DE102011054512A1 - Method and apparatus for high-frequency analysis of liquid systems - Google Patents
Method and apparatus for high-frequency analysis of liquid systems Download PDFInfo
- Publication number
- DE102011054512A1 DE102011054512A1 DE201110054512 DE102011054512A DE102011054512A1 DE 102011054512 A1 DE102011054512 A1 DE 102011054512A1 DE 201110054512 DE201110054512 DE 201110054512 DE 102011054512 A DE102011054512 A DE 102011054512A DE 102011054512 A1 DE102011054512 A1 DE 102011054512A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- liquid
- electromagnetic radiation
- chamber
- radiation
- dielectric material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 179
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 claims abstract description 117
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 94
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 39
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 39
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 39
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims description 60
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 7
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 abstract description 6
- 239000000843 powder Substances 0.000 abstract description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 13
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 13
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 10
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 9
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 8
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 8
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 5
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 229920000089 Cyclic olefin copolymer Polymers 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 3
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 3
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 2
- 239000004922 lacquer Substances 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- SKJCKYVIQGBWTN-UHFFFAOYSA-N (4-hydroxyphenyl) methanesulfonate Chemical compound CS(=O)(=O)OC1=CC=C(O)C=C1 SKJCKYVIQGBWTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WKBPZYKAUNRMKP-UHFFFAOYSA-N 1-[2-(2,4-dichlorophenyl)pentyl]1,2,4-triazole Chemical compound C=1C=C(Cl)C=C(Cl)C=1C(CCC)CN1C=NC=N1 WKBPZYKAUNRMKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 150000001925 cycloalkenes Chemical class 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 238000011896 sensitive detection Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000004936 stimulating effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3577—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing liquids, e.g. polluted water
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/55—Specular reflectivity
- G01N21/552—Attenuated total reflection
- G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
- G01N21/3586—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation by Terahertz time domain spectroscopy [THz-TDS]
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Führen von elektromagnetischer Strahlung im Terahertz-Frequenzbereich in einer Flüssigkeit. Aufgrund der starken Absorption von wässrigen Lösungen werden biomolekulare Systeme bisher bevorzugt getrocknet, gepresst und in Pulverform mit Hilfe von THz-Strahlung charakterisiert, das heißt außerhalb ihrer natürlichen wässrigen Umgebung. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, die es ermöglichen, die Propagationsstrecke von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich in Flüssigkeiten, insbesondere in Wasser und wässrigen Lösungen, auszudehnen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Führen elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich in einer Flüssigkeit vorgeschlagen mit den Schritten: Erzeugen elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich, Bereitstellen der Flüssigkeit, Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung in die Flüssigkeit und Anregen einer Oberflächen-Polariton-Mode in der Flüssigkeit bzw. an deren Grenzflächen.The present invention relates to a method and a device for guiding electromagnetic radiation in the terahertz frequency range in a liquid. Due to the strong absorption of aqueous solutions, biomolecular systems have hitherto been preferably dried, pressed and characterized in powder form by means of THz radiation, ie outside their natural aqueous environment. It is therefore an object of the present invention to provide a method and a device which make it possible to expand the propagation distance of electromagnetic radiation in the THz frequency range in liquids, in particular in water and aqueous solutions. To achieve this object, a method for guiding electromagnetic radiation in the THz frequency range in a liquid is proposed with the steps: generating electromagnetic radiation in the THz frequency range, providing the liquid, coupling the electromagnetic radiation into the liquid and exciting a surface polariton mode in the liquid or at their interfaces.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Führen von elektromagnetischer Strahlung im Terahertz-Frequenzbereich in einer Flüssigkeit.The present invention relates to a method and a device for guiding electromagnetic radiation in the terahertz frequency range in a liquid.
Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Analyse einer Flüssigkeit mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung im Terahertz-Frequenzbereich.The present invention furthermore relates to a method and a device for analyzing a liquid with the aid of electromagnetic radiation in the terahertz frequency range.
Der Terahertz-(THz)-Frequenzbereich oder Submillimeterwellenlängenbereich ist einer der letzten „dunklen” Bereiche des elektromagnetischen Spektrums. Erst langsam erschließen sich kommerzielle Anwendungsfelder für diesen Bereich des elektromagnetischen Spektrums und dies obwohl der THz-Frequenzbereich gegenüber anderen Frequenzbändern des elektromagnetischen Spektrums intrinsische Vorteile aufweist:
- – Viele optisch undurchsichtige Materialien sind im THz-Frequenzbereich transparent.
- – THz-Strahlung ist nicht ionisierend und wird daher im biomedizinischen Bereich als sicher betrachtet.
- – Bestimmte rotatorische, vibronische oder libratorische Molekülanregungen weisen eine Resonanzfrequenz im THz-Frequenzbereich auf.
- – THz-Strahlung liefert wesentliche Informationen über Ladungsträgerdynamiken, insbesondere in solchen Strukturen, die eine essentielle Rolle in zukünftigen photonischen und elektronischen Komponenten spielen.
- – THz-Strahlung zeigt eine geringere Streuung verglichen mit optischen Frequenzen und ist daher insbesondere zur Verwendung in industriellen Umgebungen, in denen es beispielsweise vermehrt zur Staubbildung kommt, geeignet.
- – Betrachtet man Kommunikationssysteme, so ermöglichen höhere Frequenzen größere Übertragungsbandbreiten.
- - Many optically opaque materials are transparent in the THz frequency range.
- - THz radiation is non-ionizing and therefore considered safe in the biomedical field.
- - Certain rotatory, vibronic or libratory molecular excitations have a resonance frequency in the THz frequency range.
- THz radiation provides substantial information about charge carrier dynamics, especially in those structures that play an essential role in future photonic and electronic components.
- THz radiation exhibits less scattering compared to optical frequencies and is therefore particularly suitable for use in industrial environments in which, for example, more dust is generated.
- - Looking at communication systems, higher frequencies allow greater transmission bandwidths.
THz-Strahlung eignet sich grundsätzlich insbesondere für analytische Untersuchungen an biomolekularen Systemen. Dabei hat sich jedoch herausgestellt, dass es nahezu unmöglich ist, diese biomolekularen Systeme in ihrer natürlichen, das heißt wässrigen, Umgebung mit Hilfe von THz-Strahlung zu analysieren. Diese Einschränkung ist darauf zurückzuführen, dass Wasser für THz-Strahlung sehr hohe Absorptionskoeffizienten aufweist, so dass dieser Bereich des elektromagnetischen Spektrums in Wasser und wässrigen Lösungen bereits nach wenigen hundert Mikrometern vollständig absorbiert ist. Eine Erfassung der Wechselwirkung der THz-Strahlung mit den biomolekularen Systemen nach einer geeigneten Wechselwirkungsstrecke ist somit schon deshalb nicht möglich, weil auf dieser Strecke die wässrige Lösung die THz-Strahlung vollständig absorbiert.THz radiation is basically suitable in particular for analytical investigations on biomolecular systems. However, it has been found that it is almost impossible to analyze these biomolecular systems in their natural, ie aqueous, environment using THz radiation. This limitation is due to the fact that water has very high absorption coefficients for THz radiation, so that this region of the electromagnetic spectrum is completely absorbed in water and aqueous solutions after only a few hundred micrometers. A detection of the interaction of the THz radiation with the biomolecular systems after a suitable interaction path is therefore not possible, because on this route, the aqueous solution completely absorbs the THz radiation.
