基于微流控芯片的钾盐溶液太赫兹光谱特性研究

许多生物分子的振动及转动能级都在太赫兹波段,因此太赫兹时域光谱技术可以用来探测生物分子。并且由于太赫兹波的光子能量较低,仅为毫电子伏量级,在探测过程中不会破坏生物样品,所以太赫兹时域光谱技术在未来生化检测等研究领域具有非常广泛的应用前景。研究表明,大多数生物分子需要在液体环境中才能充分发挥其生物活性,然而水溶液中的氢键在太赫兹波段会产生强烈的吸收。另外,水分子是极性分子,太赫兹波对极性分子也有很强的共振吸收,这使得利用太赫兹时域光谱技术检测液体环境中的活性生物分子非常困难。因此,许多研究团队将太赫兹时域光谱技术与微流控技术相结合,以减少各种因素对生物分子检测的影响。微流控技术是通过减小微流控芯片中液体池的深度来减少液体样品与太赫兹波的作用距离,从而减少水溶液对太赫兹波的吸收。使用对太赫兹波的透过率高达95%的环烯烃共聚物(COC:Zeonor 1420R)为材料制作了双层微流控芯片,该微流控芯片内部液体池的长度和宽度均为4 cm,深度为50μm。此外,由于在电解质溶液中存在大量自由移动的阴阳离子,所以为了探究电解质溶液中自由移动的阴阳离子对太赫兹透射特性的影响,使用外加电场装置对注入液...     

基于微流控芯片的电解质溶液太赫兹吸收特性研究

由于许多生物分子的振动和转动能级均在太赫兹波段,且太赫兹波具有电子能量低（约4 meV）,不会破坏待测样品的特性,因此可以采用太赫兹光谱技术检测生物样品。然而许多生物分子在液体环境中才能保持其生物活性,需要在盐溶液中来探究酸碱环境对其的影响,以及在盐类缓冲液中研究其生物特性。但水作为极性液体对太赫兹波有强烈的吸收,因此,探究如何减少水对太赫兹吸收的方法非常必要。水对太赫兹的吸收主要因水分子间氢键造成,现阶段最常见的方法是减少水与太赫兹波的作用距离以及破坏水分子间的氢键。利用夹心式微流控芯片在太赫兹时域光谱系统下通过观察光谱强度变化来探究电解质对水分子间氢键的影响,既减少了水和太赫兹波的作用距离,又探究了电解质对水分子间氢键的作用。在微流控芯片中分别加入不同种类以及不同浓度的电解质,通过观察其在0.1～1.0 THz范围内的光谱强度变化来分析不同电解质对水分子间氢键的影响。部分电解质促进氢键的缔合,而另一部分则破坏氢键的形成,在太赫兹光谱范围内表现为光谱强度的变化。若促进氢键的缔合则对太赫兹吸收变大,光谱强度减弱;若破坏氢键的缔合则对太赫兹吸收减弱,光谱强度增加。研究结果发现：在水中加入KCl和KBr时,太赫兹光谱强度增加,表明二者对氢键有破坏作用,使得光谱强度变大;然而当加入MgCl₂和CaCl₂时,太赫兹光谱强度减弱,表明二者对氢键有缔合作用,从而使光谱强度变小。利用太赫兹技术在0.1～1.0 THz范围内研究KCl,KBr,MgCl₂和CaCl₂这四种不同浓度的电解质溶液特性,发现它们只会对光谱强度造成一定影响,不会引入新的特征吸收峰以及对待测样品造成干扰。这对于研究诸如大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等在0.1～1.0 THz范围内有特征吸收谱的生物分子具有一定的实用价值。在溶液中加入所需的电解质并借助微流控芯片不仅可以识别待测样品、研究待测样品的光谱信息、探究其生物特性,而且为进一步推动太赫兹技术在生化方面的应用研究提供了先决条件。     

