تحليل مستشعر سائل موجه فجوة فوتونية مطبوع ثلاثي الأبعاد في نطاق التيراهيرتز

1. المقدمة

يقدم نطاق التيراهيرتز (THz) (0.1–10 تيراهيرتز) مزايا فريدة للاستشعار، تشمل شفافية العديد من العوازل، وطاقة الفوتون المنخفضة للأمان البيولوجي، والبصمات الطيفية الخاصة بالمواد. يُعد مراقبة معامل الانكسار (RI) للسوائل في هذا النطاق أمرًا بالغ الأهمية للتطبيقات الكيميائية والبيولوجية، مثل دراسات تفاعل البروتين وكشف الملوثات. تقدم هذه الورقة البحثية مستشعرًا جديدًا يجمع بين الطباعة ثلاثية الأبعاد، وموجات الفجوة الفوتونية (PBG)، والتقنيات الميكروفلويدية لإنشاء منصة قوية وحساسة لقياس معامل انكسار العينات السائلة المتدفقة دون تلامس.

2. تصميم المستشعر ومبدأ العمل

2.1 هيكل الموجه ذو الفجوة الفوتونية

جوهر المستشعر هو موجه براغ. يتكون من لب ذي معامل انكسار منخفض (مثل الهواء) محاط بغلاف دوري من طبقات عازلة متناوبة ذات معامل انكسار مرتفع ومنخفض. يخلق هذا الهيكل فجوة فوتونية - وهي نطاق من الترددات لا يمكن للضوء أن ينتشر خلال الغلاف، وبالتالي يُحتجز في اللب. تم دمج قناة ميكروفلويدية مباشرة داخل هذا الهيكل الغلافي.

2.2 نمط العيب وآلية الاستشعار

يعمل إدخال القناة السائلة كـ "عيب" في الغلاف الدوري. يدعم هذا العيب حالة رنينية موضعية داخل الفجوة الفوتونية. التردد الرنيني ($f_{res}$) لهذا النمط العيبي حساس للغاية لمعامل الانكسار ($n_a$) للسائل العياني الذي يملأ القناة، ويحكمه علاقة مثل $f_{res} \propto 1 / (n_a \cdot L_{eff})$، حيث $L_{eff}$ هو طول مسار بصري فعال. تؤدي التغيرات في $n_a$ إلى إزاحة $f_{res}$، والتي يتم كشفها كإزاحة في حوض الامتصاص وتغير في الطور في طيف النفاذية للموجة التيراهيرتزية الموجهة في اللب.

3. التصنيع باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد

3.1 النمذجة بالترسيب المنصهر (FDM)

يتم تصنيع هيكل المستشعر بالكامل باستخدام تقنية النمذجة بالترسيب المنصهر (FDM)، وهي تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد شائعة ومنخفضة التكلفة. وهذا يسمح بإنشاء هيكل الموجه المعقد بشكل متكامل مع القنوات الميكروفلويدية المضمنة في خطوة واحدة، مما يلغي مشاكل المحاذاة والتجميع الشائعة في التصنيع الدقيق التقليدي.

3.2 المادة والتكامل الميكروفلويدي

يتم استخدام خيط بوليمر منخفض الفقد (مثل بوليمر الأوليفين الحلقي TOPAS®) للطباعة نظرًا لشفافيته في نطاق التيراهيرتز. تُطبع القناة الميكروفلويدية كفراغ متكامل داخل طبقات الغلاف، مما يتيح التكامل السلس بين الأنظمة السائلة والبصرية.

4. النتائج التجريبية والأداء

4.1 أطياف النفاذية وإزاحة الرنين

تضمنت التجارب تمرير عينات سائلة ذات معاملات انكسار معروفة مختلفة عبر القناة. أظهر إشارة مطيافية النطاق الزمني للتيراهيرتز (TDS) المنقولة حوض امتصاص واضحًا يتوافق مع رنين العيب. مع زيادة معامل انكسار العينة، تحول هذا الحوض باستمرار نحو الترددات المنخفضة. كما أظهر طور النبضة المنقولة تغيرًا حادًا بالقرب من الرنين، مما يوفر معلمة كشف ثانية عالية الحساسية.

4.2 الحساسية ومعيار الجودة

تُعرّف حساسية المستشعر (S) على أنها إزاحة التردد الرنيني لكل وحدة تغير في معامل الانكسار ($S = \Delta f / \Delta n$). استنادًا إلى المبدأ المطروح ومستشعرات الموجات المماثلة [13]، يستهدف التصميم المقترح حساسية في نطاق عدة مئات من الجيجاهرتز/وحدة معامل انكسار. يُعد معيار الجودة (FOM)، الذي يأخذ في الاعتبار الحساسية بالنسبة لعرض الرنين ($FOM = S / FWHM$)، أمرًا بالغ الأهمية لمقارنة أداء المستشعر، حيث يؤدي الرنين الأضيق (FWHM أصغر) إلى معيار جودة أعلى وحد كشف أفضل.