Daher werden bisher biomolekulare Systeme bevorzugt getrocknet, gepresst und in Pulverform mit Hilfe von THz-Strahlung charakterisiert, das heißt außerhalb ihrer natürlichen wässrigen Umgebung.Therefore, biomolecular systems have hitherto been preferably dried, pressed and characterized in powder form by means of THz radiation, ie outside their natural aqueous environment.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, die es ermöglichen, die Propagationsstrecke von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich in Flüssigkeiten, insbesondere in Wasser und wässrigen Lösungen, auszudehnen. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse von Flüssigkeiten und Substanzen in Flüssigkeiten, insbesondere zur Analyse biomolekularer Systeme in wässriger Umgebung, mit Hilfe von THz-Strahlung bereitzustellen.It is therefore an object of the present invention to provide a method and a device which make it possible to expand the propagation distance of electromagnetic radiation in the THz frequency range in liquids, in particular in water and aqueous solutions. In addition, it is the object of the invention to provide a method and a device for the analysis of liquids and substances in liquids, in particular for the analysis of biomolecular systems in an aqueous environment, with the aid of THz radiation.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird durch ein Verfahren zum Führen elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich in einer Flüssigkeit gelöst mit den Schritten: Erzeugen elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich, Bereitstellen der Flüssigkeit, Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung in die Flüssigkeit und Anregen einer Oberflächen-Polariton-Mode in der Flüssigkeit bzw. an deren Grenzflächen.At least one of these objects is achieved by a method for guiding electromagnetic radiation in the THz frequency range in a liquid, comprising the steps of generating electromagnetic radiation in the THz frequency range, providing the fluid, coupling the electromagnetic radiation into the fluid and exciting a surface polariton. Mode in the liquid or at their interfaces.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird auch durch ein Verfahren zur Analyse einer Flüssigkeit gelöst, das die folgenden Schritte aufweist: Erzeugen elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich, Bereitstellen der Flüssigkeit, Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung in die Flüssigkeit, Anregen einer Oberflächen-Polariton-Mode in der Flüssigkeit bzw. an deren Grenzflächen und Erfassen der in die zu analysierende Flüssigkeit eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung.At least one of these objects is also achieved by a method for analyzing a liquid, comprising the steps of: generating electromagnetic radiation in the THz frequency range, providing the liquid, coupling the electromagnetic radiation into the liquid, exciting a surface polariton mode in the Liquid or at their interfaces and detecting the coupled into the liquid to be analyzed electromagnetic radiation.
Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird von der Flüssigkeit als „zu analysierende Flüssigkeit” gesprochen, wenn es sich um ein Verfahren zur Analyse einer Flüssigkeit handelt.For the purposes of the present application, the liquid is referred to as "liquid to be analyzed", if it is a method for analyzing a liquid.
Im Sinne der vorliegenden Anmeldung erstreckt sich der THz-Frequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums in einem Bereich von etwa 10 GHz bis etwa 10 THz.For the purposes of the present application, the THz frequency range of the electromagnetic spectrum extends in a range from about 10 GHz to about 10 THz.
Es hat sich gezeigt, dass die Anregung einer, insbesondere gekoppelten, Oberflächen-Polariton-Mode an den Grenzflächen einer die THz-Strahlung stark absorbierenden Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, die Propagationsstrecke der THz-Strahlung erheblich verlängert, ohne dass die Strahlung dabei vollständig von der Flüssigkeit absorbiert würde. Das bedeutet insbesondere, dass die Wechselwirkungslänge der THz-Strahlung mit einer zu analysierenden Flüssigkeit und vorzugsweise mit in der Flüssigkeit befindlichen Substanzen erheblich ausgedehnt werden kann.It has been found that the excitation of a, in particular coupled, surface polariton mode at the interfaces of a THz radiation strongly absorbing liquid, such as water, the propagation distance of the THz radiation considerably extended without the radiation thereby completely from the Liquid would be absorbed. This means in particular that the interaction length of the THz radiation with a to be analyzed Liquid and preferably with substances in the liquid can be considerably expanded.
Das Anregen einer gekoppelten Oberflächen-Polariton-Mode in der Flüssigkeit gelingt in einer Ausführungsform dann, wenn die Flüssigkeit zwei Grenzflächen mit dielektrischem, für die THz-Strahlung transparenten Material bildet, wobei die Flüssigkeit für die THz-Strahlung eine größere Absorption aufweist als das dielektrische Material. Dabei gilt, je größer die Absorption der Flüssigkeit verglichen mit dem dielektrischen Material ist, desto besser ist die Propagation der THz-Strahlung mit Hilfe der Oberflächen-Polariton-Mode.In one embodiment, exciting a coupled surface polariton mode in the liquid succeeds when the liquid forms two interfaces with dielectric material transparent to the THz radiation, the THz radiation liquid having a greater absorption than the dielectric Material. In this case, the greater the absorption of the liquid compared with the dielectric material, the better the propagation of the THz radiation by means of the surface polariton mode.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Flüssigkeit in Form einer Schicht bereitgestellt, deren Dicke kleiner ist als die Wellenlänge der verwendeten elektromagnetischen Strahlung im THz-Frequenzbereich.In one embodiment of the method according to the invention, the liquid is provided in the form of a layer whose thickness is smaller than the wavelength of the electromagnetic radiation used in the THz frequency range.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Flüssigkeit in Form einer Schicht bereitgestellt, deren Dicke kleiner ist als das 1,5-fache der Skin-Tiefe für mindestens eine der Wellenlängen der von der Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung in der zu verwendenden Flüssigkeit, deren Dicke vorzugsweise kleiner ist als das 1,25-fache der Skin-Tiefe für mindestens eine der Wellenlängen der von der Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung in der zu verwendenden Flüssigkeit und deren Dicke besonders bevorzugt kleiner ist als die Skin-Tiefe für mindestens eine der Wellenlängen der von der Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung in der zu verwendenden Flüssigkeit.In another embodiment, the liquid is provided in the form of a layer whose thickness is less than 1.5 times the skin depth for at least one of the wavelengths of the electromagnetic radiation generated by the radiation source in the liquid to be used, the thickness of which is preferably smaller is more preferably 1.25 times the skin depth for at least one of the wavelengths of the electromagnetic radiation generated by the radiation source in the liquid to be used and the thickness thereof, and less than the skin depth for at least one of the wavelengths of the radiation source generated electromagnetic radiation in the liquid to be used.
