低溫液態(tài)水的太赫茲吸收特性研究

王國(guó)陽， 孟慶昊， 邵思雨， 葉 萍， 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

太赫茲波也叫作T射線， 是指頻率在0.1～10 THz范圍內(nèi)的電磁輻射[1-5]。 當(dāng)前， 很多研究表明， 大部分生物分子轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)所具有的特征能量都在太赫茲范圍內(nèi)[6-9]， 這為利用太赫茲波對(duì)生物分子進(jìn)行識(shí)別提供了理論依據(jù)。 Fischer等研究了在0.5～4.0 THz頻率范圍內(nèi)四種含氮核堿基(腺嘌呤(A)、 鳥嘌呤(G)、 胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T))的FIR介電函數(shù)， 并在300 K溫度下以及0.5～3.5 THz的頻率范圍內(nèi)對(duì)相應(yīng)核苷dA， dG， dC和dT進(jìn)行了頻譜測(cè)量[10]。 Upadhya等將THz-TDS系統(tǒng)應(yīng)用于葡萄糖粉末(固體)的測(cè)量， 并分別繪制了葡萄糖的兩種立體異構(gòu)體(L-葡萄糖和D-葡萄糖)的太赫茲吸收光譜， 發(fā)現(xiàn)D-葡萄糖在1.45和2.1 THz處有明顯的吸收峰， 在1.26 THz處有一個(gè)較小的吸收峰， 而 L-葡萄糖在1.45 THz處有一個(gè)尖峰， 在2.12 THz處有一個(gè)寬的特征吸收峰[11]。 Nishizawa等使用GaP太赫茲波發(fā)生器在0.5～4 THz頻率范圍內(nèi)對(duì)4種核堿基的多晶粉末進(jìn)行了太赫茲光譜測(cè)量， 發(fā)現(xiàn)4種核堿基的多晶粉末在0.5～4 THz頻率范圍內(nèi)具有明顯不同的特征光譜， 從而可以對(duì)這幾種核堿基的多晶粉末識(shí)別和區(qū)分[12]。 Globus等使用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了4種miRNA的太赫茲吸收光譜， 發(fā)現(xiàn)其中有3種miRNA在0.39 THz處有明顯的吸收峰， 同時(shí)， 他們還測(cè)量了卵巢癌細(xì)胞SK-OV3和ES-2的太赫茲吸收光譜， 發(fā)現(xiàn)它們?cè)?.39 THz處也有明顯的吸收峰， 因此認(rèn)為miRNA在卵巢癌形成過程中扮演了非常重要的角色[13]。 Vaks等利用自洽聲子近似方法對(duì)DNA的振動(dòng)特性進(jìn)行了理論計(jì)算， 發(fā)現(xiàn)在太赫茲波段內(nèi)， DNA的吸收峰之間的距離與DNA鏈的長(zhǎng)度成反比， 吸收峰的位置與DNA的螺旋周期相關(guān)[14]。 以上研究都是對(duì)固態(tài)樣品進(jìn)行的模擬仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試， 分析它們?cè)谔掌濐l率范圍內(nèi)的吸收光譜， 可以對(duì)不同的樣品進(jìn)行識(shí)別。 不過， 生物分子一般都是存活于液態(tài)環(huán)境中， 以上研究都只報(bào)道了對(duì)固體樣品的研究， 缺乏對(duì)液體樣品的相關(guān)說明。

水是生物介質(zhì)中最重要的液體， 生物分子與液態(tài)水之間的相互作用決定了生物的活性， 涉及很多生物現(xiàn)象[15]， 因此研究液態(tài)水的太赫茲特性就顯得非常有意義。 水作為極性液體， 液體中偶極分子-偶極分子間的相互作用和極性分子間的氫鍵會(huì)對(duì)太赫茲波產(chǎn)生較大的吸收作用， 從而使利用太赫茲技術(shù)研究液體環(huán)境下的生物分子動(dòng)力學(xué)特性變得更加困難。 微流控技術(shù)可以通過改變微流控芯片中液體通道的深度來控制液體樣品的厚度， 以減小太赫茲波與液體樣品的作用距離， 進(jìn)而使水對(duì)太赫茲波的吸收大幅減小。 張赟佳等設(shè)計(jì)了一種新型的微流控-超材料集成多帶太赫茲傳感器， 利用CST模擬了該傳感器在檢測(cè)不同濃度乙醇水溶液時(shí)的反射譜。 結(jié)果表明， 隨著乙醇水溶液濃度的升高， 可以觀察到反射譜中四個(gè)共振峰的反射率逐漸減小， 峰位逐漸藍(lán)移[16]。 武亞雄等制作了微流控芯片， 在0.1～1 THz范圍內(nèi)研究了幾種電解質(zhì)溶液的太赫茲光譜， 發(fā)現(xiàn)不同電解質(zhì)對(duì)水中氫鍵的作用是不同的[17]。 以上研究都是利用微流控技術(shù)對(duì)液態(tài)樣品進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究， 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出， 微流控芯片不但可以作為液態(tài)樣品的載體， 而且還可以控制樣品的數(shù)量， 為深入研究生物分子與水分子間的動(dòng)態(tài)特性提供了技術(shù)支持。 但是， 以上研究所制備的微流控芯片存在太赫茲透過率不夠高、 制作時(shí)間長(zhǎng)和漏液等缺點(diǎn)， 對(duì)實(shí)驗(yàn)造成了一定程度的影響。

