基于微流控芯片的钾盐溶液太赫兹光谱特性研究

李青君， 沈 妍， 孟庆昊， 王国阳， 叶 萍， 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

检测不同生物分子的生物化学性质有很多种方法， 例如拉曼光谱(Raman spectra)、 红外光谱 (infrared spectroscopy) 和X射线衍射 (diffraction of X-rays) 等。 虽然上述方法各有优点， 但是太赫兹时域光谱技术由于其低能， 无毒、 无损、 省时等特性被广泛应用于分子的生物化学性质的检测。 近年来， 太赫兹时域系统发展十分迅猛， 已经广泛应用于医学和生物学等诸多领域， 太赫兹时域系统可以通过获取生物分子的振幅和相位信息来提供足够的分子级相互作用的光学特性[1-4]。 另外， 太赫兹(THz)是一种电磁波， 其频率范围为0.1～10 THz， 波长范围为3 000～30 μm。 它的波段能覆盖半导体、 等离子体， 有机体和生物大分子等物质的特征谱， 利用该频段可以加深和拓展人类对物理学、 化学、 天文学、 信息学和生命科学中一些基本科学问题的认识[5-8]， 对进一步研究生化反应提供了有力的手段。

大部分生物分子的生物活性只有在水溶液中才能体现出来， 而水对太赫兹波具有极强的吸收特性， 这主要是因为氢键的影响， 所以如何减少氢键的影响成为利用太赫兹技术研究溶液中生物分子的关键环节[9-11]。 目前已有研究表明电场、 磁场、 激光激励和温度等因素均会对水中氢键产生影响， 这为利用太赫兹技术探究水溶液中生物分子的动态特性指明了方向。 微流控(Microfluidics)是指使用微管道处理或操纵微小流体的技术， 它消耗的样品量极小， 进而减小了水中的氢键对太赫兹的吸收作用。 因此很多科研小组将太赫兹光谱技术和微流控技术结合来减少氢键对太赫兹的影响， 进而用于对液体样品的测试。 2008年， George Paul A等[12]演示了水溶液中生物分子的太赫兹光谱的微流控装置， 通过实验测量了牛血清白蛋白从0.5～2.5 THz的振动模式的吸收光谱， 此研究结果证明了使用微流控设备在水溶液中研究生物分子的太赫兹光谱的可行性， 可检测的分子量小至10 pmol。 但是该科研小组使用的微流控芯片沟道深度达到了95 μm， 势必会增加水对样品检测的影响。 此外， 该课题组使用环烯烃聚合物(COP： Zeonor 1020R)制作的微流控芯片的尺寸大小为14.5 cm2， 耗费较多Zeonor 1020R材料。

使用的微流控芯片的探测区沟道的深度仅仅50 μm， 可以有效地减小水对太赫兹透过率的影响。 同时本研究中所制作的微流控芯片是将有机玻璃和COC材料相结合制作而成的， 其中两片COC大小分别为36和64 mm2， 极大地节省了COC材料的使用。 研究表明， 钾是人体内所含的常量元素， 在人体内部， K+有助于神经系统传达信息， 并且钾可激活多种酶， 对肌肉的收缩非常重要， 没有钾， 糖将无法转化为能量或贮存在体内的肝糖中(为新陈代谢提供能量的物质)， 使肌肉无法伸缩， 会导致麻痹或瘫痪。 因此本研究选择钾盐溶液作为检测样品是非常具有实用价值的。 总之， 本研究首先利用易于激光雕刻机加工的有机玻璃和对太赫兹波有高透过率的环烯烃共聚物(COC)材料制备了双层内嵌式太赫兹微流控芯片， 然后对相同浓度不同种类的钾盐进行测试， 证明了太赫兹技术与微流控技术相结合在研究钾盐方面的可行性和重要性。

1 实验部分

1.1 装置

实验光路如图1所示， 该系统使用的自锁模光纤飞秒激光器的中心波长为1 550 nm， 脉宽为75 fs， 脉冲平均重复率为100 MHz， 脉冲平均功率为130 mW。 飞秒激光脉冲经偏振分光棱镜后被分为两束， 一束是泵浦脉冲， 另一束是探测脉冲。 其中泵浦脉冲经过机械平移台后耦合到光纤光导天线(BATOP公司 bPCA-10005-10-1550-c-f)上， 用来激发太赫兹波， 而探测脉冲则耦合到另一光纤光导天线(BATOP公司bPCA-180-05-101550-c-f)上， 用来产生太赫兹波。 将制作好的双层内嵌COC太赫兹微流控芯片置于太赫兹时域光谱系统中的离轴抛面镜中间， 太赫兹发射天线产生的太赫兹波入射到微流控芯片上， 穿透液体样品后携上带样品的信息， 再由探测天线接收并输入锁相放大器进行放大， 最后利用计算机进行数据的采集和处理。