基于微流控技术的水的太赫兹吸收特性研究

很多生物大分子的特征振动模式和转动模式都位于太赫兹波段范围内,且太赫兹波的低电子能特性使其在实验过程中不会对待测样品造成破坏,所以可以采用太赫兹技术来鉴别生物样品。在许多研究中,生物样品都是溶液状态,溶液中水和其他分子之间的相互作用涉及很多生物现象,所以研究水的太赫兹特性就显得至关重要。众所周知,水分子是十分常见的极性分子,分子间氢键会与太赫兹波发生强烈的相互作用,从而使得水对太赫兹波有很强的吸收作用,导致利用太赫兹技术研究水溶液中生物样品的动态特性变得相当困难。为了解决这一难题,可以引入微流控技术。微流控技术以能精确操控微尺度流体而著称,其沟道深度可以达到50μm甚至更小。由于微流控技术减小了太赫兹波在流体中的传播距离,从而极大地减小了水对太赫兹波的吸收。本研究采用对太赫兹波具有高透过率的Zeonor 1420R材料制成了夹心式微流控芯片,芯片上微沟道的长度、宽度和深度分别为3 cm,4 mm和50 μm,太赫兹探测区的直径为3 mm。在制作微流控芯片时,利用厚度为50μm的强黏性双面胶代替传统夹心式微流控芯片中的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜,使微流控芯片在加热过程中不再有漏液现象。另外,设计了一个温控系统,它由加热片、温度传感器和温控仪构成,该温控系统能够以0.1 ℃的精度控制温度。利用该系统对微流控芯片中的去离子水进行加热,从20～90 ℃每隔5 ℃进行一次太赫兹透射测量,通过对实验数据的分析,发现随着温度升高,水的太赫兹透过率不断减小,说明水对太赫兹波的吸收随着温度的升高而变大。此结果为未来在不同环境温度下利用微流控技术研究液态样品的太赫兹吸收特性提供了先决条件,为未来太赫兹的应用与发展提供技术支持。     

电解质溶液的太赫兹透射特性研究

许多生物大分子的振动和转动能级都在太赫兹波段,且太赫兹波具有光子能量低,峰值功率高的特点,因此用太赫兹技术进行检测,能够从很大程度上保证生物分子不被破坏。然而,大部分的生物分子只有在水溶液中才能保持其生物活性,且水是极性分子,对太赫兹波有强烈的吸收,因此使用常规的太赫兹技术检测水溶液中生物样品的特性存在一定困难。设计了一种具有夹层结构的太赫兹微流控芯片,包含基片、盖片和微通道层,基片和盖片用环烯烃共聚物(COC)和有机玻璃(PMMA)作为材料。COC材料对太赫兹波具有高透性,并且对可见光透明,是制作太赫兹微流控芯片的理想材料,但是价格昂贵且不易获得。为了减少COC的用量,将COC嵌入到基片和盖片的PMMA中,保证太赫兹波能从COC中穿过。COC的直径为5 mm,厚度与PMMA材料一致,都为2 mm,与微通道中心对准。选用厚度为50 μm的强粘性双面胶作为微通道层,将双面胶的中心进行镂空处理作为微通道,其长为3 cm,宽为4 mm。基片、盖片和微通道层紧密粘合在一起构成太赫兹微流控芯片,太赫兹探测区直径为4 mm。将微流控技术与太赫兹技术相结合,减少了样品的消耗量,缩短了太赫兹波与样品的作用距离,为液态样品的检测提供了可能。研究发现,水对太赫兹波的强烈吸收主要是由于水中氢键引起的,而电解质溶液会对水溶液中的氢键产生影响。以电解质溶液为研究对象,分别配置了不同浓度的KCl,K₂SO₄,CuCl₂和CuSO₄溶液,利用太赫兹微流控技术研究了它们的太赫兹透射谱。结果表明：四种电解质溶液的太赫兹透射强度都低于纯去离子水的透射强度,但实验现象也有差别,CuCl₂溶液随浓度增加,太赫兹透射强度增加,而KCl,K₂SO₄和CuSO₄溶液则随着浓度的增加,太赫兹透射强度减小。     

基于太赫兹光谱的氨基酸检测

太赫兹是指频率从0.1到2.0 THz之间的远红外波。与傅里叶红外相比,太赫兹时域光谱能量低,信躁比高,并且无辐射损伤。氨基酸分子的低频振动模式(扭转,集体振动模式和氢键)处在 THz波段。氨基酸是一类重要的生物分子,是组成蛋白质最基本的物质。氨基酸分子以分子间氢键相互连接构成晶体。氨基酸在THz波段比在红外波段体现更多独特吸收特征。到目前为止,已经获得了20种氨基酸分子的太赫兹吸收谱,包括利用太赫兹技术对部分氨基酸的定量分析。氨基酸的太赫兹光谱研究,有利于深层次理解蛋白质/ DNA的低频振动模式及相关生物反应和活性。文章综述了20种氨基酸分子的太赫兹吸收光谱并建立了吸收光谱数据库。总结了太赫兹技术在氨基酸应用方面存在的问题,并对未来发展方向进行展望。     