在對(duì)水的太赫茲吸收特性研究中， 除了它們之間的作用距離外， 還有許多外界因素也會(huì)影響水對(duì)太赫茲的吸收， 比如不同溫度， 外加電場(chǎng)， 外加磁場(chǎng)等， 這些外界因素會(huì)對(duì)水中的氫鍵網(wǎng)絡(luò)和分子間的相互作用產(chǎn)生影響， 使得水對(duì)太赫茲的吸收能力發(fā)生變化。 Zelsmann對(duì)0.4， 20.2， 38.7， 57.2和81.4 ℃溫度下的水進(jìn)行了太赫茲測(cè)量， 發(fā)現(xiàn)隨著溫度的增大， 水對(duì)太赫茲的吸收增大； 另外他是將水置于兩硅片之間， 密封后進(jìn)行測(cè)量的， 該方法會(huì)導(dǎo)致裝置中水的厚度較大且不均勻； 此外， 硅片對(duì)太赫茲也有將近一半的吸收， 從而降低了探測(cè)的靈敏度[18]。 Ronne等報(bào)道了重水和水從過冷狀態(tài)到接近沸點(diǎn)的溫度依賴性介電弛豫動(dòng)力學(xué)特性， 以便了解水的溫度依賴性、 同位素移動(dòng)和弛豫時(shí)間， 不過他們的液體裝置也是利用硅片制作， 所以會(huì)使太赫茲的透射強(qiáng)度降低[19]。 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， 溫度跨度較大， 沒有研究低溫液態(tài)水的太赫茲吸收特性， 而且液體裝置材料的選取和水厚度的控制是他們的一大缺點(diǎn)。 本文采用對(duì)太赫茲波具有高透過率的Zeonor 1420R材料制作夾心式微流控芯片， 該材料沒有特征吸收峰且對(duì)可見光透明， 該微流控芯片可以將水的厚度均勻地控制在50 μm， 而且該芯片具有制作簡(jiǎn)單、 不漏液和可重復(fù)使用等特點(diǎn)， 在很大程度上節(jié)約了芯片的制作時(shí)間， 降低了成本。 另外自制了一套制冷系統(tǒng)， 該系統(tǒng)能以0.1 ℃的精度對(duì)水制冷并保持恒溫。 將微流控芯片放置于制冷系統(tǒng)中， 利用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)， 在8～-3 ℃溫度范圍內(nèi)每隔1 ℃進(jìn)行一次測(cè)量， 得到了不同溫度下水的太赫茲透過率譜圖， 定性研究了低溫下液態(tài)水的太赫茲吸收特性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)光路

本研究使用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)對(duì)液態(tài)水進(jìn)行太赫茲?rùn)z測(cè)， 用作光源的光纖飛秒激光器的中心波長(zhǎng)為1 550 nm， 脈寬為75 fs， 頻率為100 MHz， 功率為130 mW。 激光由激光器發(fā)出后被分光棱鏡分為兩束光， 一束光作為泵浦光， 經(jīng)機(jī)械平移臺(tái)延時(shí)后被耦合進(jìn)太赫茲產(chǎn)生天線， 用來產(chǎn)生太赫茲波； 另一束光作為探測(cè)光， 被耦合進(jìn)太赫茲探測(cè)天線， 用來探測(cè)太赫茲波。 太赫茲產(chǎn)生天線發(fā)射的太赫茲波經(jīng)一個(gè)離軸拋物面鏡聚焦后入射進(jìn)保溫箱， 經(jīng)注滿液態(tài)水的微流控芯片透射后從保溫箱射出， 再經(jīng)一個(gè)離軸拋物面鏡聚焦后， 由探測(cè)天線接收并輸入鎖相放大器進(jìn)行放大， 最后利用計(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

