低温液态水的太赫兹吸收特性研究

王国阳， 孟庆昊， 邵思雨， 叶 萍， 苏 波， 张存林

首都师范大学物理系， 太赫兹光电子学教育部重点实验室， 太赫兹波谱与成像北京市重点实验室，北京成像理论与技术高精尖创新中心， 北京 100048

引 言

太赫兹波也叫作T射线， 是指频率在0.1～10 THz范围内的电磁辐射[1-5]。 当前， 很多研究表明， 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[6-9]， 这为利用太赫兹波对生物分子进行识别提供了理论依据。 Fischer等研究了在0.5～4.0 THz频率范围内四种含氮核碱基(腺嘌呤(A)、 鸟嘌呤(G)、 胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T))的FIR介电函数， 并在300 K温度下以及0.5～3.5 THz的频率范围内对相应核苷dA， dG， dC和dT进行了频谱测量[10]。 Upadhya等将THz-TDS系统应用于葡萄糖粉末(固体)的测量， 并分别绘制了葡萄糖的两种立体异构体(L-葡萄糖和D-葡萄糖)的太赫兹吸收光谱， 发现D-葡萄糖在1.45和2.1 THz处有明显的吸收峰， 在1.26 THz处有一个较小的吸收峰， 而 L-葡萄糖在1.45 THz处有一个尖峰， 在2.12 THz处有一个宽的特征吸收峰[11]。 Nishizawa等使用GaP太赫兹波发生器在0.5～4 THz频率范围内对4种核碱基的多晶粉末进行了太赫兹光谱测量， 发现4种核碱基的多晶粉末在0.5～4 THz频率范围内具有明显不同的特征光谱， 从而可以对这几种核碱基的多晶粉末识别和区分[12]。 Globus等使用分子动力学方法模拟了4种miRNA的太赫兹吸收光谱， 发现其中有3种miRNA在0.39 THz处有明显的吸收峰， 同时， 他们还测量了卵巢癌细胞SK-OV3和ES-2的太赫兹吸收光谱， 发现它们在0.39 THz处也有明显的吸收峰， 因此认为miRNA在卵巢癌形成过程中扮演了非常重要的角色[13]。 Vaks等利用自洽声子近似方法对DNA的振动特性进行了理论计算， 发现在太赫兹波段内， DNA的吸收峰之间的距离与DNA链的长度成反比， 吸收峰的位置与DNA的螺旋周期相关[14]。 以上研究都是对固态样品进行的模拟仿真和实验测试， 分析它们在太赫兹频率范围内的吸收光谱， 可以对不同的样品进行识别。 不过， 生物分子一般都是存活于液态环境中， 以上研究都只报道了对固体样品的研究， 缺乏对液体样品的相关说明。

水是生物介质中最重要的液体， 生物分子与液态水之间的相互作用决定了生物的活性， 涉及很多生物现象[15]， 因此研究液态水的太赫兹特性就显得非常有意义。 水作为极性液体， 液体中偶极分子-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， 从而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更加困难。 微流控技术可以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， 以减小太赫兹波与液体样品的作用距离， 进而使水对太赫兹波的吸收大幅减小。 张赟佳等设计了一种新型的微流控-超材料集成多带太赫兹传感器， 利用CST模拟了该传感器在检测不同浓度乙醇水溶液时的反射谱。 结果表明， 随着乙醇水溶液浓度的升高， 可以观察到反射谱中四个共振峰的反射率逐渐减小， 峰位逐渐蓝移[16]。 武亚雄等制作了微流控芯片， 在0.1～1 THz范围内研究了几种电解质溶液的太赫兹光谱， 发现不同电解质对水中氢键的作用是不同的[17]。 以上研究都是利用微流控技术对液态样品进行的实验研究， 从实验结果中可以看出， 微流控芯片不但可以作为液态样品的载体， 而且还可以控制样品的数量， 为深入研究生物分子与水分子间的动态特性提供了技术支持。 但是， 以上研究所制备的微流控芯片存在太赫兹透过率不够高、 制作时间长和漏液等缺点， 对实验造成了一定程度的影响。