5. التحليل التقني والإطار

5.1 الفكرة الأساسية والتسلسل المنطقي

الفكرة الأساسية: هذا ليس مجرد مستشعر تيراهيرتز آخر؛ إنه حل هندسي عملي يضحي بالحساسية الفائقة العالية، ولكن الهشة، للمواد الفائقة مقابل المتانة، والقابلية للتصنيع، والتكامل العملي مع السوائل. يحدد المؤلفون بشكل صحيح أنه بالنسبة للعديد من مشاكل الاستشعار التطبيقية (مثل مراقبة العمليات)، فإن مستشعرًا موثوقًا واقتصادي التكلفة بحساسية جيدة يكون أكثر قيمة من مستشعر فائق الحساسية محصور في المختبر. التسلسل المنطقي أنيق: استخدام موجه PBG لإنشاء نمط بصري نظيف ومحدد جيدًا؛ إدخال عيب سائل لتعطيله محليًا؛ واستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد لتحقيق الهيكل المعقد بأكمله بشكل متكامل. يعكس هذا التسلسل فلسفة التصميم في البصريات التطبيقية الناجحة، حيث تُدمج الوظيفة في الهيكل من الأساس، كما هو الحال في الدوائر البصرية المتكاملة التي طورتها معاهد مثل IMEC.

5.2 نقاط القوة والضعف

نقاط القوة:

• تحول في التصنيع: يعد استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد FDM عامل تغيير قواعد اللعبة في بصريات التيراهيرتز. فهو يخفض بشكل كبير عتبة الدخول لإنشاء نماذج أولية لهياكل الموجات المعقدة، على غرار كيف أحدثت النمذجة السريعة ثورة في التصميم الميكانيكي.
• تكامل متفوق: يعد التكامل المتكامل للأنظمة الميكروفلويدية ميزة كبيرة مقارنة بالأساليب التي يتم فيها إرفاق خلايا سائلة خارجيًا، مما يقلل من نقاط التسرب وأخطاء المحاذاة.
• قراءة ثنائية المعلمة: استغلال كل من السعة (حوض الامتصاص) وتغير الطور يوفر التكرار ويمكن أن يحسن ثقة القياس.

نقاط الضعف والفجوات الحرجة:

• ادعاءات حساسية غير مثبتة: تقترح الورقة البحثية وتنمذج المستشعر إلى حد كبير. بينما تشير إلى حساسيات تبلغ حوالي 500 جيجاهرتز/وحدة معامل انكسار من تصاميم قائمة على التجاويف [12]، لم يتم تقديم بيانات تجريبية ملموسة لهذا المستشعر PBG المطبوع ثلاثي الأبعاد المحدد في المقتطف. هذه فجوة كبيرة.
• قيود المادة: غالبًا ما تتمتع البوليمرات المطبوعة بتقنية FDM بخشونة سطحية وخطوط التصاق طبقات يمكن أن تسبب خسائر تشتت كبيرة عند ترددات التيراهيرتز، مما قد يعمل على توسيع الرنين وإضعاف معيار الجودة (FOM). يتم التغاضي عن هذا العائق العملي.
• سؤال حول المدى الديناميكي: مثل العديد من المستشعرات الرنينية، قد يكون نطاق عملها محدودًا بتغيرات صغيرة في معامل الانكسار حول نقطة مصممة. لا تتناول الورقة كيفية تعاملها مع نطاق واسع من العينات السائلة.

5.3 رؤى قابلة للتطبيق

للباحثين: لا تنخدعوا بسردية الطباعة ثلاثية الأبعاد وحدها. الخطوة الحرجة التالية هي التوصيف التجريبي الدقيق. استخدم مطيافية النطاق الزمني للتيراهيرتز عالية الدقة لقياس الحساسية الفعلية، ومعيار الجودة، وحد الكشف. قارنها مباشرة بمستشعر مكافئ مصنع في غرفة نظيفة لتحديد مقايضة "التكلفة مقابل الأداء". تحقق من تقنيات التنعيم بعد الطباعة (مثل التلميع بالبخار) لتقليل خشونة السطح.

للبحث والتطوير الصناعي: هذا الهيكل ناضج لتطوير المنتج في تقنية التحليل العملي الصيدلاني (PAT). طبيعته غير التلامسية وخلال التدفق مثالية لمراقبة تغيرات التركيز في المفاعلات الحيوية أو تيارات التنقية. ركز على تطوير نظام جاهز للاستخدام: خرطوشة مستشعر قابلة للاستبدال مطبوعة ثلاثي الأبعاد قوية مقترنة بقارئ تيراهيرتز مضغوط. تعاون مع كيميائي بوليمرات لتطوير خيط طباعة مخصص منخفض الفقد للتيراهيرتز.

الاتجاه الاستراتيجي: يكمن المستقبل في الاستشعار متعدد المعلمات. يجب أن تتضمن النسخة التالية من هذا التصميم قنوات عيوب متعددة أو هياكل شبكية لتعمل كمصفوفات استشعار مرجعية. يمكن أن يتيح ذلك قياس معامل الانكسار ومعامل الامتصاص في وقت واحد، مما يساعد على التمييز بين عينات سائلة مختلفة قد يكون لها معاملات انكسار متشابهة - وهو تحدي شائع في الاستشعار الكيميائي، كما هو مذكور في قواعد بيانات مثل Reaxys أو SciFinder عند البحث في المكتبات الطيفية.

