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...     

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。     

基于微流控技术的磁流体载基液的太赫兹透射特性研究

太赫兹(THz)是指频率在0.1～10 THz的电磁波,其波长在30～3 000 μm范围内。由于自然界许多小分子的振动、转动等的频率均在太赫兹波段,并且太赫兹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,所以太赫兹技术被广泛地应用于无损检测、生物医学等领域。但是太赫兹在铁磁领域的相关报道还是较少的,因此本研究利用太赫兹时域光谱系统研究了一种新型磁性材料：磁流体的组成部分-载基液的太赫兹透射特性。磁流体是一种兼具液体流动性和固体磁性的新型功能材料,其打破了传统磁性材料的固体形态。磁流体由Fe₃O₄纳米级颗粒以及载基液构成。在前人的研究成果中发现磁性液体不仅具有良好的磁光效应,而且对于一定频率的太赫兹波具有高透射率;另外,在极低频电磁场作用下其可用于医学上的肿瘤治疗,可作为靶向治疗的载药系统。由于磁流体的组成部分-载基液成本较高,因此在实验中运用了微流控技术。微流控技术对检测样品的消耗少、检测速度快,并且可以根据实验需求自行设计沟道,因此是一种便捷的、灵活性好的检测方式。采用对太赫兹波具有高透过率的石英材料制成了夹心式的太赫兹微流控芯片。首先将两块3 cm×3 cm×2 mm的石英玻璃作为基片和盖片,再把强粘黏性双面胶剪刻成镂空样式,形成2 cm×2 cm的方形区域,然后把盖片和基片通过雕刻好的强粘黏性双面胶键合,其沟道厚度为50 μm,可以用于对少量液体的探测,并且可以使载基液呈薄膜状。之后将太赫兹技术和微流控技术相结合,利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统研究了载基液的太赫兹透射特性,通过对太赫兹时域光谱以及频域光谱的研究发现,装有载基液的微流控芯片的信号强度高于空的微流控芯片,这一发现为载基液的应用和深入研究提供了技术支持。     

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。     

电场诱导水的太赫兹透射特性研究

许多生物分子自身的转动、振动或分子团的整体振动模式都位于太赫兹波段内,因此可以利用太赫兹光谱技术对生物分子进行检测.同时又由于太赫兹波的光子能量仅为毫电子伏量级,不会对分子的内部结构造成破坏,所以太赫兹时域光谱技术在生物检测方面具有良好的应用前景.众所周知,绝大多数的生物分子只有在液体条件下才能发挥其生物活性,所以研究...     

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...     

微流控SERS芯片及其生物传感应用

由于微流控芯片具有优异的集成性和灵活的可操作性,基于芯片上的检测方法被大量开发,发展十分迅速。其中,表面增强拉曼光谱（SERS）凭借其超高的灵敏度、独一无二的指纹谱和窄峰宽等特点成为一种广泛采用的检测手段。SERS微流控芯片集SERS检测技术与微流控芯片的优势于一体,一方面为SERS检测方法的重复性和可靠性提供了一个高效平台,另一方面推动了微流控芯片的功能拓展,在生物分子探测、细胞捕获乃至组织模拟等领域具有广阔的应用前景。本文在简要介绍SERS的原理及其生物传感应用的基础上,重点概述了SERS微流控芯片的构建及其在生物传感及检测中的应用,最后探讨了该研究方向存在的问题及发展方向。     

基于太赫兹时域光谱技术的伪色彩太赫兹成像的实验研究

提出了一种伪色彩太赫兹成像技术. 通过引入频域色彩区间积分, 建立了一套基于太赫兹时域光谱技术的伪色彩太赫兹成像系统, 实验分别研究了乳糖和对氨基苯甲酸两种不同白色化学粉末的伪色彩成像和灰度成像, 研究了不同颜色区间定义对伪色彩图像的影响, 讨论了利用不同频率信息成像系统所能达到的空间分辨率. 研究结果表明, 伪色彩成像技术可以将不同的物质信息同时成像在一张太赫兹图像中, 通过不同物质在太赫兹图像中呈现出的颜色差别来区分不同的物质及其分布. 克服了传统的太赫兹灰度成像技术中, 需要多张图像来区分不同的物质的问题, 提高了成像速度, 降低了筛选难度. 利用高频信息进行伪色彩成像, 可以将系统成像的空间分辨率提高到0.4 mm. 伪色彩成像方式可以更直观快捷地显示样品的基本属性, 对于实现太赫兹安检的初检和快速筛选具有重大的现实意义.     

