微流控是一门利用几十到几百个微米的沟道处理或者操作少量液体的科学和技术, 而微流控芯片是微流控技术实现的主要平台。 目前, 关于太赫兹与微流控芯片相结合的研究已有相关的报道, 例如, Paul A George等^[9]设计了一种用Zeonor 1020R(一种环烯烃共聚物)制作的微流控芯片, 并利用它研究了牛血清白蛋白在0.5~2.5 THz范围内的透射光谱特性, 取得了显著效果。 Fan等^[10]利用基于硅基底的光子晶体阵列微流控器件, 并借助THz技术, 通过监测微流控沟道内乙醇、 丙酮等液体的实时变化情况, 实现了对它们的定量探测。 中国科学院重庆绿色智能研究所Zhang等^[11]设计了一种由玻璃和硅键合而成的微流控芯片, 利用该芯片得到了λ -DNA分子的THz透射谱。

通常, 制作太赫兹微流控芯片的材料需满足对太赫兹波具有高透过率和易于加工的特性。 高阻硅对太赫兹波虽然具有高透性, 但其价格较贵, 质地较脆, 且对可见光不透明, 不能实时观察沟道内的液体样品的动态变化(比如沟道内有无气泡); 聚乙烯(PE)和环烯烃共聚物(COC)Zeonor 1420R都是高分子化合物材料, 也可用于制备微流控芯片。 但是, PE在可见光范围内并非完全透明, 也存在着和高阻硅一样无法实时观察微沟道内液体样品动态变化的缺点。 而环烯烃共聚物Zeonor1420R则具有对可见光透明、 机械强度大、 疏水性好的优点。 本研究首先对厚度同为2 mm的PE和Zeonor 1420R材料在THz-TDS系统下进行了测试, 其透射特性如图1所示。 从图中可以看出PE的平均透过率约为82%, 而Zeonor 1420R在所测频率范围内的透过率可以达到90%以上且没有出现明显的特征峰。 因此, 最终选用Zeonor 1420R作为制备微流控芯片的材料。

图1

Fig.1

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	图1 Zeonor 1420R和PE的透射特性Fig.1 Transmission of Zeonor 1420R and PE

Zeonor 1420R-PDMS-PDMS-Zeonor 1420R夹心式太赫兹微流控芯片的具体制作过程如下, 首先把聚二甲基硅氧烷(PDMS)的预聚物和固化剂按8∶ 1的比例混合并搅拌5 min, 然后将其置于抽气机中抽气30 min, 确保PDMS中没有气泡, 之后分别在Zeonor 1420R基片和盖片上滴少量的PDMS, 并把它们放入匀胶机中进行旋涂处理, 使PDMS均匀地粘贴在基片和盖片上, 通过调节匀胶机的转速和时间来控制PDMS膜的厚度。 其厚度尺寸与匀胶机的转速、 PDMS的密度及粘滞系数有关, 可以通过公式计算得到。 设置匀胶机的低转速为400 r· min^-1, 时间为18 s, 高转速为1 000 r· min^-1, 时间为60 s。 再把覆盖有PDMS膜的基片和盖片放在80 ℃的真空干燥箱中, 1 h后取出, 这时的PDMS已固化, 厚度大约20 μ m。 然后把沟道模具分别放在覆盖有PDMS膜的基片和盖片上, 用手术刀沿着模具上沟道的边缘滑动, 在PDMS膜上刻出微流控沟道形状后用镊子把刻下来的PDMS残片去除, 并在盖片上的相应位置制作进液口和出液口。 沟道模具的材料是有机玻璃, 模具上沟道的形状可以通过AI软件设计后用激光雕刻机进行加工。 最后将所制作的有PDMS沟道的基片和盖片进行氧等离子体处理, 实现基片和盖片的永久键合^[12]。 氧等离子体处理过程如下: 将制作有PDMS沟道的基片和盖片放入等离子刻蚀机腔内, 抽真空后充入氧气反复冲洗真空腔2~3次, 将残余气体排除; 关闭氧气流, 使真空腔的真空度(氧气压力) 达到13.3~40 Pa; 加高压1 400~2 000 V使真空腔内的氧气起辉, 对基片和盖片表面进行氧等离子体轰击40 s左右。 微流控芯片的具体制备过程如图3所示。 由于该芯片的基片和盖片上都有PDMS膜, 属性相同, 在用氧等离子体处理并键合时, 键合强度将大大增加。 微流控芯片的沟道(微流控沟道或微沟道)由进液口、 液体通道、 探测区、 出液口构成, 进样时, 样品从进液口注入, 经液体通道进入探测区进行探测后, 废液再从出液口排出, 其结构示意图如图4所示。 所制作的Zeonor 1420R-PDMS-PDMS-Zeonor 1420R夹心式芯片沟道的深度即为基片和盖片上PDMS膜厚度的和, 大约为40 μ m。 太赫兹微流控芯片除了微流控沟道的深度是一个重要参数外, 其他的沟道参数也要进行设计, 包括进液口和出液口的半径、 探测区域的形状、 进液口到探测区以及探测区到出液口的长度和宽度。 这些参数是根据待测液体的特性来决定的, 如所测生物分子线度的大小等。 沟道模具也是基于这些参数来设计制作的。 在本研究中, 太赫兹微流控芯片的探测区域为圆形, 半径为1.5 mm, 与太赫兹光斑大小基本相同; 进液口和出液口的半径均为1 mm, 它们到探测区中心的距离均为8 mm; 液体通道的宽度为2 mm。

