Terahertz Microfluïdische Sensing via een parallelle-plaat Waveguide Sensor
Summary
De wijze van toepassing van een brekingsindex sensor voor terahertz frequenties gebaseerd op een gegroefde parallelle plaat golfgeleider geometrie beschreven. De werkwijze levert een meting van de brekingsindex van een klein volume vloeistof door controle van de verschuiving van de resonantiefrequentie van de golfgeleiderstructuur
Abstract
Brekingsindex (RI) sensing is een krachtige niet-invasieve en label-free sensing techniek voor de identificatie, detectie en monitoring van microfluïdische monsters met een breed scala aan mogelijke sensor ontwerpen zoals interferometers en resonatoren 1,2. De meeste bestaande RI tasttoepassingen richten op biologische materialen in waterige oplossingen in zichtbaar en IR frequenties, zoals DNA hybridisatie en genoom. Op terahertz frequenties, toepassingen zijn onder meer kwaliteitscontrole, monitoring van industriële processen en sensing en detectie toepassingen waarbij niet-polaire materialen.
Verschillende potentiële ontwerpen voor brekingsindex sensoren in de terahertz regime bestaan, met inbegrip fotonisch kristal golfgeleiders 3, asymmetrische split-ring resonatoren 4 en fotonische band gap structuren geïntegreerd in parallelle plaat golfgeleiders 5. Veel van deze ontwerpen zijn gebaseerd op optische resonatoren zoals ringenof holtes. De resonantiefrequenties van deze structuren afhankelijk van de brekingsindex van het materiaal in of rond de resonator. Door het bewaken van de veranderingen in resonantiefrequentie de brekingsindex van een monster nauwkeurig kan worden gemeten en dit kan op zijn beurt worden gebruikt om een materiaal te identificeren, bewaken vervuiling of verdunning, etc.
Het sensorontwerp we hier gebaseerd op een eenvoudige parallelle plaat golfgeleider 6,7. Een rechthoekige groef machinaal in een vlak fungeert als een trilholte (figuren 1 en 2). Wanneer terahertzstraling gekoppeld in de golfgeleider voortplant en in de laagste orde transversale elektrische (TE 1) mode, is het resultaat een sterke resonantie functie met een afstembare resonantie frequentie die afhankelijk is van de geometrie van de groef 6,8. Deze groef kan worden gevuld met niet-polaire vloeistof microfluïdische monsters die een verschuiving in de waargenomen resonantiefrequentie die afhangt van de hoeveelheid vloeibaar veroorzakenuid in de groef en de brekingsindex 9.
De techniek heeft een voordeel boven andere technieken terahertz in zijn eenvoud, zowel in fabricage en uitvoering, aangezien de procedure kan worden uitgevoerd met standaard laboratoriumapparatuur zonder een clean room of een speciale fabricage of experimentele technieken. Het kan ook gemakkelijk worden uitgebreid om multichannel operatie door de opname van meerdere groeven 10. In deze video beschrijven we onze volledige experimentele procedure, van het ontwerp van de sensor aan de data-analyse en bepaling van het monster brekingsindex.
Protocol
Discussion
Opgemerkt dat de brekingsindex van de vloeistof tijdens de proef bepaald op het frequentie van de holteresonantie niet over een grote bandbreedte. Dit heeft enkele voordelen. Eerste, hoewel onze metingen gemaakt van een breedband terahertz bron voor karakterisering doeleinden zouden ook bouwen gelijke detectiesysteem met een frequentie THz bron met slechts een beperkte mate van frequentie tunability, een benadering die kan veel goedkoper en compacter. Ten tweede kan de sensor aanpak geparalleliseerd door het opnemen van…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit project werd mede ondersteund door de National Science Foundation en door de Air Force Research Laboratory via de CONTACT-programma.
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).
