太赫茲微流控芯片用于載基液的太赫茲光譜特性研究

太赫茲（Terahertz，THz），是指頻率在0.1-10THz之間，波長(zhǎng)在30-3000μm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，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(cè)、生物化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有著深遠(yuǎn)的影響。

目前，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，但是有關(guān)鐵磁材料的太赫茲特性報(bào)道相對(duì)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。由于磁流體成本較高，因此需采用一種樣品消耗少、檢測(cè)速度快的檢測(cè)方法。微流控技術(shù)對(duì)檢測(cè)樣品消耗少、檢測(cè)速度快，并且可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求自行設(shè)計(jì)溝道，因此是一種便捷的、靈活性好的檢測(cè)方式。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，首都師范大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一種太赫茲微流控芯片，并利用太赫茲時(shí)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，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。相關(guān)研究成果發(fā)表于《光譜學(xué)與光譜分析》期刊。

實(shí)驗(yàn)中的太赫茲時(shí)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(shí)裝置和太赫茲輻射探測(cè)裝置。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(tái)后被耦合進(jìn)光纖式光電導(dǎo)天線，用來產(chǎn)生太赫茲波；另一路作為探測(cè)脈沖，經(jīng)過透鏡會(huì)聚后，被耦合進(jìn)光纖式光電導(dǎo)天線，用來探測(cè)太赫茲波。注有載基液的微流控芯片放在兩個(gè)離軸拋面鏡中間，當(dāng)太赫茲波透過時(shí)會(huì)攜帶載基液的信息，然后由探測(cè)天線進(jìn)行接收，最后由鎖相放大器對(duì)信號(hào)放大并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。

圖1 實(shí)驗(yàn)光路圖

微流控芯片的制作

采用兩片尺寸為3cm × 3cm × 2mm的石英玻璃作為基片和蓋片，然后在厚度為50μm的3M雙面膠上刻出長(zhǎng)寬分別為2cm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(cè)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(cè)，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24h，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環(huán)烯烴共聚物（COC）制作的相比，其價(jià)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(cè)開辟了新的路徑。

圖2 微流控芯片制作流程示意圖

載基液的太赫茲光譜特性 磁流體是由Fe?O?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(zhǎng)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(shí)域光譜系統(tǒng)中，得到太赫茲時(shí)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(gè)反常的現(xiàn)象，即裝有載基液的微流控芯片的太赫茲時(shí)域光譜和頻域光譜的信號(hào)強(qiáng)度均高于空微流控芯片的信號(hào)強(qiáng)度。

圖3 載基液的太赫茲時(shí)域譜

圖4 載基液的太赫茲頻域譜

接著，研究人員利用透過率和坡印廷矢量公式對(duì)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。

審核編輯：郭婷