在对水的太赫兹吸收特性研究中， 除了它们之间的作用距离外， 还有许多外界因素也会影响水对太赫兹的吸收， 比如不同温度， 外加电场， 外加磁场等， 这些外界因素会对水中的氢键网络和分子间的相互作用产生影响， 使得水对太赫兹的吸收能力发生变化。 Zelsmann对0.4， 20.2， 38.7， 57.2和81.4 ℃温度下的水进行了太赫兹测量， 发现随着温度的增大， 水对太赫兹的吸收增大； 另外他是将水置于两硅片之间， 密封后进行测量的， 该方法会导致装置中水的厚度较大且不均匀； 此外， 硅片对太赫兹也有将近一半的吸收， 从而降低了探测的灵敏度[18]。 Ronne等报道了重水和水从过冷状态到接近沸点的温度依赖性介电弛豫动力学特性， 以便了解水的温度依赖性、 同位素移动和弛豫时间， 不过他们的液体装置也是利用硅片制作， 所以会使太赫兹的透射强度降低[19]。 在以上的研究中， 只测量了几个温度下水的太赫兹吸收特性， 温度跨度较大， 没有研究低温液态水的太赫兹吸收特性， 而且液体装置材料的选取和水厚度的控制是他们的一大缺点。 本文采用对太赫兹波具有高透过率的Zeonor 1420R材料制作夹心式微流控芯片， 该材料没有特征吸收峰且对可见光透明， 该微流控芯片可以将水的厚度均匀地控制在50 μm， 而且该芯片具有制作简单、 不漏液和可重复使用等特点， 在很大程度上节约了芯片的制作时间， 降低了成本。 另外自制了一套制冷系统， 该系统能以0.1 ℃的精度对水制冷并保持恒温。 将微流控芯片放置于制冷系统中， 利用太赫兹时域光谱系统， 在8～-3 ℃温度范围内每隔1 ℃进行一次测量， 得到了不同温度下水的太赫兹透过率谱图， 定性研究了低温下液态水的太赫兹吸收特性。

1 实验部分

1.1 实验光路

本研究使用太赫兹时域光谱系统对液态水进行太赫兹检测， 用作光源的光纤飞秒激光器的中心波长为1 550 nm， 脉宽为75 fs， 频率为100 MHz， 功率为130 mW。 激光由激光器发出后被分光棱镜分为两束光， 一束光作为泵浦光， 经机械平移台延时后被耦合进太赫兹产生天线， 用来产生太赫兹波； 另一束光作为探测光， 被耦合进太赫兹探测天线， 用来探测太赫兹波。 太赫兹产生天线发射的太赫兹波经一个离轴抛物面镜聚焦后入射进保温箱， 经注满液态水的微流控芯片透射后从保温箱射出， 再经一个离轴抛物面镜聚焦后， 由探测天线接收并输入锁相放大器进行放大， 最后利用计算机进行数据采集和处理， 实验光路图如图1所示。

图1 实验光路图

1.2 微流控芯片

本研究制作的夹心式微流控芯片， 主要材料为Zeonor 1420R， 该材料对太赫兹波的透过率高达95%， 其本身没有特征吸收峰且对可见光透明， 是制备微流控芯片的最佳材料。 关于微流控芯片的制备， 首先使用一块Zeonor 1420R作为基板， 使用厚度为50μm的双面胶作为中间层， 对双面胶进行剪切处理， 制作出长度、 宽度、 深度分别为2 cm， 5 mm和50 μm的液体通道， 再使用一块Zeonor 1420R作为盖板， 将三者进行键合， 微流控芯片的制备过程如图2所示。 该夹心式微流控芯片制作方式简单且不漏液， 可以节约制作时间， 另外该芯片很容易拆卸清洗， 可重复利用， 避免了材料的浪费， 极大地减少了制作成本。 为了测试温度的变化会不会导致微流控芯片的太赫兹透过率发生改变， 在实验前对其进行制冷处理并测量了其太赫兹透过率， 发现该芯片的太赫兹波透过率在8～-3 ℃的温度范围内并没有发生变化， 这一结果为本次实验利用微流控芯片研究该温度范围内液态水的太赫兹吸收特性打下了基础。

