基于微流控技術(shù)的磁流體載基液的太赫茲透射特性研究

趙鑫媛，王國陽，孟慶昊，張鳳萱，邵思雨，丁 晶，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(Terahertz，THz)，是指頻率在0.1～10 THz之間，波長在30～3 000 μm之間的電磁輻射。太赫茲波段位于電磁波譜中的微波和紅外波之間[1-2]，其具有低能性、相干性、寬帶性、瞬態(tài)性等特點(diǎn)，使得太赫茲在通信、醫(yī)學(xué)成像、無損檢測、生物化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有著深遠(yuǎn)的影響。傳統(tǒng)的太赫茲時域光譜(THz-TDS)系統(tǒng)[3]是太赫茲技術(shù)的典型代表。Ma等利用太赫茲時域光譜技術(shù)研究了含水礦物質(zhì)鹽CuSO4·5H2O，實(shí)現(xiàn)了其中水含量的定量識別[4]。Yamamoto等使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和太赫茲時域光譜儀測量了233～293 K的寬帶復(fù)介電譜，研究了溫度和水合作用對紫色膜(PM)動力學(xué)的影響[5]。Karaliunas等利用太赫茲時域光譜技術(shù)作為一種無損技術(shù)來檢測純凈的和已降解的石油以及碳?xì)浠衔铮l(fā)現(xiàn)食用油和工業(yè)用油的折射率和吸收系數(shù)的光譜存在顯著差異[6]。Sterczewski等使用太赫茲光譜儀測量了抗炎藥吡羅昔康的衍生物，建立了偏最小二乘(PLS)預(yù)測模型[7]，以量化光譜和熔點(diǎn)之間的關(guān)系，從而對藥物進(jìn)行選擇。由此可見，太赫茲技術(shù)的應(yīng)用在許多領(lǐng)域都取得了很大進(jìn)展，其中人工電磁材料，如光子晶體(PCS)也已經(jīng)被廣泛研究以操控太赫茲波，但是有關(guān)鐵磁材料的太赫茲特性報(bào)道相對較少。磁流體是一種新型的功能材料，它打破了傳統(tǒng)磁性材料的固態(tài)，成為一種液體狀態(tài)。它是一種由磁性納米粒子在載基液中組成的膠狀懸浮液，其光學(xué)和磁光(MO)特性已在光頻范圍內(nèi)被廣泛研究。Fan等通過使用THz-TDS系統(tǒng)研究了磁流體和磁流體-填充光子晶體(FFPC)的太赫茲磁光特性[8]。荊雅潔等分別從磁場大小、方向以及溫度三個因素出發(fā)，對磁流體折射率的可調(diào)諧特性進(jìn)行了理論分析研究[9]。Shalaby等已經(jīng)證明了鐵流體在外磁場作用下，利用太赫茲系統(tǒng)探測出其具有非常低的吸收損耗[10]。由于磁流體成本較高，因此需采用一種樣品消耗少、檢測速度快的檢測方法[11]。Baragwanath等使用硅作為基底，對微流控單元進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(jìn)行了透射測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)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[12]。由此可見，利用微流控芯片研究載基液的太赫茲透射特性是可行的。因此，本課題組自行設(shè)計(jì)了一種太赫茲微流控芯片，并利用太赫茲時域光譜系統(tǒng)，研究了磁流體的組成部分-載基液的太赫茲透射特性，這為進(jìn)一步研究磁流體這一新型的功能材料開辟了新的途徑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 裝置