In solchen Ausführungsformen, bei denen die Flüssigkeit in zumindest einer Richtung, d. h. zwischen den zwei gegenüberliegenden Grenzflächen eine Dimension bzw. Dicke aufweist, die kleiner ist als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung bzw. kleiner als die Skin-Tiefe der elektromagnetischen Strahlung in der Flüssigkeit, fällt das in die Flüssigkeit eingekoppelte elektrische Feld der elektromagnetischen Strahlung auf zwei Seiten exponentiell in das die Flüssigkeit umgebende dielektrische Material ab. Der Großteil des Feldes liegt außerhalb der stark absorbierenden Flüssigkeit im verlustfreien bzw. verlustärmeren Material, welches die beiden Grenzflächen mit der Flüssigkeit ausbildet.In those embodiments where the liquid is in at least one direction, i. H. between the two opposing interfaces has a dimension or thickness which is smaller than the wavelength of the electromagnetic radiation or smaller than the skin depth of the electromagnetic radiation in the liquid, the electric field of the electromagnetic radiation coupled into the liquid falls on two sides exponentially into the dielectric material surrounding the liquid. The majority of the field lies outside of the strongly absorbing liquid in the lossless or low-loss material, which forms the two interfaces with the liquid.
In einer Ausführungsform ist die Dicke der Flüssigkeitsschicht in einer Richtung senkrecht zu den beiden Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und dem dielektrischen Material kleiner als etwa 50 μm, vorzugsweise kleiner als etwa 40 μm.In one embodiment, the thickness of the liquid layer in a direction perpendicular to the two interface between the liquid and the dielectric material is less than about 50 μm, preferably less than about 40 μm.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Flüssigkeit als Schicht zwischen einem ersten und einem zweiten Element aus dielektrischem Material bereitgestellt. Auf diese Weise können sich Oberflächen-Polariton-Moden an zwei Grenzflächen der Flüssigkeit zu dielektrischem Material ausbilden.In one embodiment of the method, the liquid is provided as a layer between a first and a second element of dielectric material. In this way, surface polariton modes can form at two interfaces of the liquid to dielectric material.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein evaneszentes Feld der elektromagnetischen Strahlung in die Flüssigkeit eingekoppelt.In a further embodiment of the method according to the invention, an evanescent field of the electromagnetic radiation is coupled into the liquid.
Um dies zu erreichen wird in einer Ausführungsform ein evaneszentes Feld beispielsweise zunächst in das dielektrische Material eingekoppelt, welches eine Grenzfläche mit der Flüssigkeit bildet, wobei sich das evaneszente Feld bis in die Flüssigkeit erstreckt.To accomplish this, in one embodiment, an evanescent field is first coupled into the dielectric material, for example, which forms an interface with the liquid, with the evanescent field extending into the liquid.
Zur Einkopplung eines evaneszenten Feldes in die Flüssigkeit kann beispielsweise eine interne Totalreflexion an einer Grenzfläche zwischen einem für die THz-Strahlung transparenten Körper, vorzugsweise einem Prisma, und dem dielektrischen Material, welches die Grenzfläche zu der Flüssigkeit ausbildet, genutzt werden.For coupling an evanescent field into the liquid, for example, an internal total reflection at an interface between a body transparent to the THz radiation, preferably a prism, and the dielectric material forming the interface to the liquid can be used.
Dazu weist der transparente Körper für die verwendete THz-Strahlung einen größeren Brechungsindex auf als das dielektrische Material, welches die Grenzfläche mit der Flüssigkeit ausbildet. Trifft die elektromagnetische Strahlung unter einem Winkel auf die Grenzfläche zwischen dem transparenten Körper und dem dielektrischen Material, der größer ist als der kritische Winkel, so tritt an dieser Grenzfläche eine Totalreflexion auf und nur ein evaneszentes, d. h. exponentiell abklingendes elektrisches Feld der elektromagnetischen Strahlung erstreckt sich bis in das dielektrische Material hinein, welches die Grenzfläche mit der Flüssigkeit bildet.For this purpose, the transparent body for the THz radiation used has a greater refractive index than the dielectric material, which forms the interface with the liquid. If the electromagnetic radiation hits the interface between the transparent body and the dielectric material at an angle which is greater than the critical angle, a total reflection occurs at this interface and only an evanescent, ie. H. The exponentially decaying electric field of the electromagnetic radiation extends into the dielectric material which forms the interface with the liquid.
Eine Anregung der gekoppelten Oberflächen-Polariton-Mode in der Flüssigkeit bzw. an deren Grenzflächen ist dann erfassbar als Abschwächung der internen Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem transparenten Körper und dem dielektrischen Material, das die Grenzfläche zu der Flüssigkeit ausbildet. Wechselwirkungen der elektromagnetischen Strahlung im THz-Frequenzbereich mit der Flüssigkeit äußern sich ebenfalls in Änderungen der internen Totalreflexion und damit der Intensität der von einem Detektor erfassten reflektierten Strahlung.Excitation of the coupled surface polariton mode in the liquid or at its interfaces is then detectable as a weakening of the total internal reflection at the interface between the transparent body and the dielectric material, which forms the interface to the liquid. Interactions of the electromagnetic radiation in the THz frequency range with the liquid also manifest themselves in changes in the total internal reflection and thus the intensity of the reflected radiation detected by a detector.
In einer weiteren Ausführungsform, bei der die Flüssigkeit als Schicht zwischen einem ersten oder zweiten Element aus dielektrischem Material bereitgestellt wird, wird ein evaneszentes Feld der elektromagnetischen Strahlung in das erste Element aus dielektrischem Material eingekoppelt, wobei sich das evaneszente Feld durch die Flüssigkeit bis in das zweite Element aus dielektrischem Material erstreckt.In another embodiment, where the liquid is provided as a layer between a first or second dielectric material element, an evanescent field of electromagnetic radiation is coupled into the first dielectric material element evanescent field through the liquid extends into the second element of dielectric material.
In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung in die Flüssigkeit im Wesentlichen parallel zur Grenzfläche der Flüssigkeit mit dem dielektrischen Material.In one embodiment of the invention, the coupling of the electromagnetic radiation into the liquid takes place substantially parallel to the interface of the liquid with the dielectric material.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform erfolgt das Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung in die Flüssigkeit im Wesentlichen senkrecht zu der Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und dem dielektrischen Material.In a further alternative embodiment, the coupling of the electromagnetic radiation into the liquid takes place substantially perpendicular to the interface between the liquid and the dielectric material.
In Abhängigkeit von der Art des Einkoppelns der elektromagnetischen Strahlung in die Flüssigkeit, erfolgt das Erfassen der Anregung der Oberflächen-Polariton-Mode und/oder derer Wechselwirkung mit der Flüssigkeit direkt oder indirekt.Depending on the nature of the coupling of the electromagnetic radiation into the liquid, the detection of the excitation of the surface polariton mode and / or its interaction with the liquid takes place directly or indirectly.
Als Propagationsrichtung der Oberflächen-Polariton-Mode in der Flüssigkeit wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung eine Richtung parallel zur Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Material und der Flüssigkeit bezeichnet.As the propagation direction of the surface polariton mode in the liquid, a direction parallel to the interface between the dielectric material and the liquid is referred to in the sense of the present application.
Mit Hilfe des in dieser Anmeldung offenbarten Verfahrens lassen sich insbesondere folgende Ereignisse in einer zu analysierenden Flüssigkeit erfassen:
- a) Die Anregung von inter- und intramolekularen Vibrations- und Rotationszuständen von Substanzen in wässriger Lösung. Diese führen zu einer Abschwächung der durch die zu analysierende Flüssigkeit propagierenden Oberflächen-Polariton-Mode.