图3

Fig.3

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	图3 Zeonor 1420R-PDMS-PDMS-Zeonor1420R式太赫兹微流控芯片的制作过程Fig.3 Fabrication Process of Zeonor 1420R-PDMS-PDMS-Zeonor 1420R THz Microfluidics chip

图4

Fig.4

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	图4 微流控芯片沟道示意图Fig.4 Sketch Map of microfluidic chip channel

Zeonor 1420R-PDMS-PDMS-Zeonor 1420R夹心式太赫兹微流控芯片具有承压大的优点, 适用于对粘度系数较大的液体进行测量, 这样在进液时就不会因为进液压力过大而导致基片和盖片分离。 但是该芯片有不易清洗、 发生阻塞后无法重复利用的缺点。 为此设计了便于清洗、 可逆封装的Zeonor 1420R-PDMS-Zeonor 1420R夹心式太赫兹微流控芯片, 它适用于对进液压力小、 粘度系数低的液体进行测量。 其制作方法如下: 在Zeonor 1420R基片上滴少量PDMS后采用匀胶机进行旋涂处理, 甩胶速度为低速400 r· min^-1, 持续18 s, 高速为800 r· min^-1, 持续60 s。 甩胶完成后PDMS均匀覆盖在Zeonor 1420R基片上, 烘干后, PDMS膜的厚度约为30 μ m, 此时膜的厚度即为微流控沟道的深度。 然后, 把已在相应位置打了进液口和出液口的盖片放在旋涂有PDMS薄膜的基片上并均匀施力, 保证盖片与PDMS紧贴。 最后, 将芯片再次放入80 ℃的真空干燥箱中, 90 min后取出并恢复至室温即可制得所需要的太赫兹微流控芯片。 其具体制作过程如图5所示, 所述芯片实物图如图6所示。

图5

Fig.5

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	图5 Zeonor 1420R-PDMS-Zeonor 1420R式太赫兹微流控芯片的制作过程Fig.5 Fabrication process of Zeonor 1420R-PDMS-Zeonor 1420R THz Microfluidic chip

图6

Fig.6

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	图6 Zeonor 1420R-PDMS-Zeonor 1420R式太赫兹微流控芯片的实物图Fig.6 Practicality picture of Zeonor 1420R-PDMS-Zeonor 1420R THz Microfluidic chip

