微结构波导管微量液体传感实验优化方案

这里介绍微结构波导管对微量乙醇进行传感检测的实验。首先,通过THz-TDS系统测量了实验用无水乙醇的时域信号,经傅里叶变换并由式(2.2)、式(2.3)计算得到无水乙醇的折射率和吸收系数,如图6.14所示。在0.2~1.4 THz,其折射率从1.7减小到了1.5,吸收系数从10 cm-1增加到90 cm-1。

实验时在光栅处滴加酒精,将空气槽填满无水乙醇,由于乙醇不断挥发,槽内液体层的厚度将不断变化[示意图参见图6.10(c)]。由于乙醇和空气在THz波段的光学性质是完全不同的,即对应式(6.6)中的n eff是不同的,因此在槽内滴加乙醇后,随着乙醇量的变化可以引起谐振频率的移动。

图6.14　实验所用无水乙醇的折射率及吸收系数曲线

通过带有刻度的注射器将定量的乙醇滴加在波导管外表面的每一个空气槽中,同时由于液体的流动性,有少量的乙醇会停留在光栅波导管某些没有结构的表面。实验中每次滴加乙醇后的T d时刻(延迟时间为T d)开始测量THz波的透射光谱,实验结果如图6.15所示,每隔50 s测量一次透过光栅波导管的时域信号并计算其透过率谱。对二级谐振而言,由图6.15(a)可知,随着延迟时间的增加,谐振谷频率将从0.605 THz(T d=0 s)逐渐向高频移动,直到T d=250 s时,谐振谷将回到没有滴加液体时所在的频率位置(0.66 THz处)。图6.15(b)所示为三级谐振频率随延迟时间的变化关系,同样地,谐振谷频率随延迟时间的增加从0.895 THz逐渐向高频移动,最终趋近0.95 THz,频率移动最大值达到55 GHz。这种动态变化可以理解为暴露在空气中的乙醇随时间不断挥发导致槽中液体量的减少,从而改变了管壁的相对折射率,进而引起谐振频率的变化。实验结果也表明酒精量随着延迟时间的增加而逐渐减少,酒精量的变化同时表现在谐振频率的变化上。

图6.15　滴加乙醇后每间隔50 s测量得到的在0.65 THz、0.9 THz谐振频率附近的透过率谱线[8]

(a)0.65 THz处;(b)0.9 THz处(www.xing528.com)

图6.16为二级谐振和三级谐振频率随延迟时间变化呈线性关系的曲线,也即乙醇的余量和测量延迟时间呈线性关系,图中直线的斜率表示光栅槽中乙醇随时间挥发的速率。通过计算,可以得到二级谐振和三级谐振的频率移动速率均为0.183 GHz·s-1。基于光栅波导管的液体传感方法依然是一种依赖于波导管有效折射率n eff变化的传感方法,所能测得的n eff的最小变化值由THz-TDS系统的时间分辨率决定,这里采用的实验系统的最小时间分辨率为0.04 ps,因此由式(6.8)可以计算得到有效折射率的最小分辨率Δn eff=0.006。根据6.3.1小节的计算,可知光栅空气槽的总体积约为1.1μL,所以光栅波导管的传感灵敏度为55 GHz/1.1μL=50 GHz/μL。其他液体的传感,例如水、丙酮、石油醚等同样适用于该传感器。

图6.16　谐振频率与延迟时间的关系,其中实线为实验数据,虚线为线性拟合[8]

为了和光栅波导管的灵敏度进行对比分析,用未刻蚀光栅的空白波导管进行了微流体传感实验测试。在空白波导管表面滴加等量的乙醇,重复前面所述的实验,因为非常微量的酒精滴加在波导管外表面,表面张力和黏滞性保证了液体不从表面流失。图6.17为实验测量得到的透过率谱。从图中可以看到,随着测量延迟时间的增加,谐振频率的位置移动较少,很明显这种空白波导管对附着在其外表面的液体不敏感,因此不适用于液体传感的应用。这个结果表明光栅结构大大提升了波导管的传感灵敏度,具体来说,光栅结构能够调制传输到波导管外表面的倏逝波,同时,周期性的槽与脊的结构促进了倏逝波与光栅中待分析物的相互作用,从而提高了光栅波导管的传感灵敏度。

图6.17　空白波导管未滴加乙醇和滴加乙醇后延迟时间为0 s和120 s的透过率谱线[8]

本节首先从理论和实验上验证了光栅结构对波导管的谐振频率位置和偏振的调制作用,然后讨论了光栅波导管的微量液体传感特性,其实现了传感精度达到50 GHz/μL的实时微量液体传感,同时和空白波导管的传感精度进行了对比分析。实验结果表明,由于存在微结构光栅,光栅波导管能显著地提高波导管的传感灵敏度,在材料鉴别、折射率传感、液体量动态检测等方面有着广泛的应用前景。