图2 微流控芯片制作示意图

1.3 制冷系统

首先设计制作了一个制冷系统， 用于对微流控芯片中的液态水进行制冷处理。 该制冷系统由制冷片、 散热模块、 温度传感器、 保温箱和温度控制器构成， 所设计的制冷系统如图3所示。 保温箱的主要材料是泡沫， 而泡沫材料对太赫兹波的透过率几乎达到百分之百， 在实验中不会造成太赫兹波的损耗。 制冷片的工作状态由温度控制器控制， 制冷片的导热面在均匀涂抹了导热硅脂后与散热模块相连， 在制冷过程中制冷片导热面的热量会通过散热模块扩散到空气中； 制冷片的制冷面被密封在保温箱内， 在制冷过程中会对保温箱内部环境进行制冷。 温度传感器连接着温度控制器， 将温度传感器放置在保温箱内， 可以实时监测保温箱内部环境的温度并显示在温度控制器的屏幕上。 在实验过程中， 先往微流控芯片注满水， 然后将其固定在保温箱内。 制冷片会持续给保温箱内部环境进行制冷， 同时， 微流控芯片中的水的温度也会随环境温度的下降而下降。 当温度传感器检测到的温度达到目标制冷温度时， 温度控制器会控制制冷片停止制冷； 当温度高于目标温度时， 温度控制器会控制制冷片再次制冷， 从而达到保温箱的环境温度恒定的目的， 该制冷系统的温度控制精度为0.1 ℃。

图3 制冷系统示意图

1.4 方法

将注满水的微流控芯片固定在保温箱内， 然后把保温箱置于光路中， 调节保温箱的位置使得太赫兹波能透过微流控芯片中的水。 利用制冷系统对保温箱内部环境进行制冷， 温度的变化范围为8～-3 ℃， 每隔1 ℃进行一次太赫兹透射测量。 所测得的不同温度下水的时域谱如图4所示； 将测得的样品信号进行傅里叶变换得到频谱图， 如图5所示； 最终得到的不同温度下水的太赫兹透过率谱图， 如图6所示。

图4 不同温度下的水的太赫兹时域图

图5 不同温度下的水的太赫兹频谱图

图6 不同温度下的水的太赫兹透过率谱图

2 结果与讨论

众所周知， 水的温度达到冰点以下时， 需要凝结核才能结冰， 本次实验所用样品为去离子水， 且在实验过程中保温箱维持静止状态， 因此水在0～-3 ℃时依然是液态。 通过对实验结果分析发现随着温度的降低， 信号的幅值不断增大， 水的太赫兹透过率不断增大， 这是因为在液态水中， 随着温度的降低， 水分子的活性降低， 偶极分子-偶极分子间的相互作用减弱， 使得对太赫兹的吸收减小， 从而导致在8～-3 ℃范围内， 随着温度降低， 水对太赫兹的吸收能力减弱， 这与Zelsmann所得出的结论一致[18]。 另外， 液态水在4 ℃理应有一个反常膨胀现象， 此时， 液态水的体积最小， 密度最大， 水分子大多数以(H2O)2和(H2O)3等缔合分子形式存在， 分子间氢键数量极速增多。 由于氢键数量的增加会增大水对太赫兹的吸收， 导致水在4 ℃时相较于5 ℃的太赫兹透过率会降低， 不过在本次实验中并没有观察到该现象， 原因有两个： 一是由于微流控技术的引入， 液态水的体积被控制得很小， 水量较少， 4 ℃时氢键数量增加有限； 二是在温度变化过程中， 偶极分子-偶极分子间的相互作用对太赫兹的吸收占主要地位， 水中氢键对太赫兹的吸收占次要地位， 使得在4 ℃时， 依然只能观察到太赫兹透过率增大的现象。

3 结 论

首先采用对太赫兹波有高透过率的Zeonor 1420R材料和厚度为50 μm的双面胶制备了可方便拆卸且可重复使用的夹心式微流控芯片， 同时， 制作了一个制冷系统， 使用该系统并借助微流控芯片在太赫兹时域光谱系统上对不同温度的水进行了太赫兹透射测量。 根据实验结果可知， 在8～-3 ℃范围内， 随着温度降低， 水对太赫兹波的吸收能力减弱， 这一现象的原因是在液态水中， 随着温度的降低， 水分子的活性降低， 偶极分子-偶极分子间的相互作用减弱， 使得对太赫兹的吸收减小。 另外， 本次实验中并没有观察到4 ℃液态水反常膨胀引起的太赫兹透过率减小的现象， 其原因是微流控芯片限制了液态水的体积， 使得在4 ℃时水分子间的氢键数量增加有限， 而且在温度变化过程中， 水中偶极分子-偶极分子间的相互作用对太赫兹的吸收强于氢键对太赫兹的吸收， 因此水在4 ℃时相较于5 ℃的太赫兹透过率依然增大。 本研究将太赫兹技术与微流控技术相结合， 通过微流控技术减小了太赫兹波与水的作用体积， 定性地研究了水在8～-3 ℃的温度范围内的太赫兹吸收特性， 探究了水在4 ℃时的反常膨胀现象并对于其结果进行了分析。 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。