王國陽， 白志晨， 王佳慧， 蘇 波， 張存林

首都師范大學(xué)物理系， 太赫茲光電子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 太赫茲波譜與成像北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京成像理論與技術(shù)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(zhǎng)在3～0.03 mm范圍內(nèi)。 當(dāng)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(dòng)模式都正好位于太赫茲波段內(nèi)[1-5]， 這為利用太赫茲技術(shù)識(shí)別生物樣品提供了理論依據(jù)。 目前， 太赫茲光譜技術(shù)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)生物樣品的光譜信息， 以達(dá)到快速獲取樣品數(shù)據(jù)的目的。 楊靜琦等利用太赫茲時(shí)域光譜(THz-TDS)技術(shù)測(cè)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(jìn)行了對(duì)比， 并對(duì)L-天冬酰胺受熱脫水的動(dòng)態(tài)變化過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)的檢測(cè)， 結(jié)果表明太赫茲波對(duì)晶體結(jié)構(gòu)變化、 含結(jié)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(shù)在室溫下對(duì)五種不同的堿基及核苷衍生物的光譜進(jìn)行了測(cè)量， 得到了所測(cè)樣品在0.2～2.0 THz頻率范圍內(nèi)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(nèi)的光學(xué)特性， 獲得了三種芳香族氨基酸的吸收譜[7]。 王衛(wèi)寧等測(cè)量了室溫下構(gòu)成蛋白質(zhì)的20種基本氨基酸的多晶粉末壓片樣品的光譜響應(yīng)， 發(fā)現(xiàn)所有氨基酸對(duì)太赫茲波的反應(yīng)都非常靈敏， 所有氨基酸在0.2～3.0 THz頻譜范圍內(nèi)都有不同的特征吸收峰， 因此可以利用THz-TDS技術(shù)對(duì)不同種類的氨基酸進(jìn)行測(cè)量和識(shí)別[8]。

水作為生命活動(dòng)必不可少的物質(zhì)， 對(duì)生物分子發(fā)揮其功能起著至關(guān)重要的作用。 在許多生物領(lǐng)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(jié)合成締合分子， 而其中的氫鍵會(huì)與太赫茲波發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用， 從而增加了水對(duì)太赫茲波的吸收， 使得利用太赫茲技術(shù)研究生物樣品在水溶液中的動(dòng)態(tài)特性變得相當(dāng)困難。 為了解決這一難題， 可以引入微流控技術(shù)[10]。 微流控技術(shù)是一種能夠精確操控微尺度流體為主要特征的科學(xué)技術(shù)。 微流控芯片的溝道厚度可以達(dá)到50 μm甚至更小， 由于微流控技術(shù)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(duì)太赫茲波的吸收。 Baragwanath等使用硅作為基底， 對(duì)微流控單元進(jìn)行了設(shè)計(jì)和制作， 并利用太赫茲時(shí)域光譜儀對(duì)制作好的微流控單元進(jìn)行了透射測(cè)試， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 不同濃度和不同品種的樣品的時(shí)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(shè)計(jì)了一種太赫茲微流控芯片， 芯片的基底采用對(duì)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(jìn)行鍵合制得微流控芯片。 利用THz-TDS技術(shù)對(duì)微流控芯片的透過率、 水的吸收系數(shù)和折射率分別進(jìn)行了測(cè)量， 發(fā)現(xiàn)在0.2～1 THz頻率范圍內(nèi)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(nèi)的KCl， KBr， MgCl2和CaCl2四種不同濃度電解質(zhì)溶液的太赫茲光譜， 結(jié)果表明， KCl和KBr對(duì)水中的氫鍵有破壞作用， MgCl2和CaCl2對(duì)水中的氫鍵有締合作用[13]。

另外， 還有很多因素會(huì)影響水對(duì)太赫茲的吸收特性， 比如不同溫度， 外加電場(chǎng)， 外加磁場(chǎng)和激光激勵(lì)等。 Hans通過實(shí)驗(yàn)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(duì)太赫茲的吸收增大[14]。 李國華通過實(shí)驗(yàn)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(jié)果。 在以上的研究中， 只測(cè)量了幾個(gè)溫度下水的太赫茲吸收特性， 數(shù)據(jù)量較少， 在測(cè)量時(shí)水的厚度較大， 水對(duì)太赫茲的吸收比較強(qiáng)烈， 測(cè)量誤差較大， 且文章中并沒有對(duì)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)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(duì)微流控芯片中的水進(jìn)行了加熱， 從20～90 ℃每隔5 ℃進(jìn)行一次測(cè)量， 得到了不同溫度下水的頻譜圖和太赫茲透過率， 并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(nèi)的太赫茲吸收特性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 裝置