低温液态水的太赫兹吸收特性研究

太赫兹波的光子能量只有毫电子伏特,远低于各种化学键的键能,因此不会和生物组织发生有害的电离反应;另一方面,由于大部分生物分子转动和振动所具有的特征能量都在太赫兹范围内,所以利用太赫兹波可以对生物分子进行识别。水是生物环境中最重要的液体,生物分子与液态水之间的相互作用决定了其生物活性,因此研究液态水的太赫兹特性就显得十分重要。水作为极性液体,其中的偶极分子-偶极分子间的相互作用和极性分子间的氢键会对太赫兹波产生较大的吸收作用,这就使利用太赫兹技术研究液体环境下的生物分子动力学特性变得相当困难。微流控技术通过改变微流控芯片中液体通道的深度来控制液体样品的厚度,以减少太赫兹波与液体样品的作用距离,从而使水对太赫兹波的吸收大幅减小。利用对太赫兹波的透过率高达95%的Zeonor 1420R材料和双面胶制作了可重复性使用的夹心式微流控芯片,芯片上液体通道的长度、宽度、深度分别为2 cm,5 mm和50 μm。另外,设计制作了一个制冷系统,由制冷片、散热模块、温度传感器、保温箱和温度控制器构成,该制冷系统可以对保温箱的内部环境制冷并在一定程度上保持恒温。在实验过程中,将注满水的微流控芯片置于保温箱中,利用制冷系统对微流控芯片中的水进行制冷处理,从8～-3 ℃每隔1 ℃进行一次太赫兹透射测量,通过对实验数据的分析,发现随着温度降低,水的太赫兹透过率不断增大,说明水对太赫兹波的吸收随着温度的降低而降低。此结果为将来在不同低温环境下利用微流控技术研究液体样品的太赫兹吸收特性打下了基础,为太赫兹在生物领域的应用与发展提供了技术支持。     

夹心式太赫兹微流控芯片

许多生物大分子的振动和转动能级都落在THz波段范围内,因此可以采用THz光谱技术定性地鉴别生物样品。但是大部分生物分子的活性需在液体环境中才能表现出来,而水作为极性物质对THz波具有较强的吸收特性。因此,在THz光谱技术中通常采取各种措施来减少水的影响,以防止水溶液中生物样品的信息被掩盖。该研究设计了两种可利用透射式太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统检测的夹心式微流控芯片,通过减小THz与水的作用距离来减少水对THz的吸收,从而达到高透过率的目的。微流控芯片采用环烯烃共聚物(Zeonor 1420R)作为基片和盖片,聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为沟道夹层,利用THz-TDS系统对该芯片进行了测试,测得该芯片在0.2～2.6 THz频率范围内的透过率可以达到80％以上。在微流控芯片中分别加入去离子水、1,2-丙二醇以及二者在不同体积比下的混合溶液,并测量了它们的透射谱。结果表明,不同比例溶液的THz光谱明显不同,说明该芯片在测量液态样品方面的可行性。此外,用该芯片分别研究了不同浓度的氯化钾和碘化钾溶液,发现氯化钾溶液随着浓度的增加THz透过率减弱,而碘化钾溶液则相反。初步认为,电解质改变了水溶液中的氢键密度,从而导致溶液对THz吸收的改变。     

亮氨酸与异亮氨酸的低频集体振动的太赫兹光谱研究

太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10 THz频段的电磁波。太赫兹光谱技术不同于以往的检测手段,可以用于检测氨基酸同分异构体,反映物质的分子结构和构型,对食品安全和药品药性控制有着重要的意义。亮氨酸与异亮氨酸属于同系的同分异构体,它们具有近似的分子结构,但物理化学性质有很大的差别。生物大分子的太赫兹吸收与其分子间氢键和分子内氢键的振动和转动能级相关的偶极跃迁有关,可以利用分子偶极跃迁进行生物分子的指纹识别。采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)和傅里叶红外光谱(FTIR),对亮氨酸和异亮氨酸进行了测量。在中红外波段亮氨酸与异亮氨酸的吸收光谱几乎完全重叠,而在太赫兹频波段可以观察到它们的光谱存在明显差异,因此太赫兹光谱能够作为快速准确鉴别这两种物质的方法。采用密度泛函理论(DFT)对亮氨酸和异亮氨酸的低频集体振动模式进行理论模拟,并对其太赫兹光谱进行研究和讨论。通过比较实验和理论结果,计算得到的峰位与实验结果可以互相印证。     