基于电磁场作用增强的超材料吸收体太赫兹微流传感器

为解决因分析物与局部增强电磁场弱相互作用而导致传感器灵敏度偏低的问题,通过引入微流控技术,提出一种基于电磁场作用增强的超材料吸收体太赫兹微流传感器.传感器与太赫兹波相互作用产生磁偶极子共振,在0.4～1.4 THz频段内可产生两个吸收率高于98％的谐振峰.同时,通过集成微流通道,极大促进了分析物与位于法布里-珀罗谐振腔...     

拉西地平的太赫兹光谱实验研究

测量了高纯拉西地平(98%)和拉西地平口服药片(2%)0.5~1.8 THz的太赫兹反射时域信号,并分别提取出二者的吸收谱和折射率谱。通过将纯样品的吸收峰位与CASTEP晶体软件计算得到的吸收线位置进行比较,并用Lorentz线型函数对其中位置相近的吸收峰进行拟合,得到了拉西地平的指纹谱,并从实验上确定了拉西地平的六个特征频率,这些频率分别为0.62,0.78,1.07,1.28,1.63和1.76 THz;由于口服药片中添加了其他大分子物质作为辅料,这些物质带来的吸收本底会对拉西地平的特征峰的识别造成干扰,因此,特征吸收峰数量减少至四个,它们分别是0.62,0.78,1.28和1.63 THz;另外,纯样品和口服药片的折射率谱存在较大差异,这也与口服药中添加的辅料有关。尽管实际的拉西地平口服药片中含有的拉西地平的成分很低,但是,太赫兹指纹谱依然可以将拉西地平的特征频率识别出来。因此,太赫兹时域光谱技术对拉西地平药品的成分检测是十分有效的。     

芳香族氨基酸的太赫兹光谱研究

利用太赫兹时域光谱研究了三种芳香族氨基酸，即酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸，在02—1 6THz波段的光学特性，得到了对应的吸收谱.对比各自的吸收谱发现，酪氨酸和色氨酸分 别在0976THz和1465THz有明显的吸收峰，而苯丙氨酸则没有明显的吸收峰.利用密度泛 函(DFT)理论初步计算表明，氨基酸在THz波段的吸收是由分子转动或扭动造成的，氨基酸的 不同结构造成了它们在THz波段不同的吸收峰位.另外，还得到了三种氨基酸在该波段的折射 率谱并首次定量给出了三种氨基酸在02—16THz波段的平均折射率.酪氨酸、色氨酸和苯 丙氨酸的平均折射率分别为1507，1526和1686.这项研究不仅为研究生物分子结构和 动力学提供了新的理论和实验方法，而且对进一步利用THz时域光谱研究其他生物大分子具 有借鉴意义. 关键词： 太赫兹(THz)时域光谱 芳香族氨基酸 吸收谱 分子动力学     

不同糖类化合物的太赫兹光谱特性

选取对人体有重要作用的三种糖类化合物,采用高分辨率太赫兹时域光谱系统与傅里叶变换红外光谱系统,在较宽的频谱范围内,对样品进行测谱分析;实验发现无水葡萄糖在1.10,1.30,1.45,1.79,1.88,1.97,2.08,2.40,2.55,2.70,2.84,2.96,3.24,3.64和4.23 T Hz频率处存...     