- b) Bindungsereignisse an oberflächenimmobilisierten Molekülen, d. h. in solchen Molekülen, die an der Grenzfläche zwischen dielektrischem Material und zu analysierender Flüssigkeit lokalisiert sind. Diese führen zu einer Brechungsindexänderung der zu analysierenden Flüssigkeit und damit zu einer Änderung des Absorptionsverhaltens der zu analysierenden Flüssigkeit.
- c) Brechungsindexänderungen der zu analysierenden Flüssigkeit beispielsweise infolge einer Änderung der Konzentration der in der Flüssigkeit enthaltenden Biomoleküle. Diese führen ebenfalls zu einer Abschwächung der Anregung der Oberflächen-Polariton-Mode.
- a) The excitation of inter- and intramolecular vibrational and rotational states of substances in aqueous solution. These lead to a weakening of the propagating through the liquid to be analyzed surface polariton mode.
- b) Binding events on surface-immobilized molecules, ie those molecules located at the interface between dielectric material and liquid to be analyzed. These lead to a refractive index change of the liquid to be analyzed and thus to a change in the absorption behavior of the liquid to be analyzed.
- c) refractive index changes of the liquid to be analyzed, for example due to a change in the concentration of the biomolecules contained in the liquid. These also lead to a weakening of the excitation of the surface polariton mode.
Während eine mögliche Anwendung der Führung elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich die Analyse von Flüssigkeiten oder von in einer Flüssigkeit enthaltenen Substanzen ist, kann das Führen auch dazu dienen, elektromagnetische THz-Strahlung beispielsweise auf einem Analyse-Chip hin zu einer Probenkammer zu führen. Ein solcher flüssigkeitbasierter Wellenleiter hat den Vorteil, dass er sich mit den gleichen Prozessschritten fertigen lässt wie eine Probenkammer für die zu analysierende Flüssigkeit. Wird das erfindungsgemäße Verfahren oder die erfindungsgemäße Vorrichtung als Wellenleiter verwendet, so ist die Kammer zur Aufnahme der Flüssigkeit in einer Richtung ausgedehnt, um einen Einkopplungspunkt mit einem Zielpunkt für die elektromagnetische Strahlung zu verbinden.While one possible application of the guidance of electromagnetic radiation in the THz frequency range is the analysis of liquids or substances contained in a liquid, the guiding may also serve to guide electromagnetic THz radiation, for example on an analysis chip, to a sample chamber. Such a liquid-based waveguide has the advantage that it can be manufactured with the same process steps as a sample chamber for the liquid to be analyzed. When the method or apparatus of the present invention is used as a waveguide, the chamber for receiving the liquid is extended in one direction to connect an injection point to a target point for the electromagnetic radiation.
Zumindest eine der oben genannten Aufgabe wird darüber hinaus auch durch eine Vorrichtung zum Führen elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich in einer Flüssigkeit gelöst mit einer Kammer zum Aufnehmen der Flüssigkeit, wobei die Kammer zwei gegenüberliegende Wandabschnitte aus einem für die elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich transparenten, dielektrischen Material aufweist, wobei die Wandabschnitte je eine Grenzfläche zu der in der Kammer aufzunehmenden Flüssigkeit ausbilden und wobei sich die in der Kammer aufzunehmende Flüssigkeit als Schicht zwischen den beiden Grenzflächen erstreckt, und einer Einrichtung zum Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung in die Kammer, die so eingerichtet ist, dass im Betrieb der Vorrichtung eine Oberflächen-Polariton-Mode entlang den Grenzflächen angeregt wird.In addition, at least one of the above-mentioned objects is also achieved by a device for guiding electromagnetic radiation in the THz frequency range in a liquid having a chamber for receiving the liquid, wherein the chamber has two opposite wall sections of one transparent to the electromagnetic radiation in the THz frequency range dielectric material, wherein the wall sections each form an interface with the liquid to be accommodated in the chamber and wherein the liquid to be accommodated in the chamber extends as a layer between the two interfaces, and means for coupling the electromagnetic radiation into the chamber, the like is set up that during operation of the device, a surface polariton mode is excited along the interfaces.
Zudem wird mindestens eine der oben genannten Aufgaben durch eine Vorrichtung zur Analyse einer Flüssigkeit gelöst mit einer Strahlungsquelle, die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich erzeugt, einer Kammer zum Aufnehmen der Flüssigkeit, wobei die Kammer zwei gegenüberliegende Wandabschnitte aus einem für die elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich transparenten dielektrischen Material aufweist, wobei die Wandabschnitte je eine Grenzfläche zu der in der Kammer aufzunehmenden Flüssigkeit ausbilden und wobei sich die in der Kammer aufzunehmende Flüssigkeit als Schicht zwischen den beiden Grenzflächen erstreckt, einer Einrichtung zum Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung in die Kammer, die so eingerichtet ist, dass im Betrieb der Vorrichtung eine Oberflächen-Polariton-Mode entlang den Grenzflächen angeregt wird, und einem Detektor für die elektromagnetische Strahlung zum Erfassen der in die Kammer eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung.In addition, at least one of the above objects is achieved by a device for analyzing a liquid having a radiation source adapted to produce in operation electromagnetic radiation in the THz frequency range, a chamber for receiving the liquid, the chamber having two opposite wall sections comprising a dielectric material which is transparent to the electromagnetic radiation in the THz frequency range, the wall portions each forming an interface with the liquid to be accommodated in the chamber, and wherein the liquid to be accommodated in the chamber extends as a layer between the two boundary surfaces, means for coupling electromagnetic radiation into the chamber adapted to excite a surface polariton mode along the interfaces during operation of the device, and an electromagnetic radiation detector for detecting the radiation injected into the chamber opposed electromagnetic radiation.
Die Kammer für die Flüssigkeit ist im Sinne der vorliegenden Anmeldung eine Probenkammer, wenn es sich um eine Vorrichtung zur Analyse einer Flüssigkeit handelt.For the purposes of the present application, the chamber for the liquid is a sample chamber, if it is a device for analyzing a liquid.
Als Strahlungsquelle für die elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich eignen sich alle Strahlungsquellen, die in diesem Frequenzbereich emittierten. Dies sind zum einen Dauerstrichquellen und zum anderen impulsförmige Quellen. In Abhängigkeit von der zu verwendenden Flüssigkeit kann die Strahlungsquelle elektromagnetische Strahlung bei lediglich einer einzigen oder einer Mehrzahl von diskreten Frequenzen erzeugen. Jedoch ist es für viele Anwendungen wünschenswert, wenn die Strahlungsquelle möglichst breitbandige THz-Strahlung bereitstellt, so wie dies beispielsweise optoelektronische Quellen tun, die impulsförmige Strahlung emittieren.Suitable radiation sources for the electromagnetic radiation in the THz frequency range are all radiation sources that emitted in this frequency range. These are on the one hand continuous wave sources and on the other hand pulse-shaped sources. In Depending on the liquid to be used, the radiation source may generate electromagnetic radiation at only a single or a plurality of discrete frequencies. However, for many applications it is desirable for the radiation source to provide broadband THz radiation, as do, for example, optoelectronic sources emitting pulsed radiation.
