Summary

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

Published: August 30, 2012
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Summary

O procedimento para a implementação de um sensor de índice de refração para as frequências terahertz com base em uma geometria de guia de onda com ranhuras de placas paralelas é descrito aqui. O método proporciona uma medição do índice de refracção de um pequeno volume de líquido através de um controlo do desvio da frequência ressonante da estrutura de guia de ondas

Abstract

Índice de refracção (RI) de detecção não invasiva é um poderoso e etiqueta sem técnica de detecção para a detecção, identificação e controlo de amostras de microfluidicos com uma vasta gama de modelos de sensores interferómetros possíveis, tais como ressoadores e 1,2. A maioria das aplicações da detecção RI existente concentrar em materiais biológicos em soluções aquosas de frequências visíveis e IR, tais como hibridação de DNA e sequenciamento do genoma. Em freqüências de terahertz, as aplicações incluem o controle de qualidade, acompanhamento de processos industriais e de sensoriamento e aplicações de detecção envolvendo materiais apolares.

Vários projetos potenciais para sensores de índice de refração no regime terahertz existem, incluindo guias de cristal fotônico 3, assimétricas divisão anel ressonadores 4 e estruturas de gap fotônico banda integrados em paralelo placa-guias de onda 5. Muitos destes modelos são baseados em ressonadores ópticos, tais como anéisou cavidades. As frequências de ressonância dessas estruturas são dependentes do índice de refracção do material em ou em torno do ressonador. Através da monitorização das alterações na frequência de ressonância do índice de refracção de uma amostra pode ser medida com precisão e isto por sua vez pode ser usado para identificar um material, monitorar a contaminação ou diluição, etc

O projeto do sensor que usamos aqui é baseado em um guia de onda de placas paralelas simples 6,7. A ranhura retangular usinados em um funciona como um cavidade ressonante (Figuras 1 e 2). Quando a radiação terahertz é acoplado ao guia de ondas e propaga-se no ponto mais baixo de ordem transversal modo eléctrico (TE 1), o resultado é um recurso único forte, com uma frequência ressonante sintonizável ressonante que é dependente da geometria da ranhura de 6,8. Esta ranhura pode ser preenchido com amostras de líquidos não polares microfluidicos que causam uma mudança na frequência de ressonância observado que depende da quantidade de liquid na ranhura e o seu índice de refracção 9.

A nossa técnica tem uma vantagem sobre as técnicas terahertz outros na sua simplicidade, tanto na fabricação e execução, uma vez que o procedimento pode ser realizado com material de laboratório padrão, sem a necessidade de uma sala de limpeza ou qualquer fabricação especial ou técnicas experimentais. Ele também pode ser facilmente expandido para a operação de múltiplos canais através da incorporação de ranhuras múltiplas 10. Neste vídeo iremos descrever o nosso procedimento experimental completo, a partir do desenho do sensor para a análise de dados e a determinação do índice de refracção da amostra.

Protocol

1. Projeto e Fabricação de sensor Concepção de um guia de ondas de placas paralelas com uma ou mais cavidades ou integrados ("fendas"). Ver Figuras 1 e 2. Geometria pode ser baseada no que foi referido nas nossas publicações anteriores 8,9 ou especialmente concebido para a aplicação em particular. Os seguintes princípios gerais orientadores são sugeridas: O espaçamento da placa: Nesta experiência um espaçamento entre as placas de 1 m…

Discussion

Deve notar-se que o índice de refracção do líquido de ensaio é determinada apenas com a frequência de ressonância da cavidade, e não mais de uma largura de banda ampla. Isto tem algumas vantagens distintas. Primeiro, apesar de nossas medidas têm feito uso de uma fonte de terahertz banda larga para fins de caracterização, pode-se também construir um sistema equivalente de detecção com uma fonte THz de freqüência única, com apenas um grau limitado de possibilidades de controle de freqüência, uma abordag…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este projecto foi apoiado em parte pela National Science Foundation e pelo Laboratório de Pesquisas da Força Aérea, através do programa CONTATO.

Materials

Name of the reagent Company Catalogue number Comments (optional)
10 μl syringe Hamilton 80314 High precision syringe
Liquid alkanes Acros Organics Samples for calibration and testing

No specific equipment is required. Suitable test materials and solvents are left to the experimenter’s discretion. The high-precision syringes used in this procedure are listed in the table below, but the experimenter may wish to use syringes of a different volume or design, including digital syringes for improved accuracy. The test alkanes used in this experiment are also listed.

References

  1. Kuswandi, B., Nuriman, ., Huskens, J., Verboom, W. Optical sensing systems for microfluidic devices: A review. Ana. Chim. Acta. 601, 141-155 (2007).
  2. Zhu, H., White, I. M., Suter, J. D., Zourob, M., Fan, X. Integrated refractive index optical ring resonator detector for capillary electrophoresis. Anal. Chem. 79, 930-937 (2007).
  3. Kurt, H., Citrin, D. S. Coupled-resonator optical waveguides for biochemical sensing of nanoliter volumes of analyte in the terahertz region. Appl. Phys. Lett. 87, 241119 (2005).
  4. Debus, C., Bolivar, P. H. Frequency selective surfaces for high sensitivity terahertz sensing. Appl. Phys. Lett. 91, 184102 (2007).
  5. Harsha, S. S., Laman, N., Grischkowsky, D. High-Q terahertz Bragg rsonances within a metal parallel plate waveguide. Appl. Phys. Lett. 94, 091118 (2009).
  6. Mendis, R., Mittleman, D. M. Comparison of the lowest-order transverse-electric (TE1) and transverse-magnetic (TEM) modes of the parallel-plate waveguide for terahertz pulse applications. Optics Express. 17, 14839-14850 (2009).
  7. Mendis, R., Mittleman, D. M. An investigation of the lowest-order transverse-electric (TE1) mode of the parallel-plate waveguide for THz pulse propagation. JOSA B. 26, A6-A13 (2009).
  8. Astley, V., McCracken, B., Mendis, R. Analysis of rectangular resonant cavities in terahertz parallel-plate waveguides. Opt. Lett. 36, 1452 (2011).
  9. Mendis, R., Astley, V., Liu, J., Mittleman, D. M. Terahertz microfluidic sensor based on a parallel-plate-waveguide resonant cavity. Appl. Phys. Lett. 95, 171113 (2009).
  10. Astley, V., Reichel, K., Jones, J., Mendis, R. Terahertz multichannel microfluidic sensor based on parallel-plate waveguide resonant cavities. Appl. Phys. Lett. , (2012).
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Cite This Article
Astley, V., Reichel, K., Mendis, R., Mittleman, D. M. Terahertz Microfluidic Sensing Using a Parallel-plate Waveguide Sensor. J. Vis. Exp. (66), e4304, doi:10.3791/4304 (2012).

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