PDMS微流控芯片中焦耳热效应的数值研究

用数值模拟的方法对矩形通道微流控芯片中由于焦耳热效应而产生的温度场分布进行了分析.通过求解耦合的动量以及能量方程,得到了PDMS/PDMS芯片中温度场的瞬态发展过程.对稳定状态下不同缓冲溶液浓度,底片材质以及厚度的芯片中的温度场分布也做了比较和分析.结果表明,相比于PDMS/PDMS芯片,相同条件下PDMS/玻璃芯片中的焦耳热效应会减小很多,而缓冲溶液浓度以及芯片厚度对缓冲溶液的出口平均温度也有显著影响.最后提出了减小焦耳热效应的方法.     

无机盐混合溶液的太赫兹光谱定量分析

太赫兹生物医学是当前光谱研究领域的前沿热点,其主要难点在于如何在有效避免水分干扰的同时,实现复杂生物体系组分的精准分析。太赫兹光谱产生于分子振动的信息,其吸收谱较弱,吸收峰严重重叠,且多组分复杂样品的太赫兹光谱往往不是各组分光谱的简单叠加,难以用传统的峰高、峰面积标定技术进行定量计算。但采用多元校正技术可以方便地实现太赫兹光谱的定量分析,使太赫兹光谱成为一种快速、简便且适用范围广泛的分析技术。以KCl和NaCl的无机盐混合体系为典型研究体系,两种组分的浓度范围均为0.1～2 mol·L-1,浓度间隔为0.1 mol·L-1。获取20组浓度配比不同的混合溶液的吸收系数和折射率,巧妙利用水溶液体系中无机金属离子的水合氢键作用,由此采集无机盐溶液体系的太赫兹时域光谱,提取各组分的特征信息,建立多尺度数据驱动的定量分析模型,有望实现水溶液中无机金属离子的定量分析。针对太赫兹光谱数据规模大、基质干扰强及数据关联复杂等特点,构建复杂二维小波变换、多变量筛选、贝叶斯数据挖掘、深度学习和数据关联性分析技术为一体的算法数据库,由此构建基于多尺度数据驱动的太赫兹光谱解析方法。论文依据正交实验的原则,构建具备良好数据结构特征的混合溶液数据集,引导后续的光谱解析方法准确提取无机金属离子水合氢键信息。在此基础上,发展自适应算法,寻找光谱数据变量与浓度间的关系,并采用变量筛选技术,从原始光谱数据中提取无机盐水合氢键的特征信息,最终构建浓度与特征信息之间的数据驱动模型。计算结果表明,KCl和NaCl组分的预测误差分别为8.0%和9.1%,能有效满足大部分应用的检测精度要求。多尺度数据驱动模型方法充分利用太赫兹光谱信号的时域和频域多尺度特性,实现数据预处理与多元校正的一体化运算以避免重要信息丢失,具备高度自适应特征。因此,基于数据驱动建模的太赫兹光谱分析新方法为太赫兹生物医学研究提供了新思路。     

基于太赫兹光谱检测的危险品模糊识别研究

在采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对7种常见危险品进行实验研究并得到它们在0.2～2.6 THz频率范围的特征吸收谱的基础上,用模糊识别方法对7种常见危险品的太赫兹特征吸收谱进行了训练和识别。将爆炸物RDX(黑索金)、γ-HNIW、DNT(2,4-二硝基甲苯)及毒品MA(甲基苯丙胺)、氯胺酮等的不同特征吸收峰作为模糊聚类分析数据源,利用相关系数法建立模糊相似矩阵,借助传递闭包法获得模糊等价矩阵,形成标准太赫兹吸收光谱模型库,采用极差分析进行数据预处理,计算海明贴近度,识别待检物品为隐蔽在军服后的RDX和毒品MDA(替苯丙胺)。研究结果表明,由分子间相互作用或声子共振模式引起的不同特征吸收是确定危险品类型和种类的依据,用模糊识别可以实现对不同种类危险物品的识别和鉴定,为太赫兹光谱技术用于危险品的检测和识别提供了一种新的有效方法。     