Der Detektor für die elektromagnetische Strahlung muss sensitiv für die elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich sein.The electromagnetic radiation detector must be sensitive to the electromagnetic radiation in the THz frequency range.
Dabei kann für bestimmte Anwendungen der Detektor ein einfacher Leistungsdetektor, wie z. B. ein Bolometer oder eine Golay-Zelle sein, während es in anderen Ausführungsformen darauf ankommen kann, neben der Intensität der elektromagnetischen Strahlung im THz-Frequenzbereich auch deren Phasenlage zu erfassen. Zur Erfassung der Phasenlage eignen sich kohärente Detektionsverfahren, bei denen die elektromagnetische Strahlung mit einem Referenzsignal gemischt wird, um die Phasenlage der Strahlung erfassen zu können.In this case, for certain applications, the detector is a simple power detector, such. B. may be a bolometer or a Golay cell, while it may be important in other embodiments, in addition to the intensity of the electromagnetic radiation in the THz frequency range to detect their phase position. For detecting the phase position, coherent detection methods are suitable in which the electromagnetic radiation is mixed with a reference signal in order to be able to detect the phase position of the radiation.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Strahlungsquelle so eingerichtet, dass sie im Betrieb elektromagnetische Strahlung mit mindestens einer Wellenlänge erzeugt, wobei die Kammer zumindest in einer Richtung senkrecht zu den Grenzflächen zwischen dem dielektrischen Material der Wandabschnitte der Kammer und der Flüssigkeit eine Abmessung aufweist, die kleiner ist als mindestens eine der Wellenlängen der von der Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung.In one embodiment of the invention, the radiation source is adapted to produce in operation electromagnetic radiation of at least one wavelength, the chamber having a dimension at least in a direction perpendicular to the interfaces between the dielectric material of the wall portions of the chamber and the liquid is smaller than at least one of the wavelengths of the electromagnetic radiation generated by the radiation source.
In einer Ausführungsform weist die Kammer in einer Richtung senkrecht zu den Grenzflächen zwischen dem dielektrischen Material der Wandabschnitte der Kammer und der Flüssigkeit eine Abmessung auf, die kleiner ist als das 1,5-fache der Skin-Tiefe für mindestens eine der Wellenlängen der von der Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung in der zu verwendenden Flüssigkeit, die vorzugsweise kleiner ist als das 1,25-fache der Skin-Tiefe für mindestens eine der Wellenlängen der von der Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung in der zu verwendenden Flüssigkeit und die besonders bevorzugt kleiner ist als die Skin-Tiefe für mindestens eine der Wellenlängen der von der Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung in der zu verwendenden Flüssigkeit.In one embodiment, in a direction perpendicular to the interfaces between the dielectric material of the wall portions of the chamber and the liquid, the chamber has a dimension that is less than 1.5 times the skin depth for at least one of the wavelengths of the Radiation source generated electromagnetic radiation in the liquid to be used, which is preferably less than 1.25 times the skin depth for at least one of the wavelengths of the electromagnetic radiation generated by the radiation source in the liquid to be used and is particularly preferably smaller than that Skin depth for at least one of the wavelengths of the electromagnetic radiation generated by the radiation source in the liquid to be used.
Dabei ist es notwendig, dass im Betrieb der Vorrichtung die Flüssigkeit eine Absorption aufweist, die größer ist als die Absorption des dielektrischen Materials.It is necessary that during operation of the device, the liquid has an absorption which is greater than the absorption of the dielectric material.
Die Anregung einer gekoppelten Oberflächen-Polariton-Mode in der Flüssigkeit erfordert eine Phasenanpassung (phase matching) zwischen der anregenden THz-Strahlung und der angeregten Oberflächen-Polariton-Mode. Das heißt Propagationskonstanten der THz-Strahlung und der angeregten Oberflächen-Polariton-Mode müssen weitgehend übereinstimmen. Da die zu erzeugende Oberflächen-Polariton-Mode immer einen größeren Impuls aufweist als das dielektrische Material der Kammer, gilt es, mit Hilfe der Einrichtung zum Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung in die Kammer diesen Impulsversatz zu kompensieren.The excitation of a coupled surface polariton mode in the liquid requires phase matching between the exciting THz radiation and the excited surface polariton mode. That is propagation constants of the THz radiation and the excited surface polariton mode must largely match. Since the surface polariton mode to be generated always has a larger momentum than the dielectric material of the chamber, it is necessary to compensate for this pulse offset with the aid of the device for coupling the electromagnetic radiation into the chamber.
Für eine solche phasenangepasste Ankopplung der elektromagnetischen THz-Strahlung an die Oberflächen-Polariton-Mode sind insbesondere die im Folgenden offenbarten Anordnungen der Einrichtung zum Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung in die Kammer geeignet.For such a phase-adapted coupling of the electromagnetic THz radiation to the surface polariton mode, in particular the arrangements of the device disclosed below for coupling the electromagnetic radiation into the chamber are suitable.
Dabei gilt, dass die Ankopplung der anregenden THz-Strahlung an die angeregte Oberflächen-Polariton-Mode um so besser ist, je größer der räumliche Überlapp der Felder der anregenden Strahlung und der angeregten Mode ist.It is true that the coupling of the exciting THz radiation to the excited surface polariton mode is the better, the greater the spatial overlap of the fields of the exciting radiation and the excited mode.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Einrichtung zum Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung in die Kammer einen für die elektromagnetische Strahlung transparenten Körper, vorzugsweise ein Prisma, auf, der so angeordnet ist, dass er eine Grenzfläche mit dem dielektrischen Material der Kammer ausbildet, wobei der transparente Körper einen größeren Brechungsindex aufweist als das dielektrische Material der Kammer und wobei die Vorrichtung eine Strahlführung aufweist, welche im Betrieb der Vorrichtung die elektromagnetische Strahlung derart in den Körper einkoppelt, dass an der Grenzfläche zwischen dem Körper und dem dielektrischen Material der Kammer eine Totalreflexion auftritt, wobei der Detektor so angeordnet ist, dass er die nach der Reflexion an der Grenzfläche zwischen dem Körper und dem dielektrischen Material der Kammer aus dem Körper austretende elektromagnetische Strahlung erfasst.In one embodiment of the invention, the means for coupling the electromagnetic radiation into the chamber comprises an electromagnetic radiation transparent body, preferably a prism, arranged to form an interface with the dielectric material of the chamber, the transparent one Body has a greater refractive index than the dielectric material of the chamber and wherein the device comprises a beam guide which couples the electromagnetic radiation into the body during operation of the device such that total reflection occurs at the interface between the body and the dielectric material of the chamber. wherein the detector is arranged to detect the electromagnetic radiation emerging from the body after reflection at the interface between the body and the dielectric material of the chamber.
Mit einer derartigen Anordnung lässt sich auf einfache Weise ein evaneszentes Feld in der Kammer erzeugen, welches sich bis in die Flüssigkeit erstreckt und die Oberflächen-Polariton-Mode entlang den Grenzflächen zwischen der Flüssigkeit und dem dielektrischen Material der Wandabschnitte der Kammer anregt. Dabei wird das evaneszente Feld, das sich von der Grenzfläche zwischen dem Körper und dem dielektrischen Material der Kammer in das dielektrische Material der Kammer hineinerstreckt, in die Kammer bzw. die darin befindliche Flüssigkeit eingekoppelt.With such an arrangement, an evanescent field can easily be created in the chamber which extends into the liquid and excites the surface polariton mode along the interfaces between the liquid and the dielectric material of the wall portions of the chamber. Thereby, the evanescent field which extends from the interface between the body and the dielectric material of the chamber into the dielectric material of the chamber is coupled into the chamber or the liquid contained therein.
