微流体定量传感实验优化方法

由于乙醇等有机液体具有挥发性和流动性,当填充到光子晶体表面后,随着时间推移,芯片表面的液量减少、液面高度下降,从而引起光子晶体芯片的透射光谱线随时间发生变化。这里通过THz-TDS系统测量得到了填充乙醇后不同延迟时间的PC1和PC2芯片的透射光谱线,结果如图6.6所示。对于PC1芯片,随着时间的推移,0.87 THz处的谐振谷的透过率逐渐下降到未填充微流体时的透过率,即从20%下降到8%,而1.17 THz处的谐振谷透过率逐渐上升并蓝移,最后这个谐振谷消失。150 s后,谱线变为未填充液体时的PC1谱线。对于PC2芯片,与未填充液体时光子晶体的透射光谱相比,延迟时间为10 s时的光子晶体在第一谐振谷有一个显著的240 GHz红移,从1.44 THz移动到1.20 THz,并在1.72 THz处产生了新的第二谐振谷。随着时间的推移,第一谐振谷蓝移,第二谐振谷上升,最终在140 s后回复到原始谱线状态。

图6.6　填充乙醇后不同时刻光子晶体的透射光谱线[6]

(a)PC1;(b)PC 2

上述实验现象显然是由芯片中的液量随时间变化引起的,而每一时刻具体液量是未知的,为了建立实验谱线与芯片中液量间的定量联系,这里进行了数值建模。模型如图6.7(a)中插图所示,将厚度为h L的乙醇液体层填充到光子晶体柱周围,乙醇的介电常数在1 THz处为2.2+0.05i,采用FDTD算法计算h L=0~h时PC1和PC2的透过率谱线,结果如图6.7所示。对比图6.6和图6.7,图6.6中每一时刻的实验谱线总能在图6.7中找到一条一定液面高度h L的模拟谱线与之对应。这样就得到了每个时刻下芯片上的液面高度,由于PC1和PC2的几何结构是已知的,除去硅柱所占体积,通过液面高度就能计算出每个时刻芯片单位面积的液体体积,液体体积随时间变化的关系如图6.8所示。因此,通过与数值模拟谱线比对,就能建立实验测量的透射光谱与光子晶体中液体量的对应关系,实现实时定量传感检测。

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图6.7　填充不同乙醇液面高度的光子晶体的模拟透射光谱线[6]

(a)PC1;(b)PC2

值得注意的是,实验数据拟合的结果显示两种芯片上的液体量随时间都呈线性减少的关系,拟合直线的斜率就是由于乙醇挥发和流动带来的液量的变化率,PC1为6.0×10-4μL·mm-2·s-1,而PC2为8.4×10-4μL·mm-2·s-1。显然PC2上的微流体随时间变化更快,这是由于PC2硅柱在整个光子晶体中的占空比小于PC1,液体在PC2表面的挥发性和流动性更强所致。

图6.8　光子晶体上液体体积随时间变化的关系(实验数据与拟合曲线)[6]

本节利用THz光子晶体柱的导模谐振效应,测量了不同类型微量液体附着于光子晶体上时的THz光谱,通过特征谱线和谐振峰位置的分析,实现了微流体的定性检测。同时,进一步测量了同一液体不同时刻下光子晶体的THz透射光谱,结果显示光谱随时间发生变化。通过数值模拟以及与实验谱线的比对,建立了不同时刻下实验谱线与该时刻下芯片中微流体液体量的定量对应关系,实现了对微流体的实时定量传感检测,液面高度的传感精度为10μm量级,液体定量传感精度达10-5 mL/mm2。