新颖的设计和数值分析矩形PCF (R-PCF)的生化传感器(BCS)太赫兹政权

文摘

小说PCF-based传感器提出了本文意义不同的化学品和biocomponents。拟议的生化传感器(BCS)包含一个简单的矩形孔的安排。这BCS检测分析物的能力是评价采用full-vector有限元方法(FEM)。性能指标证明能力的BCS感应不同分析物的折射率在1.33到-1.48之间。拟议的BCS显示超低值大部分吸收和限制损失。这BCS达到最高约95.82%的相对灵敏度为2.5太赫兹。同时,这个传感器的色散只有0.12±0.011 ps /太赫兹/厘米在相同的兴趣点。这些结果证明提出的BCS将发挥关键作用感应有毒化学物质,非法毒品,biocomponents,等。此外,简单rectangle-based PCF结构确保制造通过练习现有制造的可行性策略。

1。介绍

太赫兹(太赫兹)乐队是获得高人气作为一个贴切的操作区域光谱学等不同的应用领域,传感、天体物理学,遗传、生物医学、通讯1- - - - - -8]。这个乐队提供了一个广泛的从0.1到10太赫兹频段扩展。整个太赫兹系统需要三个基本元素,包括波导,源和探测器。太赫兹源和探测器的发展近年来加速THz-based传感元素。除此之外,大量的太赫兹波导,例如,布拉格波导(9),金属线(10),金属管道(11)等,最近已经提出。然而,大多数这些波导未能实现更高的相对灵敏度。为了避免这个问题,几个光子晶体光纤(PCF)的太赫兹波导近年来提出了。

研究人员已经成功地模仿PCF-based在太赫兹波段的化学和生物传感器功能。作为传感器,PCF应用于多个化学和生物元素,例如,燃料掺假的检测12],盐度[13],祸害的化学物质(14),血液成分(5)、胆固醇(15]。这个传感器解决了传统纤维的障碍通过维持较高的多样性和标准光学参数的值。此外,这种类型的传感器是远远超过现有的检测系统。这个传感器的灿烂的特性之一是光学参数的可调谐性通过仔细调整大小、位置,包覆结构的核心和PCF的洞。同时,这种类型的传感器提供了更多有利的特性,包括更高的相对灵敏度,降低材料和约束损失(CL)、重量轻、健壮性、便宜,等等。所有这些特性都扩大了潜在PCF-based传感器在化学中的应用和bio-sensing应用程序,其中包括RNA和DNA的研究(16- - - - - -18),检测癌细胞的19- - - - - -21)、分类和检测酒精的22- - - - - -26福尔马林),检测[27,28,表面等离子体resonance-based生物传感器(29日- - - - - -31日]。

近几十年以来,几个折射率(RI)的化学和生物传感器。在[5),提出一种PCF-based生物传感器。模型尤其旨在理解基于国际扶轮的血液成分。模型保持低CL,但它显示了一个高有效面积(EA)约166000μ米²1.5太赫兹。此外,相对灵敏度达到传感器只有79.9%和色散较高。在[32),提出了一种PCF-based化学传感器覆盖层孔七边形的位置。传感器的传感性能已评估而检测苯、乙醇和水。CL传感器展品低,但相对灵敏度的传感器只有63.24%达到1.0太赫兹。几个关键的光学参数包括数值孔径和有效物质损失(EML)尚未确定的传感器。另一个PCF-based化学传感器提出了(14]。传感器检测祸害模仿的化学物质,即沙林,索曼和塔崩。传感器暴露出0.009厘米⁻¹EML和1.71×10⁻¹⁴厘米⁻¹CL。传感器的相对灵敏度达到94.4%为塔崩1.8太赫兹。然而,真正的感应区域和数值孔径为传感器将被忽略。提出了一种PCF-based NaCl传感器(33),传感器包括tetra-rectangles的核心。传感器显示,91.5%相对敏感性和0.004厘米⁻¹EML,但它有一个更高的397340 EAμ米²1.8太赫兹。最近,一位PCF-based化学传感器提出了(34)检测乙醇、苯和水。传感器显示3.02×10⁻⁸厘米⁻¹CL,但EML尚未估计传感器。然而,传感器已达到近78.1%苯的相对灵敏度。在[35],Ag-graphene-coated表面等离子体共振(SPR)传感器提出了合理分析物与RI从1.33到1.41不等。这个模型显示了12.6μ米/ RIU波长灵敏度和79.4×10⁻⁵RIU决议,但这个模型有较高的CL约1.75×10²dB /厘米625海里的水。此外,这个传感器包含复杂的h型的PCF。在[36),另一个h型的PCF-based SPR传感器提出了提高传感范围。这个传感器可以检测分析物与国际扶轮1.33到1.49。这个模型展览只有1.2×10³nm / RIU敏感性和高峰亏损14.34 dB /厘米。

