基于微流控技术的水的太赫兹吸收特性研究

王国阳， 白志晨， 王佳慧， 苏 波， 张存林

首都师范大学物理系， 太赫兹光电子学教育部重点实验室， 太赫兹波谱与成像北京市重点实验室，北京成像理论与技术高精尖创新中心， 北京 100048

引 言

太赫兹波(THz)指的是频率在0.1～10 THz的电磁波， 其波长在3～0.03 mm范围内。 当前， 很多研究表明， 大多数生物大分子和许多糖类的特征振动模式都正好位于太赫兹波段内[1-5]， 这为利用太赫兹技术识别生物样品提供了理论依据。 目前， 太赫兹光谱技术可以实时检测生物样品的光谱信息， 以达到快速获取样品数据的目的。 杨静琦等利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术测量了L-天冬酰胺和L-天冬酰胺的一水合物的光谱， 将两者进行了对比， 并对L-天冬酰胺受热脱水的动态变化过程进行了实时的检测， 结果表明太赫兹波对晶体结构变化、 含结晶水状况以及分子间弱相互作用非常敏感[6]。 马晓菁利用THz-TDS技术在室温下对五种不同的碱基及核苷衍生物的光谱进行了测量， 得到了所测样品在0.2～2.0 THz频率范围内的折射率和吸收系数等参数。 岳伟伟等研究了三种芳香族氨基酸(酪氨酸、 色氨酸和苯丙氨酸)在0.2～1.6 THz频率范围内的光学特性， 获得了三种芳香族氨基酸的吸收谱[7]。 王卫宁等测量了室温下构成蛋白质的20种基本氨基酸的多晶粉末压片样品的光谱响应， 发现所有氨基酸对太赫兹波的反应都非常灵敏， 所有氨基酸在0.2～3.0 THz频谱范围内都有不同的特征吸收峰， 因此可以利用THz-TDS技术对不同种类的氨基酸进行测量和识别[8]。

水作为生命活动必不可少的物质， 对生物分子发挥其功能起着至关重要的作用。 在许多生物领域的研究中， 生物样品都是溶液状态， 溶液中水分子和其他分子之间的相互作用称为水合作用[9]， 该作用涉及很多生物现象， 所以研究水的太赫兹特性就显得非常重要了。 水分子是十分常见的极性分子， 可以通过氢键结合成缔合分子， 而其中的氢键会与太赫兹波发生强烈的相互作用， 从而增加了水对太赫兹波的吸收， 使得利用太赫兹技术研究生物样品在水溶液中的动态特性变得相当困难。 为了解决这一难题， 可以引入微流控技术[10]。 微流控技术是一种能够精确操控微尺度流体为主要特征的科学技术。 微流控芯片的沟道厚度可以达到50 μm甚至更小， 由于微流控技术缩小了太赫兹波与流体的作用距离， 从而极大地减小了水对太赫兹波的吸收。 Baragwanath等使用硅作为基底， 对微流控单元进行了设计和制作， 并利用太赫兹时域光谱仪对制作好的微流控单元进行了透射测试， 实验结果表明， 不同浓度和不同品种的样品的时域谱、 折射率等参数都表现出了明显的不同[11]。 韩雪等设计了一种太赫兹微流控芯片， 芯片的基底采用对太赫兹波有高透射率的石英片， 在石英片上光刻出微流沟道， 沟道厚度为50 μm， 使用PDMS作为盖膜并与石英片进行键合制得微流控芯片。 利用THz-TDS技术对微流控芯片的透过率、 水的吸收系数和折射率分别进行了测量， 发现在0.2～1 THz频率范围内水的吸收系数随着频率的增加而不断增大[12]。 武亚雄等利用THz微流控芯片研究了0.1～1 THz范围内的KCl， KBr， MgCl2和CaCl2四种不同浓度电解质溶液的太赫兹光谱， 结果表明， KCl和KBr对水中的氢键有破坏作用， MgCl2和CaCl2对水中的氢键有缔合作用[13]。

另外， 还有很多因素会影响水对太赫兹的吸收特性， 比如不同温度， 外加电场， 外加磁场和激光激励等。 Hans通过实验研究0.4， 20.2， 38.7， 57.2和81.4 ℃温度下水的太赫兹吸收特性， 发现随着温度的增大， 水对太赫兹的吸收增大[14]。 李国华通过实验研究274， 278， 285和290 K温度下水的太赫兹吸收特性， 得到了同样的结果。 在以上的研究中， 只测量了几个温度下水的太赫兹吸收特性， 数据量较少， 在测量时水的厚度较大， 水对太赫兹的吸收比较强烈， 测量误差较大， 且文章中并没有对测量的结果进行相应的解释。 本文改良了传统的夹心式微流控芯片， 利用温控系统对微流控芯片中的水进行了加热， 从20～90 ℃每隔5 ℃进行一次测量， 得到了不同温度下水的频谱图和太赫兹透过率， 并对实验结果进行了合理的解释。 这种方法既减小了太赫兹波和水的作用距离， 又定性地研究了水在20～90 ℃的温度范围内的太赫兹吸收特性。