實(shí)驗(yàn)中的太赫茲時域光譜系統(tǒng)包括飛秒激光器、太赫茲輻射產(chǎn)生裝置、延時裝置和太赫茲輻射探測裝置。其激光光源是北京大學(xué)自主研發(fā)的“自鎖模光纖飛秒激光器”(中心波長為1 550 nm，脈沖重復(fù)頻率為100 MHz，脈沖寬度為75 fs，脈沖功率為130 mW)。實(shí)驗(yàn)光路如圖1所示，自鎖模飛秒激光器輸出的飛秒脈沖激光先后經(jīng)過半波片和PBS分束鏡后分成兩束，一束作為泵浦脈沖，經(jīng)機(jī)械平移臺后被耦合進(jìn)光纖式光電導(dǎo)天線(BATOP公司bPCA-100-05-10-1550-c-f)，用來產(chǎn)生太赫茲波；另一路作為探測脈沖，經(jīng)過透鏡會聚后，被耦合進(jìn)光纖式光電導(dǎo)天線(BATOP公司bPCA-180-05-10-1550-c-f)，用來探測太赫茲波。注有載基液的微流控芯片放在兩個離軸拋面鏡中間，當(dāng)太赫茲波透過時會攜帶載基液的信息，然后由探測天線進(jìn)行接收，最后由鎖相放大器對信號放大并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。

1.2 微流控芯片的制作

環(huán)烯烴共聚物(COC)對太赫茲波具有高透射特性，并且對可見光透明，是制備太赫茲微流控芯片的理想材料，但是在本研究中研究的是磁流體的太赫茲特性，磁流體中的載基液為有機(jī)溶液，會與COC發(fā)生反應(yīng)，影響實(shí)驗(yàn)效果，所以選用石英玻璃作為制備微流控芯片的材料。本實(shí)驗(yàn)中采用兩片尺寸為3 cm×3 cm×2 mm的石英玻璃作為基片和蓋片，然后在厚度為50 μm的3M雙面膠上刻出長寬分別為2 cm的方形區(qū)域，再將雙面膠和基片、蓋片相粘合，最終制成微流控芯片，制作過程如圖2所示。為了檢測由石英玻璃制成的太赫茲微流控芯片的透過率，先將未加入載基液樣品的芯片放入光路中，利用THz-TDS系統(tǒng)檢測，發(fā)現(xiàn)其透過率保持在85%以上，具有較高的透過率；之后又將載基液樣品從進(jìn)液口注入芯片當(dāng)中，靜置24 h，發(fā)現(xiàn)其不與微流控芯片發(fā)生反應(yīng)，因此這種太赫茲微流控芯片為研究載基液的太赫茲透射特性打下了基礎(chǔ)。用石英玻璃制作的微流控芯片與用COC制作的相比，其價格更低，因此這為許多與COC發(fā)生反應(yīng)的有機(jī)液體的檢測開辟了新的路徑。

1.3 載基液的太赫茲光譜特性

磁流體是由Fe3O4和載基液(由礦物質(zhì)油組成的有機(jī)溶液)構(gòu)成的，礦物質(zhì)油是由長鏈烷烴和基礎(chǔ)油混合而成的。在氮?dú)猸h(huán)境下，分別將一片石英玻璃、兩片石英玻璃、制作好的空微流控芯片以及裝滿載基液的微流控芯片依次放入太赫茲時域光譜系統(tǒng)中，得到太赫茲時域光譜，如圖3所示；經(jīng)傅里葉變換得到太赫茲頻域光譜，如圖4所示。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一個反常的現(xiàn)象，即裝有載基液的微流控芯片的太赫茲時域光譜和頻域光譜的信號強(qiáng)度均高于空微流控芯片的信號強(qiáng)度。

圖3 載基液的太赫茲時域譜

圖4 載基液的太赫茲頻域譜

2 結(jié)果與討論

在研究磁流體組成成分載基液的太赫茲透射特性的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)載基液的太赫茲信號強(qiáng)度高于空微流控芯片的信號強(qiáng)度。

Al-Douseri等利用式(1)—式(3)計(jì)算了樣品的折射率和吸收系數(shù)[13]。

(1)

(2)

(3)

在本研究當(dāng)中，同樣利用上述公式計(jì)算載基液的折射率及吸收系數(shù)。其中ns為載基液的折射率，c為光速，φ(ω)和ρ(ω)分別為太赫茲時域光譜系統(tǒng)給出的樣品和參考信號的相位比和振幅比，αs為樣品的吸收系數(shù)，n1在本研究中為石英折射率，d為樣品厚度。最終得到的磁流體的組成部分-載基液的太赫茲吸收系數(shù)，如圖5所示。從圖中可以看出載基液的吸收系數(shù)為負(fù)值，這與上述實(shí)驗(yàn)中觀測到的載基液的信號強(qiáng)度高于空微流控芯片的信號強(qiáng)度結(jié)果相符合。

