基于微流控芯片的鉀鹽溶液太赫茲光譜特性研究

李青君， 沈 妍， 孟慶昊， 王國(guó)陽(yáng)， 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

檢測(cè)不同生物分子的生物化學(xué)性質(zhì)有很多種方法， 例如拉曼光譜(Raman spectra)、 紅外光譜 (infrared spectroscopy) 和X射線衍射 (diffraction of X-rays) 等。 雖然上述方法各有優(yōu)點(diǎn)， 但是太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)由于其低能， 無(wú)毒、 無(wú)損、 省時(shí)等特性被廣泛應(yīng)用于分子的生物化學(xué)性質(zhì)的檢測(cè)。 近年來(lái)， 太赫茲時(shí)域系統(tǒng)發(fā)展十分迅猛， 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)等諸多領(lǐng)域， 太赫茲時(shí)域系統(tǒng)可以通過(guò)獲取生物分子的振幅和相位信息來(lái)提供足夠的分子級(jí)相互作用的光學(xué)特性[1-4]。 另外， 太赫茲(THz)是一種電磁波， 其頻率范圍為0.1～10 THz， 波長(zhǎng)范圍為3 000～30 μm。 它的波段能覆蓋半導(dǎo)體、 等離子體， 有機(jī)體和生物大分子等物質(zhì)的特征譜， 利用該頻段可以加深和拓展人類對(duì)物理學(xué)、 化學(xué)、 天文學(xué)、 信息學(xué)和生命科學(xué)中一些基本科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)[5-8]， 對(duì)進(jìn)一步研究生化反應(yīng)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體現(xiàn)出來(lái)， 而水對(duì)太赫茲波具有極強(qiáng)的吸收特性， 這主要是因?yàn)闅滏I的影響， 所以如何減少氫鍵的影響成為利用太赫茲技術(shù)研究溶液中生物分子的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[9-11]。 目前已有研究表明電場(chǎng)、 磁場(chǎng)、 激光激勵(lì)和溫度等因素均會(huì)對(duì)水中氫鍵產(chǎn)生影響， 這為利用太赫茲技術(shù)探究水溶液中生物分子的動(dòng)態(tài)特性指明了方向。 微流控(Microfluidics)是指使用微管道處理或操縱微小流體的技術(shù)， 它消耗的樣品量極小， 進(jìn)而減小了水中的氫鍵對(duì)太赫茲的吸收作用。 因此很多科研小組將太赫茲光譜技術(shù)和微流控技術(shù)結(jié)合來(lái)減少氫鍵對(duì)太赫茲的影響， 進(jìn)而用于對(duì)液體樣品的測(cè)試。 2008年， George Paul A等[12]演示了水溶液中生物分子的太赫茲光譜的微流控裝置， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了牛血清白蛋白從0.5～2.5 THz的振動(dòng)模式的吸收光譜， 此研究結(jié)果證明了使用微流控設(shè)備在水溶液中研究生物分子的太赫茲光譜的可行性， 可檢測(cè)的分子量小至10 pmol。 但是該科研小組使用的微流控芯片溝道深度達(dá)到了95 μm， 勢(shì)必會(huì)增加水對(duì)樣品檢測(cè)的影響。 此外， 該課題組使用環(huán)烯烴聚合物(COP： Zeonor 1020R)制作的微流控芯片的尺寸大小為14.5 cm2， 耗費(fèi)較多Zeonor 1020R材料。

