太赫兹微流控芯片用于载基液的太赫兹光谱特性研究

太赫兹（Terahertz，THz），是指频率在0.1-10THz之间，波长在30-3000μm之间的电磁辐射。太赫兹波段位于电磁波谱中的微波和红外波之间，其具有低能性、相干性、宽带性、瞬态性等特点，使得太赫兹在通信、医学成像、无损检测、生物化学技术领域有着深远的影响。

目前，太赫兹技术的应用在许多领域都取得了很大进展，但是有关铁磁材料的太赫兹特性报道相对较少。磁流体是一种新型的功能材料，它打破了传统磁性材料的固态，成为一种液体状态。它是一种由磁性纳米粒子在载基液中组成的胶状悬浮液，其光学和磁光（MO）特性已在光频范围内被广泛研究。由于磁流体成本较高，因此需采用一种样品消耗少、检测速度快的检测方法。微流控技术对检测样品消耗少、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。

据麦姆斯咨询报道，近期，首都师范大学的研究人员设计了一种太赫兹微流控芯片，并利用太赫兹时域光谱系统，研究了磁流体的组成部分——载基液的太赫兹透射特性，为进一步研究磁流体这一新型的功能材料开辟了新的途径。相关研究成果发表于《光谱学与光谱分析》期刊。

实验中的太赫兹时域光谱系统包括飞秒激光器、太赫兹辐射产生装置、延时装置和太赫兹辐射探测装置。实验光路如图1所示，自锁模飞秒激光器输出的飞秒脉冲激光先后经过半波片和PBS分束镜后分成两束，一束作为泵浦脉冲，经机械平移台后被耦合进光纤式光电导天线，用来产生太赫兹波；另一路作为探测脉冲，经过透镜会聚后，被耦合进光纤式光电导天线，用来探测太赫兹波。注有载基液的微流控芯片放在两个离轴抛面镜中间，当太赫兹波透过时会携带载基液的信息，然后由探测天线进行接收，最后由锁相放大器对信号放大并由计算机进行数据采集和处理。

图1 实验光路图  

微流控芯片的制作

采用两片尺寸为3cm × 3cm × 2mm的石英玻璃作为基片和盖片，然后在厚度为50μm的3M双面胶上刻出长宽分别为2cm的方形区域，再将双面胶和基片、盖片相粘合，最终制成微流控芯片，制作过程如图2所示。为了检测由石英玻璃制成的太赫兹微流控芯片的透过率，先将未加入载基液样品的芯片放入光路中，利用THz-TDS系统检测，发现其透过率保持在85%以上，具有较高的透过率；之后又将载基液样品从进液口注入芯片当中，静置24h，发现其不与微流控芯片发生反应，因此这种太赫兹微流控芯片为研究载基液的太赫兹透射特性打下了基础。用石英玻璃制作的微流控芯片与用环烯烃共聚物（COC）制作的相比，其价格更低，因此这为许多与COC发生反应的有机液体的检测开辟了新的路径。

图2 微流控芯片制作流程示意图

载基液的太赫兹光谱特性  磁流体是由Fe₃O₄和载基液（由矿物质油组成的有机溶液）构成的，矿物质油是由长链烷烃和基础油混合而成的。在氮气环境下，分别将一片石英玻璃、两片石英玻璃、制作好的空微流控芯片以及装满载基液的微流控芯片依次放入太赫兹时域光谱系统中，得到太赫兹时域光谱，如图3所示；经傅里叶变换得到太赫兹频域光谱，如图4所示。经多次实验发现了一个反常的现象，即装有载基液的微流控芯片的太赫兹时域光谱和频域光谱的信号强度均高于空微流控芯片的信号强度。  

图3 载基液的太赫兹时域谱  

图4 载基液的太赫兹频域谱

接着，研究人员利用透过率和坡印廷矢量公式对该现象进行了解释，表明虽然太赫兹的幅度有所增加，但是总的能量并没有增加。该实验结果与理论分析一致，因此证实了利用此微流控芯片研究磁流体的组成部分——载基液的太赫兹透射特性的可行性，也为深入研究磁流体及其组成部分的太赫兹其他特性提供了技术支持。

审核编辑：郭婷