大多数现有的空洞和多孔芯PCF传感器尤其模仿,以发现任何特定分析物或一组相关的分析物。同时,大多数可用的传感器模型无法达到更高的相对灵敏度和更低的损失同时,而SPR传感器有一个国际扶轮极限的SPR传感器不能有效合理的分析物RI大于1.41 (35,37- - - - - -40]。然而,大多数现有的传感器建模复杂的PCF结构,包括一个化合物的空气孔。这种复杂的结构肯定会增加制造约束。因此,仍有空间模型生化传感器(BCS)基于fabrication-friendly PCF结构,将能够感知各种各样的化学物质和biocomponents。

在本文中,一个简单的rectangle-based PCF (R-PCF)结构被建模为一个bc。拟议中的R-PCF结构在太赫兹波段数值研究的范围1.5 - -4.0太赫兹。光学参数研究了拟议的BCS检查传感性能。本研究进行了的分析物与国际扶轮从1.33到1.48不等。除了所有的性能指标的典型值,本研究的主要目标之一是提供一个高度fabrication-friendly bc,保证的只有PCF结构矩形孔的存在。R-PCF确保外差检测,提出了几个传感器基于R-PCF [41- - - - - -45]。除此之外,不对称的PCF结构组成的矩形已经实现(46,47]。

2。传感器设计

本文主要关注造型新颖,制服,和简单的基于PCF的BCS。PCF-based传感器使用有限元模拟软件。的x- - - - - -yBCS的平面表示在图中进行了描述1。传感器的核心区域包含一个矩形,也就是用Cr在图中。的高度Cr是400μ米,而它的宽度是410μm。包层区域为模板通过八个矩形空气孔的简单安排。这八个矩形可以分为两个不同的类基于高度和宽度的相似之处。这两种类型的包层矩形用Cl₁和Cl₂。的宽度和高度Cl₁是200μ米和1000μ单独m。另一方面,宽度和高度Cl₂是200μ米和400μm。传感器的半径是750μ75米,包括μ米(半径的10%)完全匹配层(PML)外层。支柱,连续两个矩形之间的差距,是10μm PCF-based传感器。多种纤维材料是可用的,包括硅、zeonex, topas等等。48- - - - - -50]。各种zeonex灿烂的属性和topas影响研究者选择他们作为纤维材料。他们两人有一个固定的1.53国际扶轮,降低分散,降低材料在太赫兹波段。然而,zeonex有一些额外的特性;例如,更高的耐化学性和玻璃化转变温度(49,50]。这两个特性是高度期望的成功制造任何PCF。因此,选择zeonex提出BCS的纤维物质。光传播的概要文件中x和y偏振模式(PoM)在数据图2(一个)和2 (b)分别在传感分析物与1.44国际扶轮。这个图揭示了扩散波是核心区域内的高度限制。

PCF-based模型的实验装置在传感应用中被描述在几个文件(51- - - - - -54]。该模型在图表示1导致了试验和错误的方法。通过模拟不同结构和比较他们的光学参数,选择这个模型由于其主导的结果。我们已经表示这个模型最优(选择)模型。保持支撑价值不变,我们已经调整了±10%的选择模型代表一个比较他们的光学参数和选择模型的合理选择提出了BCS。两个模型的设计参数的优化与选择模型在表表示1包括各自的宽度(W)和高度(H每个矩形的)。