结构相似单糖和二糖分子的太赫兹时域光谱研究

应用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术结合密度泛函理论(DFT)对两种结构相似的典型单糖和二糖物质(D-葡萄糖和乳糖一水化合物)在0.3~1.7 THz频段的太赫兹吸收光谱进行了实验与理论模拟研究。首先,利用THz-TDS技术分别测量了D-葡萄糖和乳糖一水化合物在0.3~1.7 THz频段的太赫兹特征吸收谱,获得了它们在此太赫兹频率范围内的指纹光谱数据,发现虽然乳糖的组成结构中含有葡萄糖,但THz-TDS技术对糖类分子的结构变化非常敏感,两种物质在所测太赫兹频段内分别表现出各自不同的太赫兹指纹吸收特性。然后,利用DFT方法分别对两种糖类物质单分子和多分子构型的低频集体振动模式进行了理论模拟计算,获得了D-葡萄糖晶胞构型和乳糖一水化合物单分子及晶胞构型的DFT模拟计算结果,并通过简正振动模式分解的PED分析方法,结合GaussView显示的分子振动形式,对两种糖类物质在太赫兹频段吸收峰的简正振动模式进行了指认,发现乳糖一水化合物的振动模式与羟基(-OH)、羟甲基(-CH₂OH)和糖苷键的振动模式密切相关,且D-葡萄糖在1.44 THz处及乳糖一水化合物在1.38 THz处出现的吸收峰主要是由分子间的相互作用(氢键和范德华力),尤其是相互作用较强的氢键引起。最后,利用约化密度梯度(RDG)分析,可视化地分析了D-葡萄糖和乳糖一水化合物分子间相互作用的位置、类型和强度,进一步证明了两种物质在太赫兹频段的特征吸收峰主要来源于分子间氢键网络支配的集体振动模式。研究结果表明,THz-TDS技术对糖类分子结构的细微变化有着敏锐的感知,虽然D-葡萄糖和乳糖一水化合物的分子结构相似,但太赫兹波对它们之间的结构差异十分敏感,两者在太赫兹波段的特征吸收谱表现出明显差异,这为THz-TDS技术结合DFT方法对糖类物质进行检测识别以及研究糖类分子间的相互作用提供了有价值的实验和理论参考。     

RNA碱基的太赫兹光谱和拉曼光谱特征研究

应用傅里叶红外光谱仪和激光拉曼光谱仪测试了RNA碱基在太赫兹波段(1～10 THz)的红外和拉曼光谱,同时结合Guassian09软件和周期性边界条件下基于能量的分块方法(PBC—GEBF),分析了RNA碱基晶体的红外和拉曼光谱特征,得到了所有特征峰位置及其对应的振动模式,且计算光谱与测试光谱一致吻合,表明碱基粉末样品为无定形晶体结构。通过对红外光谱的分析可知,在太赫兹波段,腺嘌呤和鸟嘌呤都有6个红外活性振动模式,胞嘧啶和尿嘧啶分别为6个和3个红外活性振动模式,与实验结果相比,除了鸟嘌呤6.35 THz处的弱吸收峰没能重现,4.83和5.39 THz处的吸收峰简并;胞嘧啶4.3和4.79 THz处吸收峰简并;尿嘧啶3.32和3.82 THz处的吸收峰简并外,其他吸收峰的位置和强度均被准确地模拟重现。通过对拉曼光谱的分析可知,理论和实验光谱基本一致,除了尿嘧啶3.52和4.48 THz处特征峰简并;鸟嘌呤7.26和8.03 THz,3.57,4.02,4.49,4.89和5.98 THz处特征峰简并外,其他特征峰的位置和强度均被准确的模拟重现。通过对特征峰的分析和辨认,可知在1～10 THz,RNA碱基的振动模式均来源于晶格内分子的集体振动,分子间的氢键和弱相互作用力对振动模式的贡献很大,进一步分析可知,在1～5.5 THz,其振动模式来自所有原子参与的集体振动,在5.5～10 THz,振动模式来自于部分原子参与的集体振动。此项研究对揭示RNA碱基在构成生物大分子结构、生物大分子鉴定以及太赫兹波段光谱的形成机制等方面,具有重要的理论和实际参考价值。     

Effect of external electric field on the terahertz transmission characteristics of electrolyte solutions

We fabricated a microfluidic chip with simple structure and good sealing performance, and studied the influence of the electric field on THz absorption intensity of liquid samples treated at different times by using THz time domain spectroscopy system. The tested liquids were deionised water and CuSO₄, CuCl₂, NaHCO₃, Na₂CO₃ and NaCl solutions. The transmission intensity of the THz wave increases as the standing time of the electrolyte solution in the electric field increases. The applied electric field alters the dipole moment of water molecules in the electrolyte solution, which affects the vibration and rotation of the whole water molecules, breaks the hydrogen bonds in the water, increases the number of single water molecules and leads to the enhancement of the THz transmission spectrum.     