微流芯片中消逝波激励的荧光辐射特性研究

将石英裸光纤植入聚二甲基硅氧烷基片的微流道中,采用沿光纤轴向光抽运、消逝场激励染料分子的方式,在基片微流道中获得均匀的荧光辐射.实验发现,荧光辐射的强度随光纤轴向距离的增加而衰减,光纤包层溶液折射率越大,荧光沿光纤轴向的衰减越突出;包层溶液中染料浓度越大,荧光沿光纤轴向的衰减也越突出;通过选择适当的包层溶液折射率以及染料浓度可以获得沿光纤轴向接近均匀的荧光辐射.用消逝波激励荧光的辐射理论计算了荧光光强沿光纤轴向的变化,计算结果与实验符合较好.在此基础上,设计并制作了一种具有三个通道的聚二甲基硅氧烷基片,通过在三个微流道中分别注入染料浓度均为0.1 mmol的罗丹明640、罗丹明B及罗丹明6 G的乙醇染料溶液,采用沿光纤轴向消逝波光激励方式,在一块聚二甲基硅氧烷基片上同时实现了三个不同波段的荧光辐射.     

微流控芯片流道特征超声C扫描分析

微流控芯片流道宽度处于微米尺度,存在特征辨识困难的问题。该文选取两种具有不同流道宽度和布局的典型微流控芯片,采用超声C扫描技术进行流道特征成像。利用标称中心频率15 MHz、10 MHz和5 MHz聚焦探头实施水浸C扫描检测,并分析中心频率、焦斑直径、扫描步进等关键参数对流道表征的影响。实验结果表明,对于流道宽度200μm的微流控芯片,当探头中心频率不低于10 MHz、扫描步进不超过0.1 mm时,成像分辨力和流道表征效果最佳,且流道中心间距测量误差不超过5%。同时,超声C扫描图像可以反映流道宽度变化,辨识发生堵塞的微流控芯片。     

基于衰减全反射式太赫兹时域光谱技术的食用油光谱特性研究

食用油是人类营养和能量的重要来源,为人体提供必需的脂肪酸,研究食用油在太赫兹波段光学特性,对食用油成分分析及品质评价具有重要价值。衰减全反射式太赫兹时域光谱技术是一种新型的太赫兹时域光谱技术,通过样品与倏逝波的相互作用,获取样品的太赫兹光谱。与透射式或反射式太赫兹时域光谱技术相比,该技术能有效地避免测量食用油等液体样品时样品池对光学参数的影响,并能获得样品的精确光学参数。分别利用透射式太赫兹时域光谱技术和衰减全反射式太赫兹时域光谱技术测量了大豆油的吸收光谱。结果表明,与透射式太赫兹时域光谱技术相比,衰减全反射式太赫兹时域光谱技术能更有效地提取大豆油的吸收系数、吸收峰分布等光学特性。进一步利用衰减全反射式太赫兹时域光谱技术研究了大豆油、核桃油、葡萄籽油在太赫兹波段的光学特性,获得了三种食用油在1~1.8 THz范围内的折射率谱和吸收光谱。利用密度泛函理论计算了食用油中四种主要成分(软脂酸、硬脂酸、油酸和亚油酸)在太赫兹波段的振动、转动模式,理论计算结果同实验测量结果吻合较好。研究表明,在太赫兹波段食用油的吸收峰与所含脂肪酸分子种类与含量有关,其主要来源为脂肪酸分子的低频振动和转动。研究成果对食用油成分定性定量分析及品质检测等具有指导意义。     

基于石墨烯的太赫兹器件研究进展

石墨烯是一种零带隙二维的半导体材料, 具有极高的载流子迁移率, 优异的机械、电学、热学和光学等性能. 在太赫兹辐射源、调制器和探测器件的研究中, 石墨烯材料具有独特的优势. 本文以石墨烯材料在太赫兹辐射源、调制器以及探测器等器件方面的应用为主, 综述了石墨烯太赫兹器件的最新研究进展.