Terahertz Mikroflödessystem Sensing Använda en vågledare med parallella plattor sensor
Summary
Förfarandet för att genomföra ett brytningsindex sensor för terahertz frekvenser baserade på en spårad vågledare med parallella plattor geometri beskrivs här. Metoden ger en mätning av brytningsindex av en liten volym av vätska genom övervakning av förskjutningen i resonansfrekvensen hos vågledarstrukturen
Abstract
Brytningsindex (RI) avkänning är en kraftfull icke-invasiv och etikett-fri avkänning teknik för identifiering, spårning och övervakning av mikroflödessystem prover med ett brett utbud av möjliga sensor konstruktioner såsom interferometrar och resonatorer 1,2. De flesta av de befintliga RI avkänning program fokuserar på biologiska material i vattenlösningar i synliga och IR-frekvenser, såsom DNA-hybridisering och genomet sekvensering. Vid terahertz frekvenser applikationer inkluderar kvalitetskontroll, övervakning av industriella processer och avkänning och applikationer upptäckt involverar opolära material.
Flera potentiella design för brytningsindex sensorer i terahertz regimen finns, bland fotoniska kristaller vågledare 3, asymmetriska split-ring resonatorer 4 och fotoniska band strukturer gap integreras i parallella plattor vågledare 5. Många av dessa konstruktioner är baserade på optiska resonatorer, såsom ringareller håligheter. Resonansfrekvenserna för dessa strukturer är beroende på brytningsindex hos materialet i eller runt resonatom. Genom att övervaka förändringar i resonansfrekvens brytningsindex hos ett prov kan mätas noggrant och detta i sin tur kan användas för att identifiera ett material, övervaka kontaminering eller utspädning, osv
Sensorn design vi använder här är baserad på en enkel vågledare med parallella plattor 6,7. En rektangulär skåra bearbetas till en face fungerar som en resonanskavitet (figurerna 1 och 2). När terahertz strålning kopplas in i vågledaren och utbreder sig i den lägsta ordningens tvärgående elektriska (TE 1)-läget är resultatet en enda stark resonans funktionen med en avstämbar resonansfrekvens som beror på geometrin av spåret 6,8. Detta spår kan fyllas med opolära vätskeformiga mikroflödessystem prov som orsakar en förändring i den observerade resonansfrekvensen som beror på mängden liquid i spåret och dess brytningsindex 9.
Vår teknik har en fördel framför andra terahertz tekniker i sin enkelhet, både i tillverkning och implementering, eftersom förfarandet kan åstadkommas med vanlig laboratorieutrustning utan behov av ett rent rum eller någon speciell tillverkning eller experimentella tekniker. Det kan också lätt utvidgas till flera kanaler drift genom införlivandet av flera spår 10. I den här videon kommer vi att beskriva vårt kompletta försöksförfarande, från utformningen av sensorn till dataanalys och bestämning av provets brytningsindex.
Protocol
Discussion
Det bör noteras att brytningsindex för vätskan under test bestäms endast vid frekvensen av kaviteten resonans, inte över en bred bandbredd. Detta har några distinkta fördelar. Först, även om våra mätningar har utnyttjat ett bredband terahertz källa för karakterisering ändamål, kan en bygga även en motsvarande avkänning system med en enda frekvens THz källa med endast en begränsad grad av frekvens avstämbarhet, ett tillvägagångssätt som kan vara mycket billigare och mer kompakt. Det andra, kan den …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Projektet stöddes delvis av National Science Foundation och av Air Force Research Laboratory genom KONTAKT programmet.
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).