图1 实验光路图Fig.1 Experimental optical circuit diagram

1.2 高压电场装置

外加高压电场实验装置如图2所示， 包括电源、 一个封装在有机玻璃盒中的零电压开关(ZVS)电路和一个输出电压为10 000 V的直流高压包。 电源与ZVS电路相连， ZVS电路的另一端与高压包连接， 高压包的输出端分别用导线连接两个正对的金属板。 为了保证微流控芯片所处的电场为匀强电场， 两金属片的尺寸为8 cm×15 cm， 大于微流控芯片尺寸结构， 微流控芯片放置于两金属板的中间位置， 两金属板之间的间距为4 cm， 因此， 电场强度大小为2 500 V·cm-1。

图2 外加高压电场实验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the experimental device for the applied high voltage electric field

1.3 微流控芯片的制作

本研究采用厚度为2 mm的有机玻璃制作微流控芯片的基片与盖片， 使用雕刻机， 先雕刻出两片长和宽都为30 mm的有机玻璃分别作为基片与盖片， 再在盖片中心雕刻出一个边长为6 mm的空心方形与一个边长为8 mm的凹陷方形， 同时在基片中心雕刻出一个边长为6 mm的空心方形， 并在此空心方形两侧雕刻出L型液体通道与方形液体槽， 使之与探测区液体池连通。 使用数控铣床， 在基片侧边铣出两个圆柱形通道分别作为进液通道与出液通道， 使之与方形液体槽连通。 最后， 打磨出两片边长分别为6和8 mm的方形COC材料， 使其分别内嵌至基片中心空心方形区域与盖片中心凹陷方形区域， 利用502胶水进行粘合， 然后用亚克力胶对基片和盖片进行键合。 则两片COC材料包裹的中间部分即为探测区液体池， 经过测试， 此方法制作的微流控芯片气密性良好， 不存在漏液现象。 微流控芯片的制备流程如图3所示。

图3 微流控芯片示意图Fig.3 Schematic diagram of microfluidic chip

1.4 方法

首先取固体样品KCl， K2CO3， KHCO3， K2SO3和CH3COOK五种样品， 配置成溶质含量适宜的浓度， 即0.9 mol·L-1。 使用注射器将配置好的样品注入微流控芯片的液体池中， 固定好微流控芯片的位置， 然后使用太赫兹时域光谱系统进行探测。 依次对KCl， K2CO3， KHCO3， K2SO4和CH3COOK五种溶液进行探测。 为了防止上一个样品对下一个样品的干扰， 在更换样品前， 微流控芯片都要用去离子水进行多次冲洗， 最后将五种样品的太赫兹谱图与去离子水的进行对照， 如图4所示。

图4 0.9 mol·L-1的KCl， K2CO3， K2SO4， CH3COOK和KHCO3溶液以及H2O的光谱图Fig.4 Spectrograms of 0.9 mol·L-1 KCl, K2CO3, K2SO4, CH3COOK and KHCO3 solutions and H2O

通过观察五种钾盐溶液的光谱强度， 发现这五种钾盐溶液的光谱强度均低于蒸馏水的光谱强度， 且五种钾盐溶液的光谱强度的顺序为： KCl>K2CO3>K2SO4>CH3COOK >KHCO3。

此外， 再次配置0.9 mol·L-1的五种钾盐溶液， 然后放入电场中静置处理， 静置时间分别为0， 5， 10， 15和20 min。 之后利用太赫兹时域光谱系统进行测试， 测得其时域光谱， 经傅里叶变换后得到0.1～0.6 THz范围内的频域谱， 最后经计算得出吸收系数谱。 处理数据后实验结果分别如图5—图9所示。

图5 外加不同时间电场的KCl溶液的吸收系数谱图Fig.5 Spectrum of absorption coefficient of KCl solution under applied electric field of different time

图6 外加不同时间电场的K2CO3溶液的吸收系数谱图Fig.6 Spectrum of absorption coefficient of K2CO3 solution under applied electric field of different time

