Terahertz Mikrofluidenheder Sensing hjælp af en parallel-plade Waveguide Sensor
Summary
Reglerne til gennemførelse et brydningsindeks sensor til terahertz hyppigheder baseret på en rillet parallel-plade-bølgeleder geometri er beskrevet her. Fremgangsmåden giver en måling af brydningsindekset for en lille mængde væske gennem overvågning af skift i resonansfrekvensen af bølgelederstruktur
Abstract
Brydningsindeks (RI) sensing er en kraftfuld noninvasive og etiket-fri sensing teknik til identifikation, sporing og overvågning af mikrofluid prøver med en bred vifte af mulige sensor designs såsom interferometre og resonatorer 1,2. De fleste af de eksisterende RI sensing applikationer fokuserer på biologiske materialer i vandige opløsninger i synlige og infrarøde frekvenser, såsom DNA-hybridisering og genomsekvensering. Hos terahertz frekvenser, nævnes applikationer kvalitetskontrol, overvågning af industrielle processer og sensing og detektion applikationer, der involverer ikke-polære materialer.
Flere potentielle motiver til brydningsindeksværdier sensorer i terahertz regime findes, herunder fotoniske krystal bølgeledere 3, asymmetriske split-ring resonatorer 4 og fotoniske båndgab strukturer integreret i parallel-plade bølgeledere 5. Mange af disse konstruktioner er baseret på optiske resonatorer, såsom ringeeller hulrum. Resonansfrekvenserne af disse strukturer afhænger af brydningsindekset for materialet i eller omkring resonatoren. Ved at overvåge ændringerne i resonansfrekvens brydningsindekset for en prøve kan måles nøjagtigt, og dette kan igen anvendes til at identificere et materiale, overvåge kontaminering eller fortynding, etc.
Sensoren design vi bruger her, er baseret på en simpel parallel-plade-bølgeleder 6,7. En rektangulær rille udformet i en flade virker som et resonanshulrum (figur 1 og 2). Når terahertzstråling kobles til bølgelederen og udbreder sig i den laveste ordens tværgående elektriske (TE 1) modus, er resultatet en enkelt stærk resonant element med en indstillelig resonansfrekvens, der er bestemt af geometrien af sporet 6,8. Denne rille kan fyldes med upolære flydende mikrofluid prøver, der forårsager et skift i den observerede resonansfrekvens, der afhænger af mængden af liquid i rillen og dets brydningsindeks ni.
Vor teknik har en fordel frem for andre terahertz teknikker i sin enkelhed, både i fremstilling og anvendelse, idet den procedure kan udføres med standard laboratorieudstyr uden behov for et rent rum eller en særlig fremstilling eller eksperimentelle teknikker. Det kan også let udvides til multichannel drift ved inkorporering af flere riller 10. I denne video vil vi beskrive vores komplette forsøgsmetoden, fra design af sensoren til dataanalyse og bestemmelse af prøvens brydningsindeks.
Protocol
Discussion
Det skal bemærkes, at brydningsindekset for væsken under test bestemmes udelukkende ved frekvensen af hulrummet resonans, ikke over en stor båndbredde. Det har et par klare fordele. Det første, selv vores målinger har gjort brug af en bredbåndsforbindelse terahertz kilde til karakteriseringsformål kunne man også bygge et tilsvarende sensing system med en enkelt frekvens THz kilde med kun en begrænset grad af frekvens justerbarhed, en tilgang, der kunne være meget billigere og mere kompakt. For det andet …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette projekt blev støttet delvist af National Science Foundation og af Air Force Research Laboratory gennem KONTAKT program.
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
- Kuswandi, B., Nuriman, ., Huskens, J., Verboom, W. Optical sensing systems for microfluidic devices: A review. Ana. Chim. Acta. 601, 141-155 (2007).
- 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).
- 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).
- Debus, C., Bolivar, P. H. Frequency selective surfaces for high sensitivity terahertz sensing. Appl. Phys. Lett. 91, 184102 (2007).
- Harsha, S. S., Laman, N., Grischkowsky, D. High-Q terahertz Bragg rsonances within a metal parallel plate waveguide. Appl. Phys. Lett. 94, 091118 (2009).
- 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).
- 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).
- Astley, V., McCracken, B., Mendis, R. Analysis of rectangular resonant cavities in terahertz parallel-plate waveguides. Opt. Lett. 36, 1452 (2011).
- 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).
- Astley, V., Reichel, K., Jones, J., Mendis, R. Terahertz multichannel microfluidic sensor based on parallel-plate waveguide resonant cavities. Appl. Phys. Lett. , (2012).