1 实验部分

1.1 装置

实验使用的是自主搭建的太赫兹时域光谱系统， 光源是自锁模光纤飞秒激光器(北京大学， 中心波长为1 550 nm， 脉冲宽度为75 fs， 脉冲重复频率为100 MHz， 脉冲功率为130 mW)。 其输出的激光经偏振分光棱镜后被分为两束光， 一束光作为泵浦路， 经机械平移台被耦合进光纤式光电导天线(BATOP公司bPCA-100-05-10-1550-c-f)， 由该天线产生太赫兹波； 另一束光作为探测路， 被耦合进光纤式光电导天线(BATOP公司bPCA-180-05-10-1550-c-f)， 由该天线探测太赫兹波。 将制作好的微流控芯片置于两天线的中间， 太赫兹产生天线发射太赫兹波， 太赫兹波透过充满水的微流控芯片后， 由探测天线接收并输入锁相放大器进行放大， 然后利用计算机进行数据采集和处理， 实验光路图如图1所示。

图1 实验光路图

1.2 微流控芯片的制作

本课题组曾采用对太赫兹有高透过率的Zeonor 1420R制作了夹心式太赫兹微流控芯片， 它是使用一块Zeonor1420R作为基片， 利用甩膜技术在基片上旋涂一层PDMS， 在PDMS上雕刻沟道， 然后再使用一块Zeonor 1420R作为盖片进行键合， 该方法制作的微流控芯片， 虽然对太赫兹波有较高的透过性， 但是由于在甩膜的时候可能旋涂的不均匀， 或者键合的不够紧密， 在加热过程中会使缝隙变大， 有漏液的现象， 而且在制作微流控芯片过程中对温度有一定的要求， 使得制作过程比较复杂且耗时较长。 为了使制作过程简便， 解决漏液的问题， 本研究对芯片的制作方法进行了改良。 依然用一块Zeonor 1420R作为基片， 利用厚度为50 μm的强黏性双面胶代替PDMS薄膜， 在双面胶中部镂空一部分代替PDMS中雕刻的沟道， 镂空的部分长3 cm， 宽4 mm， 再使用一块Zeonor 1420R作为盖片进行键合， 微流控芯片的制备过程如图2所示。 因本实验需要对充满水的微流控芯片进行加热处理， 为了检验Zeonor 1420R对太赫兹的透过率随温度的变化情况， 对Zeonor 1420R在20～90 ℃温度范围内的太赫兹波透过率进行了测量， 发现Zeonor 1420R材料对太赫兹波的透过率不因温度的变化而变化， 这就为利用该芯片研究水的温度变化对太赫兹波吸收特性的影响打下了基础。 另外， 将充满水的微流控芯片进行加热处理， 并没有漏液现象发生， 而用此方法制成的微流控芯片， 操作简单， 用时较短， 且解决了加热时芯片漏液的问题， 为实验的顺利进行提供了保障。

图2 微流控芯片制作示意图

1.3 温控系统

实验需要对水的温度进行控制， 所以设计制作了一个精度较高的温控系统。 使用导热硅胶将制作好的微流控芯片粘在一块厚度为2 mm的铁片上， 铁片上有一个直径为10 mm的孔洞， 以便于太赫兹波通过， 在铁片的同侧同样用导热硅胶粘上一个温度传感器用于温度传感， 在铁片另一侧用导热硅胶粘上一个带孔圆形加热片(环形氧化铝陶瓷发热片MCH， 外径40 mm， 内径10 mm， 额定电压12 V)用于给微流控芯片加热， 加热片和温度传感器由一个温控仪(ST700智能型PID温控仪， 温度可调范围： 0～400 ℃， 额定电压220 V， 工作频率50～60 Hz)控制， 能够以0.1 ℃的精度控制温度， 设计好的温控系统示意图如图3所示。 在实验过程中， 加热片会持续给铁片加热， 铁片也会将热量传导给微流控芯片， 其热量会使微流控芯片中的水升温。 当温度达到目标温度时， 温控仪会控制加热片停止加热； 当温度低于目标温度时， 温控仪会控制加热片再次加热， 从而达到在目标温度附近恒温的目的。 虽然温度传感器检测到的温度和微流控芯片中液体的温度并不完全相同， 但本论文研究的是一个温度梯度， 能够定性研究水的温度变化对太赫兹透过率的影响。