马来酰肼多形态的太赫兹光谱研究

分子的多形态（多晶型）是指化学组成相同但存在不止一种晶体形式的物质。这些多形态广泛存在于自然界中,其中药物的多形态尤其普遍。这些药物多形态虽然具有相同的化学分子组成,但其理化性质却存在差异,最终会导致药物作用功能的不同。近年来,随着太赫兹（THz）辐射源的产生方式成为一种常规技术后,太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）的应用领域逐渐被拓宽。因为THz波不仅与分子内作用模式有关,更与氢键和范德华力等弱相互作用模式密切相关;THz辐射可以诱发低频键振动、晶体声子振动、氢键拉伸和扭转振动,许多有机分子的集体振动模式处于该波段,尤其是药物分子。基于此,采用THz-TDS技术,研究了马来酰肼药物分子两种多形态（MH2和MH3）在0.25～2.25 THz波段的THz吸收谱。通过实验测试,发现MH2和MH3的THz特征吸收峰完全不同,MH2获取到了三个特征吸收峰,分别位于0.34,1.41和1.76 THz;MH3晶型获取两个特征吸收峰,分别位于0.75和1.86 THz处;此结果表明马来酰肼多形态可以通过其THz特征吸收峰进行辨别表征。接着,为了对THz实验吸收峰进行解析,采用固态密度泛函理论(DFT)模拟了马来酰肼的红外吸收模式;在实验和理论频谱数据匹配的情况下,分析讨论了特征吸收峰的来源,发现MH2和MH3的THz吸收峰对其三维空间结构非常敏感,吸收峰均来源于分子间相互作用力。最后,为使药物研究能够与实际应用结合,对马来酰肼的商用药品青鲜素进行了THz光谱测试,通过其与马来酰肼多形态的THz吸收峰比较,发现人们日常使用的青鲜素是MH3晶型。此研究结果表明,THz-TDS技术是一种很有潜力的药物多形态检测工具,此研究有望解决马来酰肼多形态在工业生产及临床应用上检测难的问题。     

DNA碱基分子胞嘧啶和胸腺嘧啶的太赫兹光谱研究

利用太赫兹时域光谱技术获得了DNA碱基分子胞嘧啶和胸腺嘧啶在0.1―3.5 THz的特征吸收谱,发现胞嘧啶在2.53 THz的特征吸收细节信息。采用考虑了周期性边界条件的赝势平面波密度泛函方法对胞嘧啶分子晶体进行了结构优化和晶格动力学计算,模拟重现其太赫兹特征吸收光谱,并成功辨识了胞嘧啶在0.1―3.5 THz的所有特征吸收峰。研究结果表明,这些重要的生物分子在太赫兹频段表现出鲜明的光谱特性,胞嘧啶分子3.5 THz以下的吸收特性均来源于由分子间氢键支配的外振动模式。     

酪氨酸的太赫兹频谱研究

利用太赫兹时域光谱技术探测了室温条件下的酪氨酸样品的频谱响应, 获得了酪氨酸的太赫兹频谱。实验结果表明,酪氨酸在太赫兹波段存在特征频谱响应,可以用来探测分子的结构和振动情况。在获得的太赫兹频谱中,首次观察到0.23和2.46 THz附近存在的吸收峰。用HF方法和DFT计算了酪氨酸单分子和酪氨酸二聚体的太赫兹频谱,对理论计算和实验测量的偏离进行了详细的分析。在0.23 THz处的吸收峰,初步标定为氢键连接的2个酪氨酸分子的面外摇摆振动。     

Low-frequency vibrational modes of glutamine

High-resolution terahertz absorption and Raman spectra of glutamine in the frequency region 0.2 THz-2.8 THz are obtained by using THz time domain spectroscopy and low-frequency Raman spectroscopy. Based on the experimental and the computational results, the vibration modes corresponding to the terahertz absorption and Raman scatting peaks are assigned and further verified by the theoretical calculations. Spectral investigation of the periodic structure of glutamine based on the sophisticated hybrid density functional B3LYP indicates that the vibrational modes come mainly from the inter-molecular hydrogen bond in this frequency region.