloque a placa inferior sobre a superfície horizontal e pressione-a, alinhando-a com a superfície vertical. Insira os espaçadores dielétricos o mais próximo possível dos orifícios dos parafusos.

Dois por parafuso, um em cada lado. Verifique se os parafusos não obstruem o entalhe nem se estendem além da face de entrada. Com cuidado, posicione a placa superior alinhada contra a superfície vertical e deslize-a para baixo, até assentar sobre a placa inferior e os espaçadores.

Agora, mantenha ambas as placas alinhadas contra a superfície vertical. Insira os parafusos e aperte-os progressivamente em um padrão alternado. Examine a guia de onda final para verificar uma face de entrada perfeitamente plana e espaçamento uniforme entre as placas.

Inicie configurando o aparelho. Se ainda não estiver presente, introduza quatro lentes no trajeto do feixe rah hertz em uma orientação confocal. Para proporcionar um foco estreito no ponto médio do trajeto, posicione uma abertura de 12 milímetros no ponto focal.

A abertura deve ser grande o suficiente para bloquear toda a radiação, exceto a que se propaga através da guia de onda. O tamanho da abertura determinará o tamanho do feixe que se propaga na guia de onda. Utilize um suporte fixo para garantir o posicionamento repetível da guia de onda.

A seguir, posicione a guia de onda imediatamente atrás da abertura, com a face de entrada em contato com a abertura e com o eixo de propagação da guia de onda alinhado o mais próximo possível do eixo óptico. Esse alinhamento é crítico, pois variações nas reflexões, dispersão no ponto de corte, frequências ressonantes e outros problemas podem surgir devido ao mau alinhamento da guia de onda. Agora, posicione o suporte da seringa de modo que a ponta da seringa fique alinhada com o sulco.

Para obter os melhores resultados, utilize uma seringa diferente para cada material para evitar contaminação cruzada. Encha a seringa com o líquido a ser testado e elimine todas as bolhas. Também entre as execuções.

Siga um procedimento de limpeza que exija primeiro a desmontagem da guia de onda. Em seguida, lave ambas as placas cuidadosamente em um solvente apropriado para remover qualquer resíduo do experimento. Seque com ar comprimido e remonte a guia de onda conforme mostrado anteriormente.

Inicie com uma forma de onda de referência da guia de onda grod. Uma forma de onda de referência é necessária apenas uma vez a cada poucas horas durante cada sessão experimental, dependendo da estabilidade de longo prazo do sinal do espectrômetro no domínio do tempo.

Remova a guia de onda não agrupada. Em seguida, coloque a guia de onda ranhurada limpa no aparelho. Registre uma forma de onda para a guia de onda agrupada vazia.

O processo de remoção e desmontagem pode provocar variações muito pequenas na geometria da guia de onda. Essas variações afetarão a frequência ressonante absoluta das ranhuras vazias e preenchidas, mas não o deslocamento observado. Portanto, cada medição completa exige sua própria referência vazia.

Para calcular o deslocamento sem mover a guia de onda, coloque a seringa cheia no suporte. Preencha lentamente o canal. Observe se o preenchimento está adequado, sem bolhas ou transbordamento.

Obtenha outra forma de onda. Se o sistema tiver mais de uma ranhura, continue preenchendo as ranhuras conforme desejado. Remova o guia de onda e limpe-o antes de coletar o próximo conjunto de dados.

Neste exemplo de uma guia de onda bem fabricada, observe que o sulco não se estende por todo o comprimento ou largura da guia de onda. Após a montagem, a geometria da placa paralela é adequada para implementar um sensor de índice de refração para frequências na faixa de terahertz. Um pequeno volume de líquido é necessário para a medição do índice de refração.

Esses dados mostram espectros de frequência típicos e são obtidos a partir de uma análise de tetradecano. O espectro obtido a partir do guia de onda de referência sem ranhuras é mostrado em preto, as medições do guia de onda ranhurado sem preenchimento líquido são indicadas em azul, e o guia de onda ranhurado com uma amostra de tetradecano está em vermelho. Os espectros de amplitude para os guias de onda ranhurados vazio e cheio são então elevados ao quadrado e divididos pelo espectro do guia de onda de referência para obter os espectros de transmissão de potência.

A diferença na frequência entre as características ressonantes dos guias de onda vazio e cheio é o desvio ressonante, que está relacionado ao índice de refração. Ao realizar este procedimento, é importante lembrar-se de ser o mais consistente possível e ter cuidado para minimizar a contaminação cruzada no guia de onda. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como obter uma medida do índice de refração de uma amostra microfluídica medindo a frequência ressonante de um guia de onda de placas paralelas ranhurado utilizando espectroscopia no domínio do tempo em terahertz.