图3 温控系统示意图

1.4 方法

将粘在铁板上的微流控芯片放入如图1所示的两个太赫兹天线中间， 让太赫兹产生天线发射的太赫兹波通过铁片上的小孔， 经微流控芯片透射后被太赫兹探测天线接收。 为了避免水中离子对实验结果的影响， 本实验所使用的是去离子水， 将其注入微流控芯片， 利用温控系统对铁片进行加温， 温度的变化范围从20～90 ℃， 每隔5 ℃测量一次， 当温度达到65 ℃时， 芯片中的水因为温度升高的原因， 开始出现气泡， 此现象使测得的太赫兹信号不够平滑， 为了减轻气泡对所测信号的影响， 在随后的升温过程中， 当微流控芯片中水的气泡较多时， 往芯片中注水排除芯片中的气泡， 芯片中的水会迅速升温， 在水达到目标温度进行测量时， 水中的气泡较少， 不会影响最后对所测数据的分析。 将测得的样品信号进行傅里叶变换得到频域信息， 不同温度下的水的频谱图如图4所示， 可以发现65 ℃时， 信号的频域图变得不平滑， 70 ℃以后的频谱图比较平滑， 说明往芯片中注水的方法达到了一定的效果。 不同温度下的水的太赫兹透过率如图5所示， 由图可知温度越高， 太赫兹的透过率越低， 说明在20～90 ℃范围内， 水对太赫兹的吸收能力随着温度的升高而不断增强。

图4 不同温度下的水的频谱图

图5 不同温度下的水的太赫兹透过率

2 结果与讨论

在实验过程中， 由于温度升高到一定温度时， 芯片中的水产生的大量气泡会影响测量结果， 因此在气泡产生时， 往芯片中注入去离子水， 排除气泡， 依靠加热片所具有的能够快速升温的特性， 保证水在达到所设温度而气泡较少时完成对THz波的透射测量， 该方法减小了水中气泡对实验结果的影响。 通过对实验结果的分析发现随着温度的升高， 水对太赫兹的吸收增强了， 这与温度升高， 氢键断裂， 太赫兹与水的作用减弱， 太赫兹透过率应当增强的理论分析并不一致， 所以可以初步认为存在其他原因使水吸收了更多的太赫兹波。 该原因可能是： 在液态水中， 随着温度的升高， 一部分水分子因氢键断裂而脱离水分子团簇， 脱离后的水分子由于热运动而使得其振动和转动加强， 增大了对太赫兹波的吸收， 此过程中小的水分子团簇的增多和热运动程度的加剧造成的对太赫兹的吸收作用强于因氢键断裂而减小的对太赫兹的吸收作用， 从而导致在20～90 ℃范围内， 随着温度升高， 水对太赫兹的吸收增强。 本次研究与之前Hans和李国华等采用的较厚水膜和大温度间隔粗测的研究结果一致， 表明利用微流控技术研究不同温度下水对太赫兹吸收特性的可行性， 而微流控技术所具有的操作方便、 信噪比高的特点是以往研究所不具备的。

3 结 论

提出了一种新型的太赫兹微流控芯片的制作方法， 利用双面胶代替传统的PDMS薄膜， 大大缩短了制作时间并解决了漏液的问题。 设计了一种温控系统， 用该系统对不同温度的水进行了太赫兹透射测量。 根据实验结果可知， 在20～90 ℃范围内， 随着温度升高， 水的太赫兹透过率不断减小， 说明水对太赫兹波的吸收随着温度的升高而变大， 这一现象的原因初步认为是在液态水中， 随着温度的升高， 一部分水分子因氢键断裂而脱离水分子团簇， 脱离后的水分子由于热运动从而使其振动和转动加剧， 增大了对太赫兹的吸收， 此过程中小的水分子团簇的增多和热运动程度的加剧造成的对太赫兹的吸收作用强于因氢键断裂而减小的对太赫兹的吸收作用。 本文将太赫兹技术与微流控技术相结合， 既通过微流控技术减小了太赫兹波在流体中的传播距离， 又定性地研究了水在20～90 ℃的温度范围内的太赫兹吸收特性。 众所周知， 水在4 ℃有一个反常膨胀现象， 所以在接下来的工作中将研究水在0～20 ℃的温度范围内的太赫兹吸收特性， 并进一步研究水与太赫兹波的作用机理， 为未来太赫兹的应用与发展提供更多的理论依据和技术支持。