使用的微流控芯片的探測(cè)區(qū)溝道的深度僅僅50 μm， 可以有效地減小水對(duì)太赫茲透過(guò)率的影響。 同時(shí)本研究中所制作的微流控芯片是將有機(jī)玻璃和COC材料相結(jié)合制作而成的， 其中兩片COC大小分別為36和64 mm2， 極大地節(jié)省了COC材料的使用。 研究表明， 鉀是人體內(nèi)所含的常量元素， 在人體內(nèi)部， K+有助于神經(jīng)系統(tǒng)傳達(dá)信息， 并且鉀可激活多種酶， 對(duì)肌肉的收縮非常重要， 沒(méi)有鉀， 糖將無(wú)法轉(zhuǎn)化為能量或貯存在體內(nèi)的肝糖中(為新陳代謝提供能量的物質(zhì))， 使肌肉無(wú)法伸縮， 會(huì)導(dǎo)致麻痹或癱瘓。 因此本研究選擇鉀鹽溶液作為檢測(cè)樣品是非常具有實(shí)用價(jià)值的。 總之， 本研究首先利用易于激光雕刻機(jī)加工的有機(jī)玻璃和對(duì)太赫茲波有高透過(guò)率的環(huán)烯烴共聚物(COC)材料制備了雙層內(nèi)嵌式太赫茲微流控芯片， 然后對(duì)相同濃度不同種類的鉀鹽進(jìn)行測(cè)試， 證明了太赫茲技術(shù)與微流控技術(shù)相結(jié)合在研究鉀鹽方面的可行性和重要性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 裝置

實(shí)驗(yàn)光路如圖1所示， 該系統(tǒng)使用的自鎖模光纖飛秒激光器的中心波長(zhǎng)為1 550 nm， 脈寬為75 fs， 脈沖平均重復(fù)率為100 MHz， 脈沖平均功率為130 mW。 飛秒激光脈沖經(jīng)偏振分光棱鏡后被分為兩束， 一束是泵浦脈沖， 另一束是探測(cè)脈沖。 其中泵浦脈沖經(jīng)過(guò)機(jī)械平移臺(tái)后耦合到光纖光導(dǎo)天線(BATOP公司 bPCA-10005-10-1550-c-f)上， 用來(lái)激發(fā)太赫茲波， 而探測(cè)脈沖則耦合到另一光纖光導(dǎo)天線(BATOP公司bPCA-180-05-101550-c-f)上， 用來(lái)產(chǎn)生太赫茲波。 將制作好的雙層內(nèi)嵌COC太赫茲微流控芯片置于太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)中的離軸拋面鏡中間， 太赫茲發(fā)射天線產(chǎn)生的太赫茲波入射到微流控芯片上， 穿透液體樣品后攜上帶樣品的信息， 再由探測(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)的采集和處理。

圖1 實(shí)驗(yàn)光路圖Fig.1 Experimental optical circuit diagram

1.2 高壓電場(chǎng)裝置

外加高壓電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示， 包括電源、 一個(gè)封裝在有機(jī)玻璃盒中的零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)電路和一個(gè)輸出電壓為10 000 V的直流高壓包。 電源與ZVS電路相連， ZVS電路的另一端與高壓包連接， 高壓包的輸出端分別用導(dǎo)線連接兩個(gè)正對(duì)的金屬板。 為了保證微流控芯片所處的電場(chǎng)為勻強(qiáng)電場(chǎng)， 兩金屬片的尺寸為8 cm×15 cm， 大于微流控芯片尺寸結(jié)構(gòu)， 微流控芯片放置于兩金屬板的中間位置， 兩金屬板之間的間距為4 cm， 因此， 電場(chǎng)強(qiáng)度大小為2 500 V·cm-1。

圖2 外加高壓電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖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

本研究采用厚度為2 mm的有機(jī)玻璃制作微流控芯片的基片與蓋片， 使用雕刻機(jī)， 先雕刻出兩片長(zhǎng)和寬都為30 mm的有機(jī)玻璃分別作為基片與蓋片， 再在蓋片中心雕刻出一個(gè)邊長(zhǎng)為6 mm的空心方形與一個(gè)邊長(zhǎng)為8 mm的凹陷方形， 同時(shí)在基片中心雕刻出一個(gè)邊長(zhǎng)為6 mm的空心方形， 并在此空心方形兩側(cè)雕刻出L型液體通道與方形液體槽， 使之與探測(cè)區(qū)液體池連通。 使用數(shù)控銑床， 在基片側(cè)邊銑出兩個(gè)圓柱形通道分別作為進(jìn)液通道與出液通道， 使之與方形液體槽連通。 最后， 打磨出兩片邊長(zhǎng)分別為6和8 mm的方形COC材料， 使其分別內(nèi)嵌至基片中心空心方形區(qū)域與蓋片中心凹陷方形區(qū)域， 利用502膠水進(jìn)行粘合， 然后用亞克力膠對(duì)基片和蓋片進(jìn)行鍵合。 則兩片COC材料包裹的中間部分即為探測(cè)區(qū)液體池， 經(jīng)過(guò)測(cè)試， 此方法制作的微流控芯片氣密性良好， 不存在漏液現(xiàn)象。 微流控芯片的制備流程如圖3所示。

