引用本文
蔡妍, 王佳慧, 白志晨, 苏波, 吴蕊, 崔海林, 张存林. 电场诱导水的太赫兹透射特性研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2021,41(6): 1683-1687.
CAI Yan, WANG Jia-hui, BAI Zhi-chen, SU Bo, WU Rui, CUI Hai-lin, ZHANG Cun-lin. Terahertz Transmission Characteristics of Water Induced by Electric Field[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2021,41(6): 1683-1687.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2021)06-1683-05  
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电场诱导水的太赫兹透射特性研究
蔡妍, 王佳慧, 白志晨, 苏波*, 吴蕊, 崔海林, 张存林
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, 首都师范大学物理系, 北京 100048
*通讯作者 e-mail: subo75@cnu.edu.cn

作者简介: 蔡 妍, 女, 1998年生, 首都师范大学物理系本科生 e-mail: cy348410177@163.com

收稿日期: 2020-06-11 修回日期: 2020-10-21
基金: 国家自然科学基金面上项目(61575131)资助
摘要

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, 所以研究液体环境下生物分子之间的相互作用就非常必要。 然而水分子的转动模式、 振动模式以及和氢键有关的能量均处于太赫兹波段, 从而对其产生强烈的吸收; 另外, 水分子为极性分子, 而极性分子对太赫兹波有强烈的共振吸收, 这就使利用太赫兹技术对生物分子活性进行动态表征产生了困难。 因此在研究溶液中的生物分子与太赫兹波的相互作用时, 最大限度地减小水分子对太赫兹波的吸收就成为近年来的研究热点。 目前, 减少水对太赫兹波吸收的主要方法有: 在溶液样品中加入抑制氢键缔合的离子来减小水对太赫兹的吸收; 通过改变溶液的温度来调节水对太赫兹的吸收; 利用微流控芯片技术, 通过减小被测样品与太赫兹波的作用距离来减小水对太赫兹波的吸收。 另外, 激光的激励、 电场或磁场的处理, 也能改变水对太赫兹波的吸收, 将盛有去离子水的微流控芯片放于电场中, 研究经电场处理不同时间的去离子水对太赫兹吸收强度的影响。 结果发现, 太赫兹波的透射强度随着去离子水在电场当中静置时间的增加而增强, 当在电场中静置60 min时, 太赫兹的频谱强度达到最大, 与空气的频谱强度接近。 由此可以推断外加电场使水分子的偶极矩发生了变化, 从而对整体水分子的振动和转动产生了影响, 并且改变了水中的氢键结构, 导致了太赫兹透射光谱强度的增强。

关键词: 太赫兹; 微流控芯片; 去离子水; 电场; 吸收特性
中图分类号:O433.4 文献标志码:A
Terahertz Transmission Characteristics of Water Induced by Electric Field
CAI Yan, WANG Jia-hui, BAI Zhi-chen, SU Bo*, WU Rui, CUI Hai-lin, ZHANG Cun-lin
Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics, Ministry of Education
*Corresponding author
Abstract

Many biomolecules’ rotation, vibration or the whole vibration mode of the molecular group are located in the terahertz band, so we can use terahertz spectrum technology to detect biomolecules. At the same time, because the photon energy of the terahertz wave is only millivolts, it will not damage the internal structure of molecules, so terahertz time-domain spectroscopy technology has a good application prospect in biological detection. As we all know, most biomolecules can only play their biological activities in the liquid environment, so it is necessary to study the interaction between biomolecules in the liquid environment. However, the rotation mode, vibration mode and the energy related to hydrogen bond of water molecules are all in the terahertz band, so they have strong absorption; in addition, water molecules are polar molecules, and polar molecules have strong resonance absorption for terahertz wave, which makes it difficult to use terahertz technology to characterize the activity of biomolecules dynamically. Therefore, in the study of the interaction between biomolecules and terahertz wave in solution, it has become a research hotspot in recent years to minimize water molecules’ absorption to terahertz wave. At present, the main methods to reduce the absorption of THz wave by water are: adding ions that inhibit hydrogen bond association in solution samples to reduce the absorption of THz wave by water; adjusting the absorption of THz wave by water by changing the temperature of the solution; reducing the absorption of THz wave by water by reducing the distance between the sample and THz wave by using microfluidic chip technology. In addition, the excitation of laser, the treatment of electric field or magnetic field can also change the absorption of THz wave by water. In this paper, a microfluidic chip containing deionized water is put into the electric field to study the influence of deionized water treated by electric field for different time on THz wave’s absorption intensity. The results show that THz wave’s transmission intensity increases with the increase of the standing time of deionized water in the electric field. When standing in the electric field for 60 minutes, the spectrum intensity of the THz wave reaches the maximum, close to that of air. It can be concluded that the applied electric field changes the dipole moment of water molecules, which affects the vibration and rotation of water molecules as a whole, and changes the hydrogen bond structure in water, resulting in the enhancement of the THz transmission spectrum.