本研究制作的夾心式微流控芯片， 主要材料為Zeonor 1420R， 該材料對(duì)太赫茲波的透過率高達(dá)95%， 其本身沒有特征吸收峰且對(duì)可見光透明， 是制備微流控芯片的最佳材料。 關(guān)于微流控芯片的制備， 首先使用一塊Zeonor 1420R作為基板， 使用厚度為50μm的雙面膠作為中間層， 對(duì)雙面膠進(jìn)行剪切處理， 制作出長(zhǎng)度、 寬度、 深度分別為2 cm， 5 mm和50 μm的液體通道， 再使用一塊Zeonor 1420R作為蓋板， 將三者進(jìn)行鍵合， 微流控芯片的制備過程如圖2所示。 該夾心式微流控芯片制作方式簡(jiǎn)單且不漏液， 可以節(jié)約制作時(shí)間， 另外該芯片很容易拆卸清洗， 可重復(fù)利用， 避免了材料的浪費(fèi)， 極大地減少了制作成本。 為了測(cè)試溫度的變化會(huì)不會(huì)導(dǎo)致微流控芯片的太赫茲透過率發(fā)生改變， 在實(shí)驗(yàn)前對(duì)其進(jìn)行制冷處理并測(cè)量了其太赫茲透過率， 發(fā)現(xiàn)該芯片的太赫茲波透過率在8～-3 ℃的溫度范圍內(nèi)并沒有發(fā)生變化， 這一結(jié)果為本次實(shí)驗(yàn)利用微流控芯片研究該溫度范圍內(nèi)液態(tài)水的太赫茲吸收特性打下了基礎(chǔ)。

圖2 微流控芯片制作示意圖

1.3 制冷系統(tǒng)

首先設(shè)計(jì)制作了一個(gè)制冷系統(tǒng)， 用于對(duì)微流控芯片中的液態(tài)水進(jìn)行制冷處理。 該制冷系統(tǒng)由制冷片、 散熱模塊、 溫度傳感器、 保溫箱和溫度控制器構(gòu)成， 所設(shè)計(jì)的制冷系統(tǒng)如圖3所示。 保溫箱的主要材料是泡沫， 而泡沫材料對(duì)太赫茲波的透過率幾乎達(dá)到百分之百， 在實(shí)驗(yàn)中不會(huì)造成太赫茲波的損耗。 制冷片的工作狀態(tài)由溫度控制器控制， 制冷片的導(dǎo)熱面在均勻涂抹了導(dǎo)熱硅脂后與散熱模塊相連， 在制冷過程中制冷片導(dǎo)熱面的熱量會(huì)通過散熱模塊擴(kuò)散到空氣中； 制冷片的制冷面被密封在保溫箱內(nèi)， 在制冷過程中會(huì)對(duì)保溫箱內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行制冷。 溫度傳感器連接著溫度控制器， 將溫度傳感器放置在保溫箱內(nèi)， 可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)保溫箱內(nèi)部環(huán)境的溫度并顯示在溫度控制器的屏幕上。 在實(shí)驗(yàn)過程中， 先往微流控芯片注滿水， 然后將其固定在保溫箱內(nèi)。 制冷片會(huì)持續(xù)給保溫箱內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行制冷， 同時(shí)， 微流控芯片中的水的溫度也會(huì)隨環(huán)境溫度的下降而下降。 當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到的溫度達(dá)到目標(biāo)制冷溫度時(shí)， 溫度控制器會(huì)控制制冷片停止制冷； 當(dāng)溫度高于目標(biāo)溫度時(shí)， 溫度控制器會(huì)控制制冷片再次制冷， 從而達(dá)到保溫箱的環(huán)境溫度恒定的目的， 該制冷系統(tǒng)的溫度控制精度為0.1 ℃。

圖3 制冷系統(tǒng)示意圖

1.4 方法

將注滿水的微流控芯片固定在保溫箱內(nèi)， 然后把保溫箱置于光路中， 調(diào)節(jié)保溫箱的位置使得太赫茲波能透過微流控芯片中的水。 利用制冷系統(tǒng)對(duì)保溫箱內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行制冷， 溫度的變化范圍為8～-3 ℃， 每隔1 ℃進(jìn)行一次太赫茲透射測(cè)量。 所測(cè)得的不同溫度下水的時(shí)域譜如圖4所示； 將測(cè)得的樣品信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換得到頻譜圖， 如圖5所示； 最終得到的不同溫度下水的太赫茲透過率譜圖， 如圖6所示。