Es ist insbesondere darauf zu achten, dass in einer Ausführungsform das dielektrische Material der Kammer zwischen seinen Grenzflächen mit dem transparenten Körper und der Flüssigkeit eine Dicke aufweist, die bedeutend kleiner ist als der exponentielle Abfall des evaneszenten Feldes. Je größer der Überlapp zwischen der anregenden Mode der elektromagnetischen Strahlung und der angeregten Oberflächen-Polariton-Mode ist, desto besser ist die Anregung der Oberflächen-Polariton-Mode. It is particularly important to note that in one embodiment, the dielectric material of the chamber between its interfaces with the transparent body and the liquid has a thickness that is significantly smaller than the exponential decay of the evanescent field. The greater the overlap between the exciting mode of electromagnetic radiation and the excited surface polariton mode, the better the excitation of the surface polariton mode.
In einer alternativen Ausführungsform weist die Einrichtung zum Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung in die Kammer ein Gitter für die elektromagnetische Strahlung auf, das so angeordnet ist, dass es eine Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung in die Kammer ermöglicht.In an alternative embodiment, the means for coupling the electromagnetic radiation into the chamber comprises a grid for the electromagnetic radiation arranged to enable coupling of the electromagnetic radiation into the chamber.
In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung zudem eine Einrichtung zum Auskoppeln der elektromagnetischen Strahlung aus der Kammer auf, wobei die Einrichtung zum Auskoppeln vorzugsweise ein Gitter für die elektromagnetische Strahlung aufweist, das so angeordnet ist, dass es eine Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung aus der Kammer ermöglicht.In one embodiment, the apparatus further comprises means for coupling the electromagnetic radiation out of the chamber, the means for coupling preferably comprising a grid for the electromagnetic radiation arranged to allow outcoupling of the electromagnetic radiation from the chamber.
Dazu sind in einer Ausführungsform der Erfindung die Gitter so angeordnet, dass sie die elektromagnetische Strahlung in das dielektrische Material der Kammer ein- bzw. aus diesen auskoppeln.For this purpose, in one embodiment of the invention, the gratings are arranged such that they couple the electromagnetic radiation into or out of the dielectric material of the chamber.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Einrichtung zum Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung in die Kammer so ausgestaltet, dass sie eine Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung in die Kammer umfasst, sodass die elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen die gleiche Propagationsrichtung aufweist wie die Oberflächen-Polariton-Mode, d. h. im Wesentlichen parallel zu der Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Material der Kammer und der Flüssigkeit.In another alternative embodiment, the means for coupling the electromagnetic radiation into the chamber is configured to include focusing the electromagnetic radiation into the chamber such that the electromagnetic radiation has substantially the same propagation direction as the surface polariton mode, i , H. substantially parallel to the interface between the dielectric material of the chamber and the liquid.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Kammer in einen Resonator für die verwendete anregende elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich integriert, so dass es in der Kammer zu einer Erhöhung des elektrischen Feldes und somit zu einer Verbesserung der Ankopplung der anregenden THz-Strahlung an die angeregte Oberflächen-Polariton-Mode kommt.In one embodiment of the invention, the chamber is integrated into a resonator for the excitation electromagnetic radiation used in the THz frequency range, so that it in the chamber to an increase of the electric field and thus to improve the coupling of the exciting THz radiation to the excited Surface Polariton Mode is coming.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Kammer einen Resonator für die angeregte Oberflächen-Polariton-Mode auf.In a further embodiment, the chamber has a resonator for the excited surface polariton mode.
Ein solcher Resonator für die angeregte Oberflächen-Polariton-Mode führt zu einer Erhöhung des elektrischen Feldes der Mode in der Flüssigkeit und damit zu einer Verstärkung der effektiven Interaktion der Oberflächen-Polariton-Mode mit der zu analysierenden Flüssigkeit. Damit kann eine Erhöhung der Empfindlichkeit der Oberflächen-Polariton-Mode auf Veränderungen der Flüssigkeit erreicht werden.Such a resonator for the excited surface polariton mode leads to an increase of the electric field of the mode in the liquid and thus to an enhancement of the effective interaction of the surface polariton mode with the liquid to be analyzed. Thus, an increase in the sensitivity of the surface polariton mode to changes in the liquid can be achieved.
Dies ist insbesondere zweckmäßig bei Ausführungsformen, bei welchen die Einkopplung der elektromagnetischen THz-Strahlung im Wesentlichen parallel zur Propagationsrichtung der Oberflächen-Polariton-Mode erfolgt.This is particularly expedient in embodiments in which the coupling of the electromagnetic THz radiation takes place substantially parallel to the propagation direction of the surface polariton mode.
Dabei ist eine Ausführungsform vorteilhaft, bei der Bragg-Gitter als Reflektoren für die Oberflächen-Polariton-Mode an der Kammer vorgesehen sind.In this case, an embodiment is advantageous in which Bragg gratings are provided as reflectors for the surface polariton mode on the chamber.
Die Bragg-Gitter sind in einer Ausführungsform als periodische oder quasiperiodische Strukturen in dem dielektrischen Material eines Wandabschnitts der Kammer vorgesehen, welcher eine Grenzfläche zu der Flüssigkeit ausbildet. In einer Ausführungsform wird die periodische oder quasiperiodische Struktur der Bragg-Gitter von Ausnehmungen im dielektrischen Material eines Wandabschnitts der Kammer gebildet.The Bragg gratings, in one embodiment, are provided as periodic or quasi-periodic structures in the dielectric material of a wall portion of the chamber which forms an interface to the liquid. In one embodiment, the periodic or quasi-periodic structure of the Bragg gratings is formed by recesses in the dielectric material of a wall portion of the chamber.
Ein Resonator für die Oberflächen-Polariton-Mode dient insbesondere zur Verstärkung des Feldes innerhalb der Flüssigkeit.A resonator for the surface polariton mode serves in particular to reinforce the field within the liquid.