實(shí)驗(yàn)使用的是自主搭建的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)， 光源是自鎖模光纖飛秒激光器(北京大學(xué)， 中心波長(zhǎng)為1 550 nm， 脈沖寬度為75 fs， 脈沖重復(fù)頻率為100 MHz， 脈沖功率為130 mW)。 其輸出的激光經(jīng)偏振分光棱鏡后被分為兩束光， 一束光作為泵浦路， 經(jīng)機(jī)械平移臺(tái)被耦合進(jìn)光纖式光電導(dǎo)天線(BATOP公司bPCA-100-05-10-1550-c-f)， 由該天線產(chǎn)生太赫茲波； 另一束光作為探測(cè)路， 被耦合進(jìn)光纖式光電導(dǎo)天線(BATOP公司bPCA-180-05-10-1550-c-f)， 由該天線探測(cè)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(chǎn)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(cè)天線接收并輸入鎖相放大器進(jìn)行放大， 然后利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理， 實(shí)驗(yàn)光路圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)光路圖

1.2 微流控芯片的制作

本課題組曾采用對(duì)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(shù)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(jìn)行鍵合， 該方法制作的微流控芯片， 雖然對(duì)太赫茲波有較高的透過性， 但是由于在甩膜的時(shí)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(huì)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(duì)溫度有一定的要求， 使得制作過程比較復(fù)雜且耗時(shí)較長(zhǎng)。 為了使制作過程簡(jiǎn)便， 解決漏液的問題， 本研究對(duì)芯片的制作方法進(jìn)行了改良。 依然用一塊Zeonor 1420R作為基片， 利用厚度為50 μm的強(qiáng)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(zhǎng)3 cm， 寬4 mm， 再使用一塊Zeonor 1420R作為蓋片進(jìn)行鍵合， 微流控芯片的制備過程如圖2所示。 因本實(shí)驗(yàn)需要對(duì)充滿水的微流控芯片進(jìn)行加熱處理， 為了檢驗(yàn)Zeonor 1420R對(duì)太赫茲的透過率隨溫度的變化情況， 對(duì)Zeonor 1420R在20～90 ℃溫度范圍內(nèi)的太赫茲波透過率進(jìn)行了測(cè)量， 發(fā)現(xiàn)Zeonor 1420R材料對(duì)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(duì)太赫茲波吸收特性的影響打下了基礎(chǔ)。 另外， 將充滿水的微流控芯片進(jìn)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(jiǎn)單， 用時(shí)較短， 且解決了加熱時(shí)芯片漏液的問題， 為實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)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(shí)驗(yàn)需要對(duì)水的溫度進(jìn)行控制， 所以設(shè)計(jì)制作了一個(gè)精度較高的溫控系統(tǒng)。 使用導(dǎo)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(gè)直徑為10 mm的孔洞， 以便于太赫茲波通過， 在鐵片的同側(cè)同樣用導(dǎo)熱硅膠粘上一個(gè)溫度傳感器用于溫度傳感， 在鐵片另一側(cè)用導(dǎo)熱硅膠粘上一個(gè)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(nèi)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(gè)溫控儀(ST700智能型PID溫控儀， 溫度可調(diào)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(shè)計(jì)好的溫控系統(tǒng)示意圖如圖3所示。 在實(shí)驗(yàn)過程中， 加熱片會(huì)持續(xù)給鐵片加熱， 鐵片也會(huì)將熱量傳導(dǎo)給微流控芯片， 其熱量會(huì)使微流控芯片中的水升溫。 當(dāng)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)， 溫控儀會(huì)控制加熱片停止加熱； 當(dāng)溫度低于目標(biāo)溫度時(shí)， 溫控儀會(huì)控制加熱片再次加熱， 從而達(dá)到在目標(biāo)溫度附近恒溫的目的。 雖然溫度傳感器檢測(cè)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(gè)溫度梯度， 能夠定性研究水的溫度變化對(duì)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(gè)太赫茲天線中間， 讓太赫茲產(chǎn)生天線發(fā)射的太赫茲波通過鐵片上的小孔， 經(jīng)微流控芯片透射后被太赫茲探測(cè)天線接收。 為了避免水中離子對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響， 本實(shí)驗(yàn)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(duì)鐵片進(jìn)行加溫， 溫度的變化范圍從20～90 ℃， 每隔5 ℃測(cè)量一次， 當(dāng)溫度達(dá)到65 ℃時(shí)， 芯片中的水因?yàn)闇囟壬叩脑颍?開始出現(xiàn)氣泡， 此現(xiàn)象使測(cè)得的太赫茲信號(hào)不夠平滑， 為了減輕氣泡對(duì)所測(cè)信號(hào)的影響， 在隨后的升溫過程中， 當(dāng)微流控芯片中水的氣泡較多時(shí)， 往芯片中注水排除芯片中的氣泡， 芯片中的水會(huì)迅速升溫， 在水達(dá)到目標(biāo)溫度進(jìn)行測(cè)量時(shí)， 水中的氣泡較少， 不會(huì)影響最后對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)的分析。 將測(cè)得的樣品信號(hào)進(jìn)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(shí)， 信號(hào)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(dá)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(nèi)， 水對(duì)太赫茲的吸收能力隨著溫度的升高而不斷增強(qiáng)。