图7 外加不同时间电场的K2SO4溶液的吸收系数谱图Fig.7 Spectrum of absorption coefficient of K2SO4 solution under applied electric field of different time

图8 外加不同时间电场的CH3COOK溶液的吸收系数谱图Fig.8 Spectrum of absorption coefficient of CH3COOK solution under applied electric field of different time

图9 外加不同时间电场的KHCO3溶液的吸收系数谱图Fig.9 Spectrum of absorption coefficient of KHCO3 solution under applied electric field of different time

通过观察五种钾盐溶液的吸收系数的变化情况， 可以发现五种钾盐溶液随着外加电场时间的增加， 其对太赫兹的吸收是逐渐减小的， 吸收系数与在电场中静置时间的关系为： 0 min>5 min>10 min>15 min>20 min。

2 结果与讨论

2.1 离子水化对钾盐溶液太赫兹透射特性的影响

水主要以三种状态存在： 游离氢键水、 结晶水和结构水。 研究表明， 水对提高电导率、 控制离子物质的扩散速率有极大的影响。 水分子的振动模式由低频模式(LFM)和高频模式(HFM)组成。 LFM包括水分子的弯曲(图10中放大部分的双箭头)和分子间振动(图10中放大部分的弯曲箭头)。 由于太赫兹波的能量比较低， 所以可以被水分子的LFM吸收[13-16]。

图10 水分子结构示意图Fig.10 Schematic diagram of water molecular substructure

图4所示为摩尔浓度为0.9 mol·L-1的KCl溶液、 K2CO3溶液、 KHCO3溶液、 K2SO4溶液、 CH3COOK溶液以及蒸馏水的太赫兹透射频谱示意图， 其中五种电解质溶液有相同的阳离子， 即K+。 通过观察各溶液的光谱信息， 发现这五种钾盐溶液的光谱强度均低于蒸馏水的光谱强度。 由于水对太赫兹波的吸收主要是因为水分子间氢键的影响， 因此可以判定这五种钾盐溶液均不同程度地促进了水分子间氢键的形成， 从而降低了太赫兹光谱的强度。 水分子间氢键缔合程度的大小顺序为KHCO3>CH3COOK>K2SO4>KCl>K2CO3。

2.2 外加电场对钾盐溶液太赫兹透射特性的影响

水动力学本质上是由局部氢键与周围水分子的相互作用决定的。 实验中的五种钾盐分子是偶极化溶剂分子， 因此在外电场作用下重组取向， 其取向程度随电场强度增加最终达到饱和， 导致溶液的介电常数减小。 当外加电场强度很强时， 电场能量能够使水分子中的氢键发生断裂， 使水中产生带电离子和自由基团， 并且水分子中原有的团簇结构也随之改变， 大的水分子团逐渐解离成小的水分子团， 甚至产生单个的水分子。 此外， 外加电场能够减弱溶液中氢键与非氢键的作用， 导致单个水分子数增多， 活性增大， 水分子扩散系数增大， 阻碍溶液中的离子成键。 所以溶液在外加电场的作用下其太赫兹透射强度增加， 并且随着时间的增加， 其太赫兹的透射强度呈增加趋势， 降低了水对太赫兹波的吸收作用[17-18]。

3 结 论

利用自制的具有高透过率的太赫兹微流控芯片探究不同钾盐溶液对太赫兹的透过率以及外加不同时间的电场的电解质溶液对太赫兹透射特性的影响， 结果表明， 相同浓度的不同钾盐溶液具有不同的光谱强度， 并且不同的钾盐溶液可以不同程度地促进水分子间氢键的形成， 从而增加了水对太赫兹波的吸收。 当所选盐的阳离子为钾离子时， 光谱强度顺序分别为K2CO3>KCl>K2SO4>CH3COOK>KHCO3。 在外加电场的作用下， 五种钾盐溶液随着外加电场时间的增加， 其对太赫兹的吸收是逐渐减小的， 吸收系数与在电场中静置时间的关系为： 0 min>5 min>10 min>15 min>20 min， 说明溶液中的氢键在外加电场的作用下会受到破坏且破坏作用随时间的增加而增强。 本文对研究水溶液中氢键性质提供了一种可行、 简单、 廉价的方法。 此外， 这些离子对水中氢键的影响能力可以定量排序， 为研究钾盐溶液的太赫兹特性提供一定的参考。