圖3 微流控芯片示意圖Fig.3 Schematic diagram of microfluidic chip

1.4 方法

首先取固體樣品KCl， K2CO3， KHCO3， K2SO3和CH3COOK五種樣品， 配置成溶質(zhì)含量適宜的濃度， 即0.9 mol·L-1。 使用注射器將配置好的樣品注入微流控芯片的液體池中， 固定好微流控芯片的位置， 然后使用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)。 依次對(duì)KCl， K2CO3， KHCO3， K2SO4和CH3COOK五種溶液進(jìn)行探測(cè)。 為了防止上一個(gè)樣品對(duì)下一個(gè)樣品的干擾， 在更換樣品前， 微流控芯片都要用去離子水進(jìn)行多次沖洗， 最后將五種樣品的太赫茲譜圖與去離子水的進(jìn)行對(duì)照， 如圖4所示。

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

通過(guò)觀察五種鉀鹽溶液的光譜強(qiáng)度， 發(fā)現(xiàn)這五種鉀鹽溶液的光譜強(qiáng)度均低于蒸餾水的光譜強(qiáng)度， 且五種鉀鹽溶液的光譜強(qiáng)度的順序?yàn)椋?KCl>K2CO3>K2SO4>CH3COOK >KHCO3。

此外， 再次配置0.9 mol·L-1的五種鉀鹽溶液， 然后放入電場(chǎng)中靜置處理， 靜置時(shí)間分別為0， 5， 10， 15和20 min。 之后利用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試， 測(cè)得其時(shí)域光譜， 經(jīng)傅里葉變換后得到0.1～0.6 THz范圍內(nèi)的頻域譜， 最后經(jīng)計(jì)算得出吸收系數(shù)譜。 處理數(shù)據(jù)后實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖5—圖9所示。

圖5 外加不同時(shí)間電場(chǎng)的KCl溶液的吸收系數(shù)譜圖Fig.5 Spectrum of absorption coefficient of KCl solution under applied electric field of different time

圖6 外加不同時(shí)間電場(chǎng)的K2CO3溶液的吸收系數(shù)譜圖Fig.6 Spectrum of absorption coefficient of K2CO3 solution under applied electric field of different time

圖7 外加不同時(shí)間電場(chǎng)的K2SO4溶液的吸收系數(shù)譜圖Fig.7 Spectrum of absorption coefficient of K2SO4 solution under applied electric field of different time

圖8 外加不同時(shí)間電場(chǎng)的CH3COOK溶液的吸收系數(shù)譜圖Fig.8 Spectrum of absorption coefficient of CH3COOK solution under applied electric field of different time

圖9 外加不同時(shí)間電場(chǎng)的KHCO3溶液的吸收系數(shù)譜圖Fig.9 Spectrum of absorption coefficient of KHCO3 solution under applied electric field of different time

通過(guò)觀察五種鉀鹽溶液的吸收系數(shù)的變化情況， 可以發(fā)現(xiàn)五種鉀鹽溶液隨著外加電場(chǎng)時(shí)間的增加， 其對(duì)太赫茲的吸收是逐漸減小的， 吸收系數(shù)與在電場(chǎng)中靜置時(shí)間的關(guān)系為： 0 min>5 min>10 min>15 min>20 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 離子水化對(duì)鉀鹽溶液太赫茲透射特性的影響

水主要以三種狀態(tài)存在： 游離氫鍵水、 結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水。 研究表明， 水對(duì)提高電導(dǎo)率、 控制離子物質(zhì)的擴(kuò)散速率有極大的影響。 水分子的振動(dòng)模式由低頻模式(LFM)和高頻模式(HFM)組成。 LFM包括水分子的彎曲(圖10中放大部分的雙箭頭)和分子間振動(dòng)(圖10中放大部分的彎曲箭頭)。 由于太赫茲波的能量比較低， 所以可以被水分子的LFM吸收[13-16]。