In einer Ausführungsform hängt der effektive Brechungsindex der Oberflächen-Polariton-Mode in der Flüssigkeit nicht nur von den umgebenden Materialien und den geometrischen Abmessungen ab, sondern insbesondere auch von der Flüssigkeit selbst und ihrer Zusammensetzung. Eine Änderung des Brechungsindex der Flüssigkeit führt allerdings auch zu einer Änderung der effektiven Brechungsindizes der Bragg-Gitter. Insbesondere führt eine Änderung des effektiven Brechungsindex der Oberflächen-Polariton-Mode in einer Ausführungsform zu einer Änderung des Kontrasts zwischen dem effektiven Brechungsindex der Oberflächen-Polariton-Mode in den Regionen mit dielektrischem Material und dem effektiven Brechungsindex der Oberflächen-Polariton-Mode in den Regionen der Zwischenräume, die in ihrer Gesamtheit die Struktur des Bragg Gitters darstellen. Eine solche Änderung des Kontrasts der effektiven Brechungsindizes der Bragg-Gitter des Resonators für die Oberflächen-Polariton-Mode wiederum führt zu einer Änderung des Stopbandes bzw. des Transmissionsbandes der Gitter bzw. des Resonators. Diese Änderung der Bandeigenschaften der Bragg-Gitter wiederum kann in einer Ausführungsform zur hoch sensitiven Erfassung der Eigenschaften der Flüssigkeit selbst dienen.In one embodiment, the effective refractive index of the surface polariton mode in the liquid depends not only on the surrounding materials and geometrical dimensions but also, in particular, on the liquid itself and its composition. However, a change in the refractive index of the liquid also leads to a change in the effective refractive indices of the Bragg gratings. In particular, a change in the effective refractive index of the surface polariton mode in one embodiment results in a change in the contrast between the effective refractive index of the surface polariton mode in the regions of dielectric material and the effective refractive index of the surface polariton mode in the regions the interspaces, which in their entirety represent the structure of the Bragg lattice. Such a change in the contrast of the effective refractive indices of the Bragg gratings of the resonator for the surface polariton mode in turn leads to a change in the stop band or the transmission band of the gratings and the resonator. This change in the band properties of the Bragg gratings, in turn, can in one embodiment serve for the highly sensitive detection of the properties of the liquid itself.
Zum Beispiel kann eine bestimmte Flüssigkeit zuverlässig erfasst werden, wenn man davon ausgeht, dass nur diese eine Flüssigkeit den Resonator so abstimmt, dass er mit der Oberflächen-Polariton-Mode in Resonanz ist. Für diese eine Flüssigkeit wird dann ein überhöhtes Signal erfasst, während für alle anderen Flüssigkeiten, die zu keiner Resonanz des Resonators mit der Oberflächen-Polariton-Mode führen, nur ein schwaches oder kein Signal erfasst wird.For example, a given liquid can be detected reliably if it is assumed that only this one liquid is the one Resonator tuned so that it is in resonance with the surface polariton mode. An excessively high signal is then detected for this one fluid, while only a weak or no signal is detected for all other fluids that do not resonate with the surface polariton mode resonator.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren deutlich.Further advantages, features and applications of the present invention will become apparent from the following description of embodiments and the associated figures.
In der folgenden Beschreibung der Figuren sind identische Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.In the following description of the figures, identical elements are designated by identical reference numerals.
In der dargestellten Ausführungsform wird eine kohärente optoelektronische THz-Anordnung, so wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, zur Erzeugung und Erfassung der THz-Strahlung in der Vorrichtung
Ein Kurzpulslasersystem
Dabei sind in der dargestellten Ausführungsform die optoelektronischen Elemente
Während in dem elektrooptischen Kristall
Im Sinne der vorliegenden Anmeldung bildet der Kurzpulslaser
Da der Impuls der infraroten Strahlung
Während hier nur zusammenfassend kurz die Funktionalität eines optoelektronischen Messaufbaus beschrieben wird, so wie er aus dem Stand der Technik auch als THz-Time Domain-Setup (THz-TDS) bekannt ist, lassen sich die Messungen alternativ auch mit Systemen durchführen, die statt der impulsförmigen THz-Strahlung Dauerstrichstrahlung mit einer oder mit einer Mehrzahl von diskreten Frequenzen verwenden.While only the summary briefly describes the functionality of an optoelectronic measurement setup, as it is also known from the prior art as a THz-time domain setup (THz-TDS), the measurements can alternatively be carried out with systems that instead of the pulsed THz radiation use continuous wave radiation at one or more discrete frequencies.
Zentrales Element der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Analyse einer Flüssigkeit ist die Probenanordnung
Die Probenanordnung
Entlang der Grenzflächen
In der beschriebenen Ausführungsform hat die Flüssigkeitsschicht
Die dielektrischen Wände
Um die Probenkammer mit einer definierten Dicke der Flüssigkeitsschicht
Um zu verhindern, dass sich Teile der oberen Wand
Zur Anregung der Oberflächen-Polariton-Mode in der Flüssigkeitsschicht
Damit die für die langen Wechselwirkungslängen zwischen der THz-Strahlung und der Flüssigkeitsschicht
Um eine Phasenanpassung zwischen der anregenden THz-Strahlung und der Oberflächen-Polariton-Mode zu erreichen, kommen verschiedene Einkopplungsmöglichkeiten für die THz-Strahlung in die Flüssigkeitsschicht
Der reflektierte Teil
Das evaneszente Feld
Die Erfassung der erfolgreichen Anregung einer Oberflächen-Polariton-Mode an der Grenzfläche
In der Ausführungsform aus
Bei der Ausführungsform aus
Die Probenkammer
Die Bragg-Gitter sind als periodisch angeordnete Vertiefungen in dem dielektrischen Material der Wandabschnitte
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppe kombinierbar sind, soweit es nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.For purposes of the original disclosure, it is to be understood that all such features as will become apparent to those skilled in the art from the present description, drawings, and claims, even if concretely described only in connection with certain other features, both individually and separately any combinations with other of the features or feature group disclosed herein are combinable, unless it was expressly excluded or technical conditions make such combinations impossible or pointless. On the comprehensive, explicit representation of all conceivable combinations of features is omitted here only for the sake of brevity and readability of the description.
Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.While the invention has been shown and described in detail in the drawings and the foregoing description, such illustration and description are exemplary only and not intended to limit the scope of the protection as defined by the claims. The invention is not limited to the disclosed embodiments.
Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen” nicht andere Elemtente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel „ein” oder „eine” schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.Variations of the disclosed embodiments will be apparent to those skilled in the art from the drawings, the description and the appended claims. In the claims, the word "comprising" does not exclude other elements or steps, and the indefinite article "a" or "an" does not exclude a plurality. The mere fact that certain features are claimed in different claims does not exclude their combination. Reference signs in the claims are not intended to limit the scope of protection.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtung zur Analyse einer Flüssigkeit mit THz-StrahlungApparatus for analyzing a liquid with THz radiation
- 22
- KurzpulslasersystemShort-pulse laser system
- 33
-
infrarote Strahlung am Ausgang des Lasers
2 infrared radiation at the output of thelaser 2 - 44
- Strahlteilerbeamsplitter
- 5, 65, 6
- elektrooptischer Kristallelectro-optical crystal
- 77
- infrarote Strahlunginfrared radiation
- 88th
- THz-StrahlungTHz radiation
- 99
- Analysatoranalyzer
- 1010
- Detektordetector
- 1111
- Verzögerungsstreckedelay path
- 1212
- Probenanordnungsample arrangement
- 1313
- Probenkammersample chamber
- 1414
- Flüssigkeitsschichtliquid layer
- 15, 1615, 16
-
Grenzflächen zwischen Flüssigkeit
14 und WandInterfaces betweenliquid 14 and wall - 17, 1817, 18
- Wand der ProbenkammerWall of the sample chamber
- 1919
- x-Komponente des E-Feldes der gekoppelten Oberflächen-Polariton-Modex component of the E-field of the coupled surface polariton mode
- 2020
- Prismaprism
- 2121
-
Grenzfläche zwischen Prisma
20 und Wand17 der ProbenkammerInterface betweenprism 20 andwall 17 the sample chamber - 2222
- Linselens
- 23, 2423, 24
- Gittergrid
- 25, 2625, 26
- Seitenfacetten der ProbenkammerSide facets of the sample chamber
- 2727
- evaneszentes Feld der anregenden THz-Strahlungevanescent field of stimulating THz radiation
- 3030
- Probenkammersample chamber
- 3131
- Spaltgap
- 32, 3332, 33
-
dielektrischer Wandabschnitt der Probenkammer
30 dielectric wall portion of thesample chamber 30 - 34, 3534, 35
- Grenzflächeinterface
- 36, 3736, 37
- Bragg-GitterBragg grating
- 38, 3938, 39
- Bragg-GitterBragg grating
- 4040
- Vertiefungdeepening
- 4141
- Materialstegmaterial web
- 5050
- x-Komponente des E-Feldes der gekoppelten Oberflächen-Polariton-Modex component of the E-field of the coupled surface polariton mode
- 5151
- y-Komponente des H-Feldes der gekoppelten Oberflächen-Polariton-Modey-component of the H-field of the coupled surface polariton mode
- 52, 5352, 53
- dielektrischer Wandabschnittdielectric wall section
- 5454
- stark absorbierende Flüssigkeitstrongly absorbing fluid
- 55, 5655, 56
- Grenzflächeinterface
Claims (16)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE201110054512 DE102011054512A1 (en) | 2011-10-14 | 2011-10-14 | Method and apparatus for high-frequency analysis of liquid systems |
PCT/EP2012/070341 WO2013053925A1 (en) | 2011-10-14 | 2012-10-12 | Method and device for analysis of fluid systems in the terahertz frequency range |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE201110054512 DE102011054512A1 (en) | 2011-10-14 | 2011-10-14 | Method and apparatus for high-frequency analysis of liquid systems |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102011054512A1 true DE102011054512A1 (en) | 2013-04-18 |
Family
ID=47177925
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE201110054512 Withdrawn DE102011054512A1 (en) | 2011-10-14 | 2011-10-14 | Method and apparatus for high-frequency analysis of liquid systems |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102011054512A1 (en) |
WO (1) | WO2013053925A1 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106442424B (en) * | 2016-12-08 | 2024-01-30 | 中国计量大学 | Alcohol concentration measuring device and method using graphene terahertz surface plasma effect |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6479822B1 (en) * | 2000-07-07 | 2002-11-12 | Massachusetts Institute Of Technology | System and Method for terahertz frequency measurements |
DE202007018632U1 (en) * | 2007-07-08 | 2009-03-19 | Imst Gmbh | Broadside-coupled ultra-compact multi-band coupler structures in split-guided surfaces Plasmon Polariton waveguide technology |
DE102009019928A1 (en) * | 2008-05-14 | 2009-12-24 | University Of Seoul Industry Cooperation Foundation | Apparatus and method for generating a high-resolution image of a human body by means of electromagnetic terahertz waves and endoscope operating therewith |
US20100017922A1 (en) * | 2006-05-31 | 2010-01-21 | Heungjoo Shin | Integrated sensing probes, methods of fabrication thereof, and methods of use thereof |
WO2011098943A1 (en) * | 2010-02-15 | 2011-08-18 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Device for analyzing a sample using radiation in the terahertz frequency range |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8629983B2 (en) * | 2008-09-24 | 2014-01-14 | Stichting Imec Nederland | Assembly with absorbing sensor layer |
-
2011
- 2011-10-14 DE DE201110054512 patent/DE102011054512A1/en not_active Withdrawn
-
2012
- 2012-10-12 WO PCT/EP2012/070341 patent/WO2013053925A1/en active Application Filing
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6479822B1 (en) * | 2000-07-07 | 2002-11-12 | Massachusetts Institute Of Technology | System and Method for terahertz frequency measurements |
US20100017922A1 (en) * | 2006-05-31 | 2010-01-21 | Heungjoo Shin | Integrated sensing probes, methods of fabrication thereof, and methods of use thereof |
DE202007018632U1 (en) * | 2007-07-08 | 2009-03-19 | Imst Gmbh | Broadside-coupled ultra-compact multi-band coupler structures in split-guided surfaces Plasmon Polariton waveguide technology |
DE102009019928A1 (en) * | 2008-05-14 | 2009-12-24 | University Of Seoul Industry Cooperation Foundation | Apparatus and method for generating a high-resolution image of a human body by means of electromagnetic terahertz waves and endoscope operating therewith |
WO2011098943A1 (en) * | 2010-02-15 | 2011-08-18 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Device for analyzing a sample using radiation in the terahertz frequency range |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2013053925A1 (en) | 2013-04-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1344046B1 (en) | Device and method for analysing the qualitative and/or quantitative composition of liquids | |
DE69405087T2 (en) | Optical detector | |
EP0774658B1 (en) | Method and apparatus for obtaining analytical data on the interior of a scattering medium | |
DE69531125T2 (en) | Detection of a target substance in a sample | |
DE69918546T2 (en) | METHOD FOR STIMULATING AN OPTICAL RESONATOR FOR DETECTING GASSPURES | |
DE102008047658B3 (en) | Gas sensor and use of a gas sensor | |
EP2979057B1 (en) | Fibre-optic sensor and use thereof | |
EP2702376B1 (en) | Chip-based spectroscopy array | |
EP2162789B1 (en) | Device and method for generating and detecting coherent electromagnetic radiation in the thz frequency range | |
EP2520924A1 (en) | Method and measurement assembly for improving signal resolution in gas absorption spectroscopy | |
WO2010015443A1 (en) | Terahertz radiation source and method for producing terahertz radiation | |
DE102007057850A1 (en) | Spectral measuring system | |
DE4122925C2 (en) | Optical spectrometer | |
DE112015006168T5 (en) | Parallel optical measuring system with angle-selective broadband filters | |
EP3611484A1 (en) | Device for providing light for coherent anti-stokes raman spectroscopy | |
DE102011054512A1 (en) | Method and apparatus for high-frequency analysis of liquid systems | |
DE102020210245B3 (en) | Gradiometer for detecting a gradient field of a physical variable | |
DE102015011687B4 (en) | ATR reflective element and ATR spectroscopy method | |
DE10253821B3 (en) | measuring device | |
EP3163292B1 (en) | Method for the calibration and use of a laser spectrometer | |
DE102007052787B4 (en) | Piezo-optical photon detector | |
DE102010023453B3 (en) | Gas analyzer for measuring e.g. nitrogen oxide, concentration based on e.g. UV resonance absorption spectroscopy measurement principle, has light-proof measuring tube arranged at inner wall side of highly reflective transparent glass tubes | |
DE4342783A1 (en) | Producing em radiation by frequency conversion | |
DE19841736C2 (en) | Light coupler for broadband radiation in the microwave to infrared range | |
DE102013105789B3 (en) | Collimator for electromagnetic high-frequency radiation |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified | ||
R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: G01N0021350000 Ipc: G01N0021358100 |
|
R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: G01N0021350000 Ipc: G01N0021358100 Effective date: 20131216 |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |