基于微流控技術的水的太赫茲吸收特性研究

王國陽， 白志晨， 王佳慧， 蘇 波， 張存林

首都師范大學物理系， 太赫茲光電子學教育部重點實驗室， 太赫茲波譜與成像北京市重點實驗室，北京成像理論與技術高精尖創(chuàng)新中心， 北京 100048

引 言

太赫茲波(THz)指的是頻率在0.1～10 THz的電磁波， 其波長在3～0.03 mm范圍內。 當前， 很多研究表明， 大多數(shù)生物大分子和許多糖類的特征振動模式都正好位于太赫茲波段內[1-5]， 這為利用太赫茲技術識別生物樣品提供了理論依據(jù)。 目前， 太赫茲光譜技術可以實時檢測生物樣品的光譜信息， 以達到快速獲取樣品數(shù)據(jù)的目的。 楊靜琦等利用太赫茲時域光譜(THz-TDS)技術測量了L-天冬酰胺和L-天冬酰胺的一水合物的光譜， 將兩者進行了對比， 并對L-天冬酰胺受熱脫水的動態(tài)變化過程進行了實時的檢測， 結果表明太赫茲波對晶體結構變化、 含結晶水狀況以及分子間弱相互作用非常敏感[6]。 馬曉菁利用THz-TDS技術在室溫下對五種不同的堿基及核苷衍生物的光譜進行了測量， 得到了所測樣品在0.2～2.0 THz頻率范圍內的折射率和吸收系數(shù)等參數(shù)。 岳偉偉等研究了三種芳香族氨基酸(酪氨酸、 色氨酸和苯丙氨酸)在0.2～1.6 THz頻率范圍內的光學特性， 獲得了三種芳香族氨基酸的吸收譜[7]。 王衛(wèi)寧等測量了室溫下構成蛋白質的20種基本氨基酸的多晶粉末壓片樣品的光譜響應， 發(fā)現(xiàn)所有氨基酸對太赫茲波的反應都非常靈敏， 所有氨基酸在0.2～3.0 THz頻譜范圍內都有不同的特征吸收峰， 因此可以利用THz-TDS技術對不同種類的氨基酸進行測量和識別[8]。

水作為生命活動必不可少的物質， 對生物分子發(fā)揮其功能起著至關重要的作用。 在許多生物領域的研究中， 生物樣品都是溶液狀態(tài)， 溶液中水分子和其他分子之間的相互作用稱為水合作用[9]， 該作用涉及很多生物現(xiàn)象， 所以研究水的太赫茲特性就顯得非常重要了。 水分子是十分常見的極性分子， 可以通過氫鍵結合成締合分子， 而其中的氫鍵會與太赫茲波發(fā)生強烈的相互作用， 從而增加了水對太赫茲波的吸收， 使得利用太赫茲技術研究生物樣品在水溶液中的動態(tài)特性變得相當困難。 為了解決這一難題， 可以引入微流控技術[10]。 微流控技術是一種能夠精確操控微尺度流體為主要特征的科學技術。 微流控芯片的溝道厚度可以達到50 μm甚至更小， 由于微流控技術縮小了太赫茲波與流體的作用距離， 從而極大地減小了水對太赫茲波的吸收。 Baragwanath等使用硅作為基底， 對微流控單元進行了設計和制作， 并利用太赫茲時域光譜儀對制作好的微流控單元進行了透射測試， 實驗結果表明， 不同濃度和不同品種的樣品的時域譜、 折射率等參數(shù)都表現(xiàn)出了明顯的不同[11]。 韓雪等設計了一種太赫茲微流控芯片， 芯片的基底采用對太赫茲波有高透射率的石英片， 在石英片上光刻出微流溝道， 溝道厚度為50 μm， 使用PDMS作為蓋膜并與石英片進行鍵合制得微流控芯片。 利用THz-TDS技術對微流控芯片的透過率、 水的吸收系數(shù)和折射率分別進行了測量， 發(fā)現(xiàn)在0.2～1 THz頻率范圍內水的吸收系數(shù)隨著頻率的增加而不斷增大[12]。 武亞雄等利用THz微流控芯片研究了0.1～1 THz范圍內的KCl， KBr， MgCl2和CaCl2四種不同濃度電解質溶液的太赫茲光譜， 結果表明， KCl和KBr對水中的氫鍵有破壞作用， MgCl2和CaCl2對水中的氫鍵有締合作用[13]。

另外， 還有很多因素會影響水對太赫茲的吸收特性， 比如不同溫度， 外加電場， 外加磁場和激光激勵等。 Hans通過實驗研究0.4， 20.2， 38.7， 57.2和81.4 ℃溫度下水的太赫茲吸收特性， 發(fā)現(xiàn)隨著溫度的增大， 水對太赫茲的吸收增大[14]。 李國華通過實驗研究274， 278， 285和290 K溫度下水的太赫茲吸收特性， 得到了同樣的結果。 在以上的研究中， 只測量了幾個溫度下水的太赫茲吸收特性， 數(shù)據(jù)量較少， 在測量時水的厚度較大， 水對太赫茲的吸收比較強烈， 測量誤差較大， 且文章中并沒有對測量的結果進行相應的解釋。 本文改良了傳統(tǒng)的夾心式微流控芯片， 利用溫控系統(tǒng)對微流控芯片中的水進行了加熱， 從20～90 ℃每隔5 ℃進行一次測量， 得到了不同溫度下水的頻譜圖和太赫茲透過率， 并對實驗結果進行了合理的解釋。 這種方法既減小了太赫茲波和水的作用距離， 又定性地研究了水在20～90 ℃的溫度范圍內的太赫茲吸收特性。

1 實驗部分

1.1 裝置

實驗使用的是自主搭建的太赫茲時域光譜系統(tǒng)， 光源是自鎖模光纖飛秒激光器(北京大學， 中心波長為1 550 nm， 脈沖寬度為75 fs， 脈沖重復頻率為100 MHz， 脈沖功率為130 mW)。 其輸出的激光經偏振分光棱鏡后被分為兩束光， 一束光作為泵浦路， 經機械平移臺被耦合進光纖式光電導天線(BATOP公司bPCA-100-05-10-1550-c-f)， 由該天線產生太赫茲波； 另一束光作為探測路， 被耦合進光纖式光電導天線(BATOP公司bPCA-180-05-10-1550-c-f)， 由該天線探測太赫茲波。 將制作好的微流控芯片置于兩天線的中間， 太赫茲產生天線發(fā)射太赫茲波， 太赫茲波透過充滿水的微流控芯片后， 由探測天線接收并輸入鎖相放大器進行放大， 然后利用計算機進行數(shù)據(jù)采集和處理， 實驗光路圖如圖1所示。

圖1 實驗光路圖

1.2 微流控芯片的制作

本課題組曾采用對太赫茲有高透過率的Zeonor 1420R制作了夾心式太赫茲微流控芯片， 它是使用一塊Zeonor1420R作為基片， 利用甩膜技術在基片上旋涂一層PDMS， 在PDMS上雕刻溝道， 然后再使用一塊Zeonor 1420R作為蓋片進行鍵合， 該方法制作的微流控芯片， 雖然對太赫茲波有較高的透過性， 但是由于在甩膜的時候可能旋涂的不均勻， 或者鍵合的不夠緊密， 在加熱過程中會使縫隙變大， 有漏液的現(xiàn)象， 而且在制作微流控芯片過程中對溫度有一定的要求， 使得制作過程比較復雜且耗時較長。 為了使制作過程簡便， 解決漏液的問題， 本研究對芯片的制作方法進行了改良。 依然用一塊Zeonor 1420R作為基片， 利用厚度為50 μm的強黏性雙面膠代替PDMS薄膜， 在雙面膠中部鏤空一部分代替PDMS中雕刻的溝道， 鏤空的部分長3 cm， 寬4 mm， 再使用一塊Zeonor 1420R作為蓋片進行鍵合， 微流控芯片的制備過程如圖2所示。 因本實驗需要對充滿水的微流控芯片進行加熱處理， 為了檢驗Zeonor 1420R對太赫茲的透過率隨溫度的變化情況， 對Zeonor 1420R在20～90 ℃溫度范圍內的太赫茲波透過率進行了測量， 發(fā)現(xiàn)Zeonor 1420R材料對太赫茲波的透過率不因溫度的變化而變化， 這就為利用該芯片研究水的溫度變化對太赫茲波吸收特性的影響打下了基礎。 另外， 將充滿水的微流控芯片進行加熱處理， 并沒有漏液現(xiàn)象發(fā)生， 而用此方法制成的微流控芯片， 操作簡單， 用時較短， 且解決了加熱時芯片漏液的問題， 為實驗的順利進行提供了保障。

圖2 微流控芯片制作示意圖

1.3 溫控系統(tǒng)

實驗需要對水的溫度進行控制， 所以設計制作了一個精度較高的溫控系統(tǒng)。 使用導熱硅膠將制作好的微流控芯片粘在一塊厚度為2 mm的鐵片上， 鐵片上有一個直徑為10 mm的孔洞， 以便于太赫茲波通過， 在鐵片的同側同樣用導熱硅膠粘上一個溫度傳感器用于溫度傳感， 在鐵片另一側用導熱硅膠粘上一個帶孔圓形加熱片(環(huán)形氧化鋁陶瓷發(fā)熱片MCH， 外徑40 mm， 內徑10 mm， 額定電壓12 V)用于給微流控芯片加熱， 加熱片和溫度傳感器由一個溫控儀(ST700智能型PID溫控儀， 溫度可調范圍： 0～400 ℃， 額定電壓220 V， 工作頻率50～60 Hz)控制， 能夠以0.1 ℃的精度控制溫度， 設計好的溫控系統(tǒng)示意圖如圖3所示。 在實驗過程中， 加熱片會持續(xù)給鐵片加熱， 鐵片也會將熱量傳導給微流控芯片， 其熱量會使微流控芯片中的水升溫。 當溫度達到目標溫度時， 溫控儀會控制加熱片停止加熱； 當溫度低于目標溫度時， 溫控儀會控制加熱片再次加熱， 從而達到在目標溫度附近恒溫的目的。 雖然溫度傳感器檢測到的溫度和微流控芯片中液體的溫度并不完全相同， 但本論文研究的是一個溫度梯度， 能夠定性研究水的溫度變化對太赫茲透過率的影響。

圖3 溫控系統(tǒng)示意圖

1.4 方法

將粘在鐵板上的微流控芯片放入如圖1所示的兩個太赫茲天線中間， 讓太赫茲產生天線發(fā)射的太赫茲波通過鐵片上的小孔， 經微流控芯片透射后被太赫茲探測天線接收。 為了避免水中離子對實驗結果的影響， 本實驗所使用的是去離子水， 將其注入微流控芯片， 利用溫控系統(tǒng)對鐵片進行加溫， 溫度的變化范圍從20～90 ℃， 每隔5 ℃測量一次， 當溫度達到65 ℃時， 芯片中的水因為溫度升高的原因， 開始出現(xiàn)氣泡， 此現(xiàn)象使測得的太赫茲信號不夠平滑， 為了減輕氣泡對所測信號的影響， 在隨后的升溫過程中， 當微流控芯片中水的氣泡較多時， 往芯片中注水排除芯片中的氣泡， 芯片中的水會迅速升溫， 在水達到目標溫度進行測量時， 水中的氣泡較少， 不會影響最后對所測數(shù)據(jù)的分析。 將測得的樣品信號進行傅里葉變換得到頻域信息， 不同溫度下的水的頻譜圖如圖4所示， 可以發(fā)現(xiàn)65 ℃時， 信號的頻域圖變得不平滑， 70 ℃以后的頻譜圖比較平滑， 說明往芯片中注水的方法達到了一定的效果。 不同溫度下的水的太赫茲透過率如圖5所示， 由圖可知溫度越高， 太赫茲的透過率越低， 說明在20～90 ℃范圍內， 水對太赫茲的吸收能力隨著溫度的升高而不斷增強。

圖4 不同溫度下的水的頻譜圖

圖5 不同溫度下的水的太赫茲透過率

2 結果與討論

在實驗過程中， 由于溫度升高到一定溫度時， 芯片中的水產生的大量氣泡會影響測量結果， 因此在氣泡產生時， 往芯片中注入去離子水， 排除氣泡， 依靠加熱片所具有的能夠快速升溫的特性， 保證水在達到所設溫度而氣泡較少時完成對THz波的透射測量， 該方法減小了水中氣泡對實驗結果的影響。 通過對實驗結果的分析發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高， 水對太赫茲的吸收增強了， 這與溫度升高， 氫鍵斷裂， 太赫茲與水的作用減弱， 太赫茲透過率應當增強的理論分析并不一致， 所以可以初步認為存在其他原因使水吸收了更多的太赫茲波。 該原因可能是： 在液態(tài)水中， 隨著溫度的升高， 一部分水分子因氫鍵斷裂而脫離水分子團簇， 脫離后的水分子由于熱運動而使得其振動和轉動加強， 增大了對太赫茲波的吸收， 此過程中小的水分子團簇的增多和熱運動程度的加劇造成的對太赫茲的吸收作用強于因氫鍵斷裂而減小的對太赫茲的吸收作用， 從而導致在20～90 ℃范圍內， 隨著溫度升高， 水對太赫茲的吸收增強。 本次研究與之前Hans和李國華等采用的較厚水膜和大溫度間隔粗測的研究結果一致， 表明利用微流控技術研究不同溫度下水對太赫茲吸收特性的可行性， 而微流控技術所具有的操作方便、 信噪比高的特點是以往研究所不具備的。

3 結 論

提出了一種新型的太赫茲微流控芯片的制作方法， 利用雙面膠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PDMS薄膜， 大大縮短了制作時間并解決了漏液的問題。 設計了一種溫控系統(tǒng)， 用該系統(tǒng)對不同溫度的水進行了太赫茲透射測量。 根據(jù)實驗結果可知， 在20～90 ℃范圍內， 隨著溫度升高， 水的太赫茲透過率不斷減小， 說明水對太赫茲波的吸收隨著溫度的升高而變大， 這一現(xiàn)象的原因初步認為是在液態(tài)水中， 隨著溫度的升高， 一部分水分子因氫鍵斷裂而脫離水分子團簇， 脫離后的水分子由于熱運動從而使其振動和轉動加劇， 增大了對太赫茲的吸收， 此過程中小的水分子團簇的增多和熱運動程度的加劇造成的對太赫茲的吸收作用強于因氫鍵斷裂而減小的對太赫茲的吸收作用。 本文將太赫茲技術與微流控技術相結合， 既通過微流控技術減小了太赫茲波在流體中的傳播距離， 又定性地研究了水在20～90 ℃的溫度范圍內的太赫茲吸收特性。 眾所周知， 水在4 ℃有一個反常膨脹現(xiàn)象， 所以在接下來的工作中將研究水在0～20 ℃的溫度范圍內的太赫茲吸收特性， 并進一步研究水與太赫茲波的作用機理， 為未來太赫茲的應用與發(fā)展提供更多的理論依據(jù)和技術支持。