圖4 不同溫度下的水的太赫茲時(shí)域圖

圖5 不同溫度下的水的太赫茲頻譜圖

圖6 不同溫度下的水的太赫茲透過率譜圖

2 結(jié)果與討論

眾所周知， 水的溫度達(dá)到冰點(diǎn)以下時(shí)， 需要凝結(jié)核才能結(jié)冰， 本次實(shí)驗(yàn)所用樣品為去離子水， 且在實(shí)驗(yàn)過程中保溫箱維持靜止?fàn)顟B(tài)， 因此水在0～-3 ℃時(shí)依然是液態(tài)。 通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低， 信號(hào)的幅值不斷增大， 水的太赫茲透過率不斷增大， 這是因?yàn)樵谝簯B(tài)水中， 隨著溫度的降低， 水分子的活性降低， 偶極分子-偶極分子間的相互作用減弱， 使得對(duì)太赫茲的吸收減小， 從而導(dǎo)致在8～-3 ℃范圍內(nèi)， 隨著溫度降低， 水對(duì)太赫茲的吸收能力減弱， 這與Zelsmann所得出的結(jié)論一致[18]。 另外， 液態(tài)水在4 ℃理應(yīng)有一個(gè)反常膨脹現(xiàn)象， 此時(shí)， 液態(tài)水的體積最小， 密度最大， 水分子大多數(shù)以(H2O)2和(H2O)3等締合分子形式存在， 分子間氫鍵數(shù)量極速增多。 由于氫鍵數(shù)量的增加會(huì)增大水對(duì)太赫茲的吸收， 導(dǎo)致水在4 ℃時(shí)相較于5 ℃的太赫茲透過率會(huì)降低， 不過在本次實(shí)驗(yàn)中并沒有觀察到該現(xiàn)象， 原因有兩個(gè)： 一是由于微流控技術(shù)的引入， 液態(tài)水的體積被控制得很小， 水量較少， 4 ℃時(shí)氫鍵數(shù)量增加有限； 二是在溫度變化過程中， 偶極分子-偶極分子間的相互作用對(duì)太赫茲的吸收占主要地位， 水中氫鍵對(duì)太赫茲的吸收占次要地位， 使得在4 ℃時(shí)， 依然只能觀察到太赫茲透過率增大的現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

首先采用對(duì)太赫茲波有高透過率的Zeonor 1420R材料和厚度為50 μm的雙面膠制備了可方便拆卸且可重復(fù)使用的夾心式微流控芯片， 同時(shí)， 制作了一個(gè)制冷系統(tǒng)， 使用該系統(tǒng)并借助微流控芯片在太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)上對(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8～-3 ℃范圍內(nèi)， 隨著溫度降低， 水對(duì)太赫茲波的吸收能力減弱， 這一現(xiàn)象的原因是在液態(tài)水中， 隨著溫度的降低， 水分子的活性降低， 偶極分子-偶極分子間的相互作用減弱， 使得對(duì)太赫茲的吸收減小。 另外， 本次實(shí)驗(yàn)中并沒有觀察到4 ℃液態(tài)水反常膨脹引起的太赫茲透過率減小的現(xiàn)象， 其原因是微流控芯片限制了液態(tài)水的體積， 使得在4 ℃時(shí)水分子間的氫鍵數(shù)量增加有限， 而且在溫度變化過程中， 水中偶極分子-偶極分子間的相互作用對(duì)太赫茲的吸收強(qiáng)于氫鍵對(duì)太赫茲的吸收， 因此水在4 ℃時(shí)相較于5 ℃的太赫茲透過率依然增大。 本研究將太赫茲技術(shù)與微流控技術(shù)相結(jié)合， 通過微流控技術(shù)減小了太赫茲波與水的作用體積， 定性地研究了水在8～-3 ℃的溫度范圍內(nèi)的太赫茲吸收特性， 探究了水在4 ℃時(shí)的反常膨脹現(xiàn)象并對(duì)于其結(jié)果進(jìn)行了分析。 此結(jié)果為將來在不同低溫環(huán)境下利用微流控技術(shù)研究液體樣品的太赫茲吸收特性打下了基礎(chǔ)， 為太赫茲在生物領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展提供了技術(shù)支持。