3所示。制造可行性

在早期阶段,PCF制造被认为是实现使用堆栈和绘制方法(55),但这种方法不能令人满意地制造PCF模型漏洞的一个复杂的和不对称的安排(56]。解决这些问题,一些更先进的方法,其中包括钻井(57],溶胶-凝胶法[58],挤压[59),3 d打印(46)等。这些方法能够制造复杂的PCF结构。溶胶-凝胶方法可以执行PCF模型与圆形孔的加工。另一方面,3 d印刷和挤出方法制备非对称PCF模型,包括矩形、广场,椭圆孔。拟议的BCS包括与八个矩形mono-rectangular芯和包层空气孔。因此,3 d印刷和挤压都将是一个合适的选择制造提出R-PCF-based bc。此外,纤维与矩形孔保证了外差检测(41,42]。几个不对称PCF模型最近的马克斯普朗克研究所(46,47]。研究所已成功制造不同的色散模型包括椭圆,矩形等。这显然保证提出的可行的制造PCF结构组成一个简单的矩形使用现有的制造策略的安排。

BCS的核心需要渗透到与目标样本。有几个可用的技术PCF的选择性填充;例如,选择性填充崩溃空气孔(60),通过拼接单模光纤(61年),通过飞秒激光微加工(62年)等。在这些策略中,我们更喜欢选择性填充的飞秒激光微加工方法。该方法包括三个步骤。首先,与普通单模光纤的色散拼接。然后,单模光纤拼接连接使用附近的切。最后,选择性激光钻井执行路径的核心或目标孔用FL。通过这三个步骤,纤维将准备渗透与目标样本。严谨,方法证明了其更高的效率和灵活性,因此,它已成为一个可靠的科幻技术(63年]。

4所示。数学方法对传感性能评价

评估的潜力提出了BCS本文几个光学参数需要计算。这些参数估计为每个分析物分开。与目标分析物的核心,光注入核心。虽然光线应该绑定到核心,核心区域外的光传播的一部分。真正的感应区域,也称为EA,测量光的传播。EA是评估使用下面的方程,在哪里E定义了横向电场(5,33]。

数值孔径(NA)的测量范围的入射光的角度,从纤维可以进入和退出。它是一个无单位的参数,这是EA的函数,光的速度(c),操作频率(f)。高钠是可取的传感应用,这从较低的EA期望值的结果。该参数的值计算有使用方程(64年]:

EML的光功率的损失是由于纤维材料的吸收。Zeonex,拟议的BCS的纤维材料,负责这个损失。适当设计的色散模型和减少背景区域将EML保持在一个可以忽略的水平。微扰理论(后33,65年),方程(3)已经被用于计算这个提议的BCS的关键参数。

分母的方程(3)代表的积分坡印亭矢量,H代表磁场强度。ε₀和μ₀分别代表自由空间介电常数和磁导率。η和α分别代表国际扶轮和吸收系数。

zeonex作为纤维材料的使用可能会引入一个微不足道的材料色散(66年]。因此,这可以避免分散,唯一需要考虑的色散是波导色散。平坦色散促进考试的PCF纤维继承多通道信号的能力。因此,信号传播的质量从源到汇可以通过这个参数来评估。色散(D)提出了bc估计使用下列方程(67年,68年]: 在哪里ω和η_eff分别代表了角频率和有效的国际扶轮。

另一个重要参数,影响了CL传感性能。这损失的结果从不当PCF结构和模式的漏水的性质。因此,一个合适的PCF模型会导致减少CL价值。的CL量化使用以下方程:

最重要的光学参数,直接计算任何PCF-based传感器的传感性能的相对灵敏度(RS)。这个参数成正比的分数(P_f),量化的光功率在核心与整个注入力量。提出了BCS的相对灵敏度计算使用 在哪里η_一个表示国际扶轮的分析物。