6. التطبيقات المستقبلية والاتجاهات

تفتح منصة المستشعر المقترحة عدة مسارات واعدة:

• أنظمة المختبر على شريحة: التكامل مع مكونات ميكروفلويدية أخرى (خلاطات، صمامات) لإجراء فحوصات حيوية معقدة.
• المراقبة في الوقت الحقيقي للعمليات: المراقبة المضمنة للتفاعلات الكيميائية، أو عمليات التخمير، أو جودة الوقود حيث يكون معامل الانكسار معلمة رئيسية.
• الاستشعار البيئي: كشف الملوثات في تيارات المياه.
• التصنيع المتقدم: استخدام تقنيات طباعة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة (مثل الطباعة المجسمة - SLA) أو البلمرة ثنائية الفوتون لإنشاء هياكل أكثر نعومة والتشغيل عند ترددات تيراهيرتز أعلى.
• التشخيص الطبي الحيوي: إمكانية تحليل سوائل الجسم (مثل المصل، البول) في أماكن الرعاية، على الرغم من أن امتصاص الماء يظل تحديًا كبيرًا يجب التغلب عليه هندسيًا.

7. المراجع

1. P. U. Jepsen et al., "Terahertz spectroscopy and imaging – Modern techniques and applications," Laser & Photonics Reviews, vol. 5, no. 1, pp. 124–166, 2011.
2. C. J. Strachan et al., "Using terahertz pulsed spectroscopy to study crystallinity of pharmaceutical materials," Chemical Physics Letters, vol. 390, no. 1-3, pp. 20–24, 2004.
3. Y. C. Shen et al., "Detection and identification of explosives using terahertz pulsed spectroscopic imaging," Applied Physics Letters, vol. 86, no. 24, p. 241116, 2005.
4. M. Nagel et al., "Integrated THz technology for label-free genetic diagnostics," Applied Physics Letters, vol. 80, no. 1, pp. 154–156, 2002.
5. B. B. Jin et al., "Terahertz dielectric sensitivity of biomolecules," Journal of Biological Physics, vol. 29, no. 2-3, pp. 117–123, 2003.
6. A. K. Azad et al., "Ultrafast optical control of terahertz surface plasmons," Optics Express, vol. 16, no. 11, pp. 7641–7648, 2008.
7. J. F. O'Hara et al., "Thin-film sensing with planar terahertz metamaterials: sensitivity and limitations," Optics Express, vol. 16, no. 3, pp. 1786–1795, 2008.
8. H. Tao et al., "A metamaterial absorber for the terahertz regime: Design, fabrication and characterization," Optics Express, vol. 16, no. 10, pp. 7181–7188, 2008.
9. N. I. Landy et al., "Perfect metamaterial absorber," Physical Review Letters, vol. 100, no. 20, p. 207402, 2008.
10. S. Lee et al., "Highly sensitive and selective terahertz sensing of DNA molecules using metamaterials," Journal of Applied Physics, vol. 109, no. 12, p. 126102, 2011.
11. Y. Z. Cheng et al., "Terahertz metamaterial fluid sensor for sensitive detection of liquid analytes," Applied Physics Letters, vol. 103, no. 15, p. 151108, 2013.
12. K. Iwaszczuk et al., "Terahertz reflector array for sensing of liquids," Optics Letters, vol. 35, no. 9, pp. 1452–1454, 2010.
13. M. Nagel et al., "A functionalized terahertz sensor for marker-free DNA analysis," Physics in Medicine and Biology, vol. 48, no. 22, pp. 3625–3636, 2003.
14. A. L. Bingham et al., "Terahertz spectroscopy of proteins in aqueous solution," Journal of Pharmaceutical Sciences, vol. 94, no. 10, pp. 2171–2180, 2005.
15. D. Grischkowsky et al., "Far-infrared time-domain spectroscopy with terahertz beams of dielectrics and semiconductors," Journal of the Optical Society of America B, vol. 7, no. 10, pp. 2006–2015, 1990.
16. H.-T. Chen et al., "A metamaterial solid-state terahertz phase modulator," Nature Photonics, vol. 3, no. 3, pp. 148–151, 2009.
17. Isola, P., Zhu, J.-Y., Zhou, T., & Efros, A. A. (2017). Image-to-Image Translation with Conditional Adversarial Networks. Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR). (تم الاستشهاد بها كمثال لإطار عمل - شبكات الخصومة التوليدية - أحدث ثورة في مجال من خلال هيكل جديد، على غرار كيف يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد أن تحدث ثورة في تصنيع أجهزة التيراهيرتز).
18. IMEC. "Silicon Photonics." https://www.imec-int.com/en/expertise/silicon-photonics (تم الاستشهاد بها كمثال لمعهد يقود حلولًا بصرية متكاملة وقابلة للتصنيع).
19. Reaxys Database. Elsevier. https://www.reaxys.com (تم الاستشهاد بها كمصدر موثوق لبيانات خواص وتفاعلات المواد الكيميائية، ذي صلة بتحديد هوية العينات).