圖5 載基液的太赫茲吸收系數(shù)

以前的很多研究都已證實(shí)：水、丙二醇等一些以水作為溶劑的溶液對于太赫茲波都有很強(qiáng)烈的吸收作用[14]，這是由于水分子間通過氫鍵形成了大的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，而氫鍵會與太赫茲波發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，從而增加了其對太赫茲波的吸收，導(dǎo)致了太赫茲光譜上信號強(qiáng)度的降低。但是磁流體組成成分-載基液是由礦物質(zhì)油組成的有機(jī)溶液，其主要成分是長鏈烷烴(C和H元素組成)，其內(nèi)部無氫鍵，對太赫茲無明顯的吸收作用，因此信號強(qiáng)度不會降低。

再從能量角度來考慮其信號強(qiáng)度升高的原因，由于太赫茲光垂直入射到樣品芯片上，因此入射角為零度，可不考慮偏振等因素的影響。若光由介質(zhì)折射率為n1的物質(zhì)進(jìn)入折射率為n2的物質(zhì)，入射角θ=0，則其透射率公式為

(4)

所以當(dāng)n1>n2時，T>1，但是能量是守恒的，考慮電磁波的能量，便可想到坡印廷矢量

(5)

式(5)中，S為光的能流密度，另外，本研究中的石英玻璃、載基液以及氮?dú)舛疾皇氰F磁性物質(zhì)，所以μr=1。由此看見：光振幅增加但能流密度不一定增加，因?yàn)槟芰髅芏炔粌H與振幅有關(guān)，而且也與介質(zhì)的折射率有關(guān)。

若光由介質(zhì)折射率為n1的物質(zhì)進(jìn)入折射率為n2的物質(zhì)，其坡印亭矢量分別為

(6)

(7)

由基本不等式a2+b2≥2ab可知，S1≥S2恒成立，因此雖然振幅增大，但是能量并沒有增加。

在裝有載基液的太赫茲微流控芯片中，太赫茲首先由氮?dú)狻⒉ＡАd基液—石英玻璃—氮?dú)猓魑镔|(zhì)的折射率如表1所示。按物質(zhì)折射率來看：由光疏—光密—光密—光疏—光疏，其振幅變化情況為：變小—變小—變大—變大，透射率由0.813 7—0.996 9—1.003 0—1.186 3。在空的太赫茲微流控芯片中，太赫茲首先由氮?dú)狻⒉ＡА獨(dú)狻⒉ＡА獨(dú)?，按物質(zhì)折射率來看：由光疏—光密—光疏—光密—光疏，其振幅變化情況為：變小—變大—變小—變大，透射率由0.813 7—1.186 3—0.813 7—1.186 3。進(jìn)而在太赫茲頻域譜上觀測到了微流控芯片中有載基液時的信號強(qiáng)度大于沒有載基液時信號強(qiáng)度的現(xiàn)象，如圖6所示。

表1 部分物質(zhì)的折射率表

圖6 裝有載基液的微流控芯片(a)與空的微流控芯片(b)的信號強(qiáng)度變化示意圖

3 結(jié) 論

利用自制的太赫茲微流控芯片和自主搭建的THz-TDS系統(tǒng)，研究了磁流體的組成部分-載基液的太赫茲透射特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，太赫茲波在透過注有載基液的微流控芯片時的信號強(qiáng)度大于空的微流控芯片的信號強(qiáng)度，然后利用透過率和坡印廷矢量公式對該現(xiàn)象進(jìn)行了解釋，表明雖然太赫茲的幅度有所增加，但是總的能量并沒有增加。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致，因此證實(shí)了利用此微流控芯片研究磁流體的組成部分-載基液的太赫茲透射特性的可行性，也為深入研究磁流體及其組成部分的太赫茲其他特性提供了技術(shù)支持。