5。仿真结果

不同类型的分析物或目标样本分别注入到传感器的核心地区,一次一次。然后,光传播的核心区域提出了BCS为我们提供了不同的光学参数的值不同类型的分析物。

5.1。最优模型选择

验证选择模型作为BCS的选择在这篇文章中,我们首先进行了光学参数的值选择−10%,选择,选择+ 10%的模型。我们执行这个仿真分析物与1.44国际扶轮。

EffA的值x- - -ypom三种模式的太赫兹波段数据所示3(一个)和3 (b),分别。由于EffA是测量光的传播在PCF,较低的值是可取的。价值最低的是获得的模型选择−10%,而最高的价值选择+ 10%找不到对应的模型。曲线为EffA选择模型介于另外两个模型。选择模型展览98975年μ米²和99121年μ米²在x- - -ypom,分别在2.5太赫兹。

NA表明PCF在收集光的效率。更高价值的NA预计每PCF-based化学传感器。图4描述了NA的值在太赫兹波段的三个模型。模型显示最高的NA选择−10%,而选择达到0.2104 2.5太赫兹的NA。

EML的x- - -ypom给出数据5(一个)和5 (b)分开。在的情况下x极化,选择−10%模型EML最低约0.0058厘米⁻¹2.5太赫兹。再次,选择−10%模型显示最低的EML约0.0057厘米⁻¹在2.5太赫兹y砰的一声。然而,选择模型的EML只有0.0060厘米⁻¹和0.0058厘米⁻¹在x- - -y偏振模式,分别在同一点非常接近最小值。

图6代表了三种模式的色散在太赫兹波段。这三个模型显示低色散,但选择和选择+ 10%模型显示低色散而选择−10%模型。然而,这三个模型展览近平坦色散频带范围从2.4到3.0太赫兹。分散的值0.1467±0.0129,0.1206±0.0116,0.1206±0.0116 ps /太赫兹/厘米在这些频率范围选择−10%,选择,模型,分别和选择+ 10%。

CL的x- - -ypom提出了三种模式的数据7(一)和7 (b),分别。所有的模型显示超低CL在太赫兹波段。最低的值x- - -ypom为选择模型达到2.5太赫兹。CL选择模型的数值x- - -ypom 3.20×10⁻¹²和9.00×10⁻¹²厘米⁻¹2.5太赫兹。

数据8(一个)和8 (b)是表示相对灵敏度的三个模型x- - -y砰的一声。选择+ 10%模型展览占主导地位的相对灵敏度x- - -ypom较其他两个模型由于相对灵敏度是一个函数的核心力量的一部分,这是高这个模型。相对灵敏度的值达到2.5太赫兹选择+ 10%模型是95.94%和95.99,分别。另一方面,选择模型达到95.13%和95.20的相对灵敏度x- - -ypom分别在同一频率。

表2代表的光学参数的数值三个模型。最优值标记为斜体。这斜体标记显示,没有一个占主导地位的三个模型的所有参数。考虑光学参数之间的权衡,选择模型已被选为bc。选择模型之间保持一个平衡和相对敏感的损失。获得更高的分数,相对灵敏度,和NA以及较低的EML, EA,分散,CL的关键目标是任何类型的PCF-based传感器。没有特定的模型中选择−10%,选择,和选择+ 10%模型达到标准的所有参数的值与此同时,我们必须选择一个模型,几乎达到典型参数的值。因此,我们选择了选择模型作为BCS在这项研究。

5.2。选择最佳的支柱

为我们的BCS评估支柱的最佳值,我们有不同的价值观和评价每一次的光学参数。我们有模拟三个值的选择模型的支撑,即。,7.5μ10米,μ12.5米,μm。我们已经执行这个模拟分析物与1.44国际扶轮。

数据9(一个)和9 (b)显示EffA在太赫兹波段的价值x- - -ypom,分别对三个不同值的支柱。7.5μm支柱模型EffA 2.5太赫兹的最小值x- - -y砰的一声。EffA的值为10μm支撑模型x- - -ypom之间的值EffA其他两种模型。

NA在太赫兹波段的值为7.5μ10米,μ12.5米,μm支柱模型如图10。这三个模型显示几乎等于NA的值。然而,7.5μ0.2136 m支柱模型显示的最高价值2.5太赫兹的NA。NA的价值为10μm支柱模型是接近最大NA的太赫兹政权。