将Zeonor 1420R-PDMS-PDMS-Zeonor 1420R夹心式太赫兹微流控芯片放入充有氮气的THz-TDS系统中进行实验, 测试了空芯片以及分别在芯片中注入去离子水、 1, 2-丙二醇及它们在不同体积比时的太赫兹时域光谱, 通过傅里叶变换后得到它们的透射谱图, 如图7所示。 从图中可以看出, 随着芯片中1, 2-丙二醇在混合溶液中比例的不断增大, 透过率不断增强, 芯片中全部注入1, 2-丙二醇的透过率明显大于其混合溶液的透过率, 且各种类型溶液的透过率变化趋势保持一致; 而对于同一溶液而言, 随着频率的增加透过率呈下降趋势。 对于空的微流控芯片, 随着频率的增加其透过率略有下降, 与图1所示的2 mm厚的Zeonor 1420R材料在0.2~2.6 THz的透过率的变化趋势大致相同。 此时, 若忽略微流控沟道的深度, 则微流控芯片的厚度大约为4 mm, 即基片加盖片的厚度, 其透过率高于80%。 从上述实验中可以得到, 该芯片在0.2~2.6 THz内有很高的透过率, 且无明显的特征吸收; 能够将不同浓度的1, 2-丙二醇清晰地分辨出来, 说明该芯片在特定太赫兹范围内可以对生化样品进行光谱分析。

图7

Fig.7

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	图7 太赫兹微流控芯片及注入不同体积比的1, 2-丙二醇在微流控芯片中的透过率Fig.7 Transmission of 1, 2-propanediol with different concentration in THz microfluidic chip

通过对数据进一步研究可得到如下结论, 在同一频率下, THz的透过率与1, 2-丙二醇在溶液中所占的体积比成线性关系, 即1, 2-丙二醇在溶液中占的体积比为a, THz的透过率为b, 则在同一频率下它们的关系应满足b=ka+c(c为常数)。 在不同的频率下, 相对应的k和c各不相同。 文中分别以1.15, 1.85和2.12 THz为例进行说明, 并通过数据拟合的方法分别研究了1, 2-丙二醇溶液中的体积比与透过率的关系, 如图8所示。 由图可知, 在同一频率下, 如果1, 2-丙二醇在其水溶液中的体积比已知, 就可以得到该溶液的透过率。 同样, 如果知道它在某一频率的透过率, 也可计算出1, 2-丙二醇在其水溶液中的体积比。 通过对数据进一步研究发现, 图中曲线的斜率k基本保持不变, 这是由于微流控芯片中溶液的特征吸收基本相同, 并且它们的吸收趋势也是一致的, 只是不同比例混合溶液的透射强度有所不同。 结果表明所制作的夹心式太赫兹微流控芯片可以对不同浓度的有机溶剂进行区分。

图8

Fig.8

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	图8 不同频率下体积比与透射率的关系Fig.8 Relationship between volume ratio and transmission at different frequencies

水对太赫兹的吸收主要是由于水分子之间的特征振动引起, 特别是水分子之间的氢键, 这是因为氢键的键能在太赫兹范围内, 所以会对太赫兹造成强烈的吸收。 在以前的研究中通过加热、 加电场、 加磁场、 激光激励、 加入特定的电解质都可以改变氢键的密度。 通过加入不同的电解质来探究水对THz吸收的影响, 由于电解质溶液的进液压力较小, 所以实验采用Zeonor 1420R-PDMS-Zeonor 1420R夹心式太赫兹微流控芯片。 电解质选用的是氯化钾和碘化钾, 分别研究它们在0.5, 1, 1.5和2 mol· L^-1时的透射特性, 并与去离子水进行对比, 实验结果分别如图9和图10所示。

图9

Fig.9

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	图9 不同摩尔浓度的氯化钾溶液的透过率Fig.9 Transmission of potassium chloride solution with different concentration

图10

Fig.10

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	图10 不同摩尔浓度的碘化钾溶液的透过率Fig.10 Transmission of potassium iodide solution withdifferent concentration

从图9可以看出, 当氯化钾的浓度增加时, THz的透过率逐渐下降; 而图10则相反, 随着碘化钾浓度的增加, 其透过率却在逐步地升高。 表明不同电解质对水分子间的氢键有不同的影响。 由于水分子对THz的吸收主要是由水分子间的氢键造成的^[13], 初步认为氯化钾溶于水形成的离子对水分子之间的氢键有缔合作用, 而碘化钾则对水分子间氢键有破环作用。 此研究结果与王文华等在2010年所报道的一致^[14]。 并与在拉曼以及红外光谱^[15]所测得结果相吻合, 而太赫兹能量(mev)较低, 对所测样品破坏较小, 所以, 在未来生物化学等研究方面将展现出较大的潜力。