1. مقدمه

باند فرکانسی تراهرتز (THz) (۱۰–۰.۱ تراهرتز) مزایای منحصربه‌فردی برای حسگری ارائه می‌دهد، از جمله شفافیت بسیاری از دی‌الکتریک‌ها، انرژی فوتونی پایین برای ایمنی زیستی و اثرانگشت‌های طیفی خاص مواد. پایش ضریب شکست (RI) سیالات در این باند برای کاربردهای شیمیایی و زیستی، مانند مطالعات برهمکنش پروتئین‌ها و تشخیص آلاینده‌ها، حیاتی است. این مقاله یک حسگر نوآورانه را ارائه می‌دهد که چاپ سه‌بعدی، موجبرهای شکاف نواری فوتونیک (PBG) و میکروسیالات را ترکیب می‌کند تا بستری مستحکم و حساس برای اندازه‌گیری غیرتماسی ضریب شکست آنالیت‌های در جریان ایجاد کند.

2. طراحی و اصل عملکرد حسگر

2.1 ساختار موجبر شکاف نواری فوتونیک

هسته حسگر یک موجبر براگ است. این موجبر از یک هسته با ضریب شکست پایین (مانند هوا) تشکیل شده که توسط یک روکش تناوبی از لایه‌های دی‌الکتریک با ضریب شکست بالا و پایین احاطه شده است. این ساختار یک شکاف نواری فوتونیک ایجاد می‌کند — محدوده‌ای از فرکانس‌ها که نور نمی‌تواند از طریق روکش انتشار یابد و بنابراین در هسته محبوس می‌شود. یک کانال میکروسیال مستقیماً در این ساختار روکش یکپارچه شده است.

2.2 حالت نقص و مکانیسم حسگری

معرفی کانال سیال به عنوان یک «نقص» در روکش تناوبی عمل می‌کند. این نقص یک حالت رزونانسی موضعی را درون شکاف نواری فوتونیک پشتیبانی می‌کند. فرکانس رزونانس ($f_{res}$) این حالت نقص به شدت به ضریب شکست ($n_a$) آنالیت مایع پرکننده کانال حساس است و توسط رابطه‌ای مانند $f_{res} \propto 1 / (n_a \cdot L_{eff})$ کنترل می‌شود، که در آن $L_{eff}$ یک طول مسیر نوری مؤثر است. تغییرات در $n_a$ باعث جابجایی $f_{res}$ می‌شود که به‌عنوان یک جابجایی در فرورفتگی جذب و یک تغییر فاز در طیف عبوری موج تراهرتز هدایت‌شده توسط هسته تشخیص داده می‌شود.

شاخص کلیدی عملکرد

~۵۰۰ گیگاهرتز بر واحد ضریب شکست

حساسیت تخمینی

روش ساخت

چاپ سه‌بعدی FDM

مقرون‌به‌صرفه و سریع

مزیت اصلی

غیرتماسی

اندازه‌گیری جریان عبوری

3. ساخت به روش چاپ سه‌بعدی

3.1 مدل‌سازی رسوب ذوبی (FDM)

کل ساختار حسگر با استفاده از مدل‌سازی رسوب ذوبی (FDM)، یک تکنیک رایج و کم‌هزینه چاپ سه‌بعدی، ساخته می‌شود. این امکان ایجاد یک‌پارچه هندسه پیچیده موجبر با کانال‌های میکروسیال تعبیه‌شده را در یک مرحله فراهم می‌کند و مشکلات هم‌ترازی و مونتاژ رایج در ریزساخت‌سازی سنتی را حذف می‌کند.

3.2 ماده و یکپارچه‌سازی میکروسیال

یک فیلامنت پلیمری با تلفات کم (مانند کوپلیمر حلقوی اولفین TOPAS®) به دلیل شفافیت آن در محدوده تراهرتز برای چاپ استفاده می‌شود. کانال میکروسیال به‌عنوان یک فضای خالی یکپارچه درون لایه‌های روکش چاپ می‌شود که امکان یکپارچه‌سازی بی‌درز سیالات و فوتونیک را فراهم می‌کند.

4. نتایج آزمایشی و عملکرد

4.1 طیف‌های عبوری و جابجایی رزونانس

آزمایش‌ها شامل عبور آنالیت‌هایی با ضرایب شکست متفاوت و مشخص از کانال بود. سیگنال طیف‌سنجی حوزه زمانی تراهرتز (TDS) عبوری، یک فرورفتگی جذب واضح متناظر با رزونانس نقص را نشان داد. با افزایش ضریب شکست آنالیت، این فرورفتگی به طور پیوسته به فرکانس‌های پایین‌تر جابجا شد. فاز پالس عبوری نیز یک تغییر تیز در نزدیکی رزونانس نشان داد که یک پارامتر تشخیص دوم و بسیار حساس را ارائه می‌دهد.