数据(11日)和11 (b)EML的显示值x- - -ypom,分别对三个模型。12.5μm支柱模型显示了EML的最低价值x- - -y砰的一声。这些值0.0059和0.00576厘米⁻¹在2.5太赫兹x- - -ypom,分别,而10μm支柱模型0.0060和0.0058厘米⁻¹在同一频率。

分散在太赫兹波段的三个模型与不同支柱值如图12。所有这些模型显示近平坦色散从2.4到3.0太赫兹。10μm支柱模型展品最低分散在2.5太赫兹。分散的值是0.1223±0.0121,0.1206±0.0116,0.1206±0.0116 ps / 7.5太赫兹/厘米μ10米,μ12.5米,μ米杆模型,分别。

CL的波动x- - -ypom由于支柱的变化值是数字显示(13日)和13 (b),分别。在这两种酸盐,CL与频率的增加急剧下降。虽然12.5的CLμm支柱模型最初是最低的,7.5μm支柱模型CL最低2.5太赫兹。CL的方法的数量几乎为零后立即2.0太赫兹的三个模型。然而,10μm支柱模型证实了CL的价值较低盐低2.5太赫兹。CL的值为7.5μ2.66×10 m支撑模型⁻¹³和7.16×10⁻¹²厘米⁻¹在x- - -ypom,分别在2.5太赫兹。这两个值非常接近相应的值的CL 10μm支撑模型。

数据(14日)和14 (b)描述的相对灵敏度函数的值为7.5太赫兹波段μ10米,μ12.5米,μm支撑模型x -和ypom,分别。7.5μm支柱模型显示最高的相对酸盐在太赫兹波段的灵敏度。这个模型已经获得96.00%和95.96%的相对灵敏度2.5太赫兹x -和ypom,分别。另一方面,10μm支柱模型显示更高的相对灵敏度x -和ypom比12.5μm支撑模型。

数值比较中光学参数的值为7.5μ10米,μ12.5米,μm支柱模型如表所示3。标准的值达到每个光学参数标记为斜体。表7.5的反映μm支柱模型具有典型的光学参数的值除了EML和分散。另一方面,10μm支柱模型已达到近所有的光学参数的典型值维护降低损失和相对较高的灵敏度。占此场景中,我们选择了10μ米杆模型在本文中平衡光学参数通过保持相对较低的损失以及相对较高的灵敏度。

5.3。RI-Based分析物传感

最优PCF结构和最优值的支柱模型提出本文的BCS。这个传感器是用于不同的化学物质与不同的国际扶轮。注入任何特定的化学传感器的核心区域,评价光学参数,使用细孔网分析化学。这个策略是重复几次评估化学物质的光学参数与不同的RI值从1.33到1.48不等。

数据(15日)和15 (b)描述有效传感区域在太赫兹波段的选择模型x- - -ypom,分别。对PoM, EffA随光频率的增加而减小。这个属性的传感器表明核心内的光强度更高的频率。EffA的值是104980,104310,103050,101910,100850,99880,98975,98130,97341μ米²化学品的国际扶轮1.33,1.34,1.36,1.38,1.40,1.42,1.44,1.46,2.5和1.48,分别在太赫兹。

图16比较了NA提出BCS的化学品使用不同的RI值。拟议的BCS维护可接受的值在太赫兹波段的NA。NA的值是0.2045,0.2052,0.2064,0.2075,0.2085,0.2095,0.2104,0.2112,和0.2121的化学物质与RI 1.33, 1.34, 1.36, 1.38, 1.40, 1.42, 1.44, 1.46, 2.5和1.48,分别在太赫兹。

EML的值x和ypom对分析物与不同的国际扶轮在数字显示(17日)和17 (b)单独。该模型保持低对PoM EML。模型显示0.0051,0.0052,0.0054,0.0056,0.0057,0.0059,0.0060,0.0061,和0.0062厘米⁻¹EML分析物的1.33,1.34,1.36,1.38,1.40,1.42,1.44,1.46和1.48分别RI在2.5太赫兹x砰的一声。