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(jié)果與討論

在實(shí)驗(yàn)過程中， 由于溫度升高到一定溫度時(shí)， 芯片中的水產(chǎn)生的大量氣泡會(huì)影響測(cè)量結(jié)果， 因此在氣泡產(chǎn)生時(shí)， 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(dá)到所設(shè)溫度而氣泡較少時(shí)完成對(duì)THz波的透射測(cè)量， 該方法減小了水中氣泡對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。 通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高， 水對(duì)太赫茲的吸收增強(qiáng)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(yīng)當(dāng)增強(qiáng)的理論分析并不一致， 所以可以初步認(rèn)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(tuán)簇， 脫離后的水分子由于熱運(yùn)動(dòng)而使得其振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)加強(qiáng)， 增大了對(duì)太赫茲波的吸收， 此過程中小的水分子團(tuán)簇的增多和熱運(yùn)動(dòng)程度的加劇造成的對(duì)太赫茲的吸收作用強(qiáng)于因氫鍵斷裂而減小的對(duì)太赫茲的吸收作用， 從而導(dǎo)致在20～90 ℃范圍內(nèi)， 隨著溫度升高， 水對(duì)太赫茲的吸收增強(qiáng)。 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(cè)的研究結(jié)果一致， 表明利用微流控技術(shù)研究不同溫度下水對(duì)太赫茲吸收特性的可行性， 而微流控技術(shù)所具有的操作方便、 信噪比高的特點(diǎn)是以往研究所不具備的。

3 結(jié) 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(shí)間并解決了漏液的問題。 設(shè)計(jì)了一種溫控系統(tǒng)， 用該系統(tǒng)對(duì)不同溫度的水進(jìn)行了太赫茲透射測(cè)量。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知， 在20～90 ℃范圍內(nèi)， 隨著溫度升高， 水的太赫茲透過率不斷減小， 說明水對(duì)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(rèn)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(tuán)簇， 脫離后的水分子由于熱運(yùn)動(dòng)從而使其振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)加劇， 增大了對(duì)太赫茲的吸收， 此過程中小的水分子團(tuán)簇的增多和熱運(yùn)動(dòng)程度的加劇造成的對(duì)太赫茲的吸收作用強(qiáng)于因氫鍵斷裂而減小的對(duì)太赫茲的吸收作用。 本文將太赫茲技術(shù)與微流控技術(shù)相結(jié)合， 既通過微流控技術(shù)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(nèi)的太赫茲吸收特性。 眾所周知， 水在4 ℃有一個(gè)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(nèi)的太赫茲吸收特性， 并進(jìn)一步研究水與太赫茲波的作用機(jī)理， 為未來太赫茲的應(yīng)用與發(fā)展提供更多的理論依據(jù)和技術(shù)支持。