圖10 水分子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Schematic diagram of water molecular substructure

圖4所示為摩爾濃度為0.9 mol·L-1的KCl溶液、 K2CO3溶液、 KHCO3溶液、 K2SO4溶液、 CH3COOK溶液以及蒸餾水的太赫茲透射頻譜示意圖， 其中五種電解質(zhì)溶液有相同的陽(yáng)離子， 即K+。 通過(guò)觀察各溶液的光譜信息， 發(fā)現(xiàn)這五種鉀鹽溶液的光譜強(qiáng)度均低于蒸餾水的光譜強(qiáng)度。 由于水對(duì)太赫茲波的吸收主要是因?yàn)樗肿娱g氫鍵的影響， 因此可以判定這五種鉀鹽溶液均不同程度地促進(jìn)了水分子間氫鍵的形成， 從而降低了太赫茲光譜的強(qiáng)度。 水分子間氫鍵締合程度的大小順序?yàn)镵HCO3>CH3COOK>K2SO4>KCl>K2CO3。

2.2 外加電場(chǎng)對(duì)鉀鹽溶液太赫茲透射特性的影響

水動(dòng)力學(xué)本質(zhì)上是由局部氫鍵與周圍水分子的相互作用決定的。 實(shí)驗(yàn)中的五種鉀鹽分子是偶極化溶劑分子， 因此在外電場(chǎng)作用下重組取向， 其取向程度隨電場(chǎng)強(qiáng)度增加最終達(dá)到飽和， 導(dǎo)致溶液的介電常數(shù)減小。 當(dāng)外加電場(chǎng)強(qiáng)度很強(qiáng)時(shí)， 電場(chǎng)能量能夠使水分子中的氫鍵發(fā)生斷裂， 使水中產(chǎn)生帶電離子和自由基團(tuán)， 并且水分子中原有的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)也隨之改變， 大的水分子團(tuán)逐漸解離成小的水分子團(tuán)， 甚至產(chǎn)生單個(gè)的水分子。 此外， 外加電場(chǎng)能夠減弱溶液中氫鍵與非氫鍵的作用， 導(dǎo)致單個(gè)水分子數(shù)增多， 活性增大， 水分子擴(kuò)散系數(shù)增大， 阻礙溶液中的離子成鍵。 所以溶液在外加電場(chǎng)的作用下其太赫茲透射強(qiáng)度增加， 并且隨著時(shí)間的增加， 其太赫茲的透射強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)， 降低了水對(duì)太赫茲波的吸收作用[17-18]。

3 結(jié) 論

利用自制的具有高透過(guò)率的太赫茲微流控芯片探究不同鉀鹽溶液對(duì)太赫茲的透過(guò)率以及外加不同時(shí)間的電場(chǎng)的電解質(zhì)溶液對(duì)太赫茲透射特性的影響， 結(jié)果表明， 相同濃度的不同鉀鹽溶液具有不同的光譜強(qiáng)度， 并且不同的鉀鹽溶液可以不同程度地促進(jìn)水分子間氫鍵的形成， 從而增加了水對(duì)太赫茲波的吸收。 當(dāng)所選鹽的陽(yáng)離子為鉀離子時(shí)， 光譜強(qiáng)度順序分別為K2CO3>KCl>K2SO4>CH3COOK>KHCO3。 在外加電場(chǎng)的作用下， 五種鉀鹽溶液隨著外加電場(chǎng)時(shí)間的增加， 其對(duì)太赫茲的吸收是逐漸減小的， 吸收系數(shù)與在電場(chǎng)中靜置時(shí)間的關(guān)系為： 0 min>5 min>10 min>15 min>20 min， 說(shuō)明溶液中的氫鍵在外加電場(chǎng)的作用下會(huì)受到破壞且破壞作用隨時(shí)間的增加而增強(qiáng)。 本文對(duì)研究水溶液中氫鍵性質(zhì)提供了一種可行、 簡(jiǎn)單、 廉價(jià)的方法。 此外， 這些離子對(duì)水中氫鍵的影響能力可以定量排序， 為研究鉀鹽溶液的太赫茲特性提供一定的參考。