图18比较分散的BCS不同分析物在太赫兹波段。该模型保持超低色散的所有分析物。此外,模型展品近平坦色散频带范围从2.4到3.0太赫兹。分散的值在2.5太赫兹0.1185±0.01225,0.1185±0.0123,0.1201±0.0127,0.1212±0.0129,0.1215±0.01325,0.1184±0.01215,0.1206±0.0116,0.1176±0.0112,0.122±0.0131分析物的1.33,1.34,1.36,1.38,1.40,1.42,1.44,1.46和1.48分别RI。

CL的提议BCS的比较x- - -y -PoM为不同分析物在数据图(19日)和19 (b),分别。在这两种传播模式,CL 2.0太赫兹后立即接近绝对零度。这表明更高的光限制内部传感器的核心模型。CL 6.92×10的值⁻¹⁰,4.28×10⁻¹⁰,1.64×10⁻¹⁰,6.30×10⁻¹¹,2.40×10⁻¹¹,8.90×10⁻¹²,3.20×10⁻¹²,1.10×10⁻¹²和3.00×10⁻¹³厘米⁻¹分析物的RI 1.33, 1.34, 1.36, 1.38, 1.40, 1.42, 1.44, 1.46,和1.48,分别xpom 2.5太赫兹。

相对灵敏度概要文件中x- - -ypom中显示数据20(一个)和20 (b),分别。该模型显示了较高的化学物质相对较高灵敏度RI。的相对敏感性是92.45,92.79,93.41,93.95,94.42,94.83,95.20,95.53,95.82%,分析物与RI 1.33, 1.34, 1.36, 1.38, 1.40, 1.42, 1.44, 1.46,和1.48,分别xpom 2.5太赫兹,而在ypom,拟议的BCS略有达到相对敏感性较低x砰的一声。

数值的比较提出了不同的分析物的光学参数表4。

的性能指标提出了BCS比较与其他传感器在表5。与其他传感器相比,该模型具有所有光学参数的典型值。

6。结论

本文提出一种简单rectangular-based BCS操作太赫兹的政权。这BCS能有效应用biocomponents和化学物质检测的目的。这个传感器的传感性能评估的范围从1.5到3.0太赫兹频段。此外,提出BCS包含一个简单的矩形排列,这将确保这个传感器的可行的制造。传感器达到最高95.82%的相对灵敏度为2.5太赫兹。同时,这个传感器EML的微不足道和CL。由于其超低的损失和超高相对敏感,这个BCS模型可以有效地应用于生化传感应用不同的样本的RI从1.33到1.48不等。

数据可用性

这是一个基于仿真的研究中,并没有使用外部数据。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

阿卜杜拉Al-Mamun夜莺,阿巴斯z Kouzani m a首脑马哈茂德,和阿卜杜拉·阿尔Nahid概念化的研究。正式的分析是由阿卜杜拉Al-Mamun夜莺。收购资金由阿巴斯z Kouzani和m·a·首脑马哈茂德。阿卜杜拉Al-Mamun夜莺和阿卜杜拉·阿尔Nahid调查研究。方法是由阿卜杜拉Al-Mamun夜莺,m . a .首脑马哈茂德,和阿卜杜拉·阿尔Nahid。项目管理是由阿巴斯z Kouzani和m·a·首脑马哈茂德。资源获得的阿巴斯z Kouzani和m·a·首脑马哈茂德。监督是由阿巴斯z Kouzani m a首脑马哈茂德,和阿卜杜拉·阿尔Nahid。阿巴斯z Kouzani和阿卜杜拉·阿尔Nahid研究结果进行验证。阿卜杜拉Al-Mamun夜莺,m . a .首脑马哈茂德,阿卜杜拉·阿尔Nahid导致研究可视化。 Writing of original draft was performed by Abdullah Al-Mamun Bulbul and Abdullah-Al Nahid. Review and editing were done by Abbas Z. Kouzani and M. A. Parvez Mahmud.

确认

作者感谢迪肯大学,吉朗,维克3216年为本研究提供参考资料。

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