4.2 حساسیت و شاخص کیفیت

حساسیت حسگر (S) به‌عنوان جابجایی فرکانس رزونانس به ازای هر واحد تغییر در ضریب شکست تعریف می‌شود ($S = \Delta f / \Delta n$). بر اساس اصل ارائه‌شده و حسگرهای موجبر مشابه [۱۳]، طراحی پیشنهادی هدف‌گذاری حساسیتی در محدوده چند صد گیگاهرتز بر واحد ضریب شکست را دارد. شاخص کیفیت (FOM)، که حساسیت را نسبت به پهنای رزونانس در نظر می‌گیرد ($FOM = S / FWHM$)، برای مقایسه عملکرد حسگر حیاتی است، جایی که یک رزونانس باریک‌تر (FWHM کوچکتر) منجر به FOM بالاتر و حد تشخیص بهتر می‌شود.

بینش‌های کلیدی

  • همگرایی فناوری‌ها: نوآوری حسگر در ادغام تولید افزایشی (چاپ سه‌بعدی)، مهندسی بلور فوتونیک (PBG) و میکروسیالات در یک دستگاه عملکردی واحد نهفته است.
  • تشخیص مبتنی بر فاز: بهره‌گیری از تغییرات فاز، نه فقط دامنه، حساسیت بالقوه بالاتری برای تغییرات جزئی ضریب شکست ارائه می‌دهد، تکنیکی که در حسگری فوتونیک پیشرفته مورد تأکید است.
  • ساخت عملی: استفاده از FDM نمونه اولیه حسگر را در دسترس، کم‌هزینه و به‌راحتی قابل تغییر می‌سازد، در تضاد با ساخت پیچیده متامتریال مبتنی بر اتاق تمیز.

5. تحلیل فنی و چارچوب

5.1 بینش اصلی و روند منطقی

بینش اصلی: این فقط یک حسگر تراهرتز دیگر نیست؛ یک راه‌حل مهندسی عمل‌گرا است که حساسیت فوق‌العاده بالا، اما شکننده متامتریال‌ها را با استحکام، قابلیت ساخت و یکپارچه‌سازی سیال در دنیای واقعی معاوضه می‌کند. نویسندگان به درستی شناسایی کرده‌اند که برای بسیاری از مسائل حسگری کاربردی (مانند پایش فرآیند)، یک حسگر قابل اعتماد و مقرون‌به‌صرفه با حساسیت خوب، ارزشمندتر از یک حسگر فوق‌حساس محدود به آزمایشگاه است. روند منطقی ظریف است: از یک موجبر PBG برای ایجاد یک حالت نوری تمیز و به‌خوبی تعریف‌شده استفاده کنید؛ یک نقص سیال برای ایجاد اختلال موضعی در آن معرفی کنید؛ و از چاپ سه‌بعدی برای تحقق کل هندسه پیچیده به صورت یک‌پارچه بهره ببرید. این روند فلسفه طراحی در فوتونیک کاربردی موفق را منعکس می‌کند، جایی که عملکرد از پایه در ساختار ساخته می‌شود، همان‌طور که در مدارهای فوتونیک یکپارچه توسعه‌یافته توسط مؤسساتی مانند IMEC دیده می‌شود.

5.2 نقاط قوت و ضعف

نقاط قوت:

  • اختلال در ساخت: استفاده از چاپ سه‌بعدی FDM یک تغییردهنده بازی برای فوتونیک تراهرتز است. این به شدت مانع ورود برای نمونه‌سازی ساختارهای موجبر پیچیده را کاهش می‌دهد، مشابه نحوه‌ای که نمونه‌سازی سریع طراحی مکانیکی را متحول کرد.
  • یکپارچه‌سازی برتر: یکپارچه‌سازی یک‌پارچه میکروسیالات یک مزیت قابل توجه نسبت به رویکردهایی است که سلول‌های سیال به صورت خارجی متصل می‌شوند، نقاط نشتی و خطاهای هم‌ترازی را کاهش می‌دهد.
  • خوانش دوپارامتری: بهره‌گیری همزمان از دامنه (فرورفتگی جذب) و تغییر فاز، افزونگی ایجاد می‌کند و به طور بالقوه اطمینان اندازه‌گیری را بهبود می‌بخشد.

نقاط ضعف و شکاف‌های حیاتی:

  • ادعاهای حساسیت اثبات‌نشده: مقاله عمدتاً حسگر را پیشنهاد و مدل‌سازی می‌کند. در حالی که به حساسیت‌های حدود ~۵۰۰ گیگاهرتز بر واحد ضریب شکست از طراحی‌های مبتنی بر حفره اشاره می‌کند [۱۲]، داده‌های آزمایشی مشخص برای این حسگر PBG چاپ سه‌بعدی خاص در متن ارائه نشده است. این یک شکاف عمده است.
  • محدودیت‌های ماده: پلیمرهای چاپ‌شده با FDM اغلب دارای زبری سطح و خطوط چسبندگی لایه هستند که می‌توانند باعث تلفات پراکندگی قابل توجه در فرکانس‌های تراهرتز شوند، به طور بالقوه رزونانس‌ها را پهن کرده و FOM را از بین ببرند. این مانع عملی نادیده گرفته شده است.
  • سؤال محدوده دینامیکی: مانند بسیاری از حسگرهای رزونانسی، محدوده عملیاتی آن ممکن است به تغییرات کوچک ضریب شکست حول یک نقطه طراحی‌شده محدود شود. مقاله به این نمی‌پردازد که چگونه با طیف وسیعی از آنالیت‌ها برخورد می‌کند.

5.3 بینش‌های کاربردی

برای پژوهشگران: تنها توسط روایت چاپ سه‌بعدی فریفته نشوید. گام حیاتی بعدی، مشخصه‌یابی آزمایشی دقیق است. از THz-TDS با دقت بالا برای اندازه‌گیری حساسیت واقعی، FOM و حد تشخیص استفاده کنید. آن را مستقیماً با یک معادل ساخته‌شده در اتاق تمیز مقایسه کنید تا معاوضه «هزینه در مقابل عملکرد» را کمّی کنید. تکنیک‌های صیقل‌دهی پس از چاپ (مانند صیقل بخار) را برای کاهش زبری سطح بررسی کنید.

برای تحقیق و توسعه صنعتی: این معماری برای توسعه محصول در فناوری تحلیلی فرآیند دارویی (PAT) آماده است. ماهیت غیرتماسی و جریان عبوری آن برای پایش تغییرات غلظت در بیوراکتورها یا جریان‌های خالص‌سازی ایده‌آل است. بر توسعه یک سیستم کلید در دست تمرکز کنید: یک کارتریج حسگر یک‌بارمصرف چاپ سه‌بعدی مستحکم همراه با یک خواننده تراهرتز فشرده. با یک شیمیدان پلیمر برای توسعه یک فیلامنت چاپ اختصاصی تراهرتز با تلفات کم همکاری کنید.

جهت استراتژیک: آینده در حسگری چندپارامتری نهفته است. تکرار بعدی این طراحی باید چندین کانال نقص یا ساختارهای توری را برای عمل به‌عنوان آرایه‌های حسگری مرجع در خود جای دهد. این می‌تواند امکان اندازه‌گیری همزمان ضریب شکست و ضریب جذب را فراهم کند و به تمایز بین آنالیت‌های مختلفی که ممکن است ضرایب شکست مشابهی داشته باشند کمک کند — یک چالش رایج در حسگری شیمیایی، همان‌طور که در پایگاه‌های داده‌ای مانند Reaxys یا SciFinder هنگام جستجوی کتابخانه‌های طیفی ذکر شده است.

6. کاربردها و جهت‌های آینده

پلتفرم حسگر پیشنهادی چندین مسیر امیدوارکننده را باز می‌کند:

  • سیستم‌های آزمایشگاه روی تراشه: یکپارچه‌سازی با سایر اجزای میکروسیال (مخلوط‌کن‌ها، شیرها) برای آزمون‌های زیستی پیچیده.
  • پایش فرآیند بلادرنگ: پایش درون خطی واکنش‌های شیمیایی، فرآیندهای تخمیر یا کیفیت سوخت که در آن ضریب شکست یک پارامتر کلیدی است.
  • حسگری محیطی: تشخیص آلاینده‌ها یا ناخالصی‌ها در جریان‌های آب.
  • تولید پیشرفته: استفاده از تکنیک‌های چاپ سه‌بعدی با وضوح بالاتر (مانند استریولیتوگرافی - SLA) یا پلیمریزاسیون دو فوتونی برای ایجاد ساختارهای صاف‌تر و عملکرد در فرکانس‌های تراهرتز بالاتر.
  • تشخیص‌های زیست‌پزشکی: پتانسیل برای تحلیل مایعات بدن (مانند سرم، ادرار) در محیط‌های مراقبت نقطه‌ای، اگرچه جذب آب همچنان یک چالش عمده برای مهندسی دور آن باقی می‌ماند.

7. مراجع

  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). (به عنوان نمونه‌ای از یک چارچوب — GANs — ذکر شده است که یک حوزه را از طریق یک معماری نوآورانه متحول کرد، مشابه نحوه‌ای که چاپ سه‌بعدی می‌تواند ساخت دستگاه تراهرتز را متحول کند).
  18. IMEC. "Silicon Photonics." https://www.imec-int.com/en/expertise/silicon-photonics (به عنوان نمونه‌ای از یک مؤسسه که راه‌حل‌های فوتونیک یکپارچه و قابل ساخت را پیش می‌برد ذکر شده است).
  19. Reaxys Database. Elsevier. https://www.reaxys.com (به عنوان یک منبع معتبر برای داده‌های خواص و واکنش‌های شیمیایی، مرتبط با شناسایی آنالیت ذکر شده است).