Keyword: Terahertz; Microfluidic chip; Deionized water; Electric field; Absorption characteristics
引言

太赫兹波(THz)是指频率在0.1~10 THz范围内的电磁波, 其对应的波长范围是30~3 000 μ m[1]。 许多生物分子(例如: 糖类, 蛋白质, DNA, RNA等)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。 由于太赫兹波的光子能量较低, 仅为毫电子伏量级, 在检测时不会破坏生物分子, 因此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[2]。 对于部分生物小分子可以对其固体粉末进行压片处理, 测量其太赫兹波段的指纹谱信息, 达到分子检测的目的。 颜志刚通过对氨基酸、 维生素与聚乙烯进行混合压片测量, 获得了在太赫兹波段的特征光谱, 发现它们在太赫兹波段具有明显的吸收特性, 可以利用太赫兹波段的指纹谱对其进行鉴别。 杨茜等人分别利用透射式和反射式太赫兹时域光谱系统对压片后不同质量比的褪黑素固体进行检测, 发现其吸收峰与密度泛函理论(DFT)解析得到的吸收峰基本一致[3] , 这些都说明利用太赫兹技术检测固态生物样品的可行性。

众所周知, 大多数的生物分子只有在水溶液中才能维持其生物活性, 因此对水溶液中生物分子之间相互作用的动态特性进行表征就变得非常重要。 Aoki等应用太赫兹时域光谱系统研究了硫酸铵对溶菌酶水化动力学的影响, 结果表明, 硫酸铵增加了水化水的吸收系数, 说明随着硫酸铵浓度的增加, 水化水的动力学变快和水化水分子数减少[4]。 马品等人运用太赫兹光谱技术对不同含水量的天麻药品进行检测[5], 实验结果表明不同含水量的天麻吸收系数随频率的变化不同。 这是由于水分子的转动模式、 振动模式以及与氢键有关的能量均处于太赫兹波段, 从而使水对太赫兹波表现出强烈的吸收特性。 同时H— O— H在水分子中排列不是直线的, 而是存在一定的键角(104.5° ), 其正负电荷不能重合, 所以水分子为极性分子, 极性分子对太赫兹波表现出强烈的共振吸收。 除此之外, 溶液中含有的各种糖类小分子物质, 如动物细胞中的葡萄糖分子、 植物细胞中的蔗糖分子, 都能与自由水结合形成氢键, 限制着水分子在溶液中的极化运动和自由扩散。 而结合水在组织中与糖类、 蛋白质、 淀粉、 纤维、 果胶质等成分的极性基团形成强度较高的氢键, 使其不能自由运动, 从而使利用太赫兹技术研究液态环境中生物分子的动态特性存在一定的困难, 因此在研究生物分子与太赫兹波的相互作用时, 应尽量减少或避免水中氢键的影响。 潘志君等人研究了不同种类的离子对水结构的影响, 发现由于阳离子对水的亲和性效应, 促进氢键伸缩和其他模式下能量的传递从而抑制了原本主导的氢键弯曲运动[6], 由于水分子结构的改变, 其太赫兹的透射特性也会随之改变。 武亚雄等人采用夹心式太赫兹微流控芯片对不同种类及不同浓度的电解质溶液进行了检测, 发现不同的离子对水分子中氢键的影响是不同的[7]。 此外, 微流控芯片还具有制作简单、 检测效率高等特点, 在生化分析领域具有广泛的应用前景。 本文将太赫兹技术与微流控芯片技术相结合, 研究经电场处理后的去离子水对太赫兹波吸收特性的影响, 为进一步了解水分子的微观结构开辟了新的途径。

1 实验部分
1.1 装置及光路系统

实验中所用的太赫兹时域光谱系统主要由飞秒激光器、 太赫兹辐射产生装置、 时间延迟装置及太赫兹辐射探测装置四部分构成。 激光器是北京大学自主研发的自锁模光纤飞秒激光器, 其中心波长为1 550 nm, 脉冲宽度为75 fs, 脉冲功率为130 mW, 脉冲重复频率为100 MHz。 用于产生太赫兹波的光电导天线为BATOP公司生产的bPCA-100-05-10-1550-c-f, 探测太赫兹波的光电导天线为bPCA-180-05-10-1550-c-f, 时间延迟装置为大恒光电股份有限公司生产的电动平移台。

实验光路如图1所示, 光纤飞秒激光器输出的飞秒脉冲激光经偏振分光棱镜后被分为两束, 其中一束作为泵浦脉冲, 经过机械平移台后再通过光纤耦合器进入光纤式光电导天线, 用于产生THz波; 另一束作为探测脉冲, 通过反射镜延长光路使探测路光程与泵浦路光程相等, 最后经光纤耦合器耦合, 进入光纤式光电导天线, 用来探测THz波。 将装有去离子水的微流控芯片放在电场中静置不同的时间, 然后小心地将其放置于两离轴抛面镜的中间, 即太赫兹光斑焦点位置, 通过在芯片前安装小孔光阑来改变太赫兹光斑的大小。 太赫兹发射天线产生的太赫兹波透过芯片后将携带经电场处理后的去离子水的信息, 然后由探测天线接收并输入锁相放大器进行放大, 最后通过计算机进行数据采集和处理。

图1 实验光路图
M1— 5: 反射镜; PBS: 偏振分束镜; λ /2: 1/2波片Fig.1 Experimental light path
M1— 5: Reflector; PBS: Polarization beam splitter; λ /2: 1/2 wave plate

1.2 微流控芯片的制备

实验中所使用的微流控芯片为夹心式微流控芯片, 其键合示意图如图2所示。 由于环烯烃共聚物Zeonor 1420R具有对可见光透明、 机械强度大、 疏水性好、 对太赫兹波具有高透性且自身没有特征峰等优点, 因此选取它作为微流控芯片的窗口材料。 其中, 基片和盖片的尺寸大小均为40 mm× 30 mm× 2 mm。 首先使用超声波清洗机和酒精对窗口材料进行清洗, 然后将聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂按照10∶ 1的比例进行混合, 搅拌至均匀后放入真空抽气机中进行抽气, 待PDMS和固化剂的混合物中没有气泡后将其取出, 用滴管吸取少量PDMS和固化剂的混合物并将其滴在基片和盖片上, 把它们放入匀胶机中进行甩膜。 在甩膜的过程中, 可以通过改变匀胶机的转速来控制膜的厚度。 然后, 借助沟道模具, 分别在基片和盖片上雕刻出微沟道, 再在盖片上制作出进液孔和出液孔, 其直径大小为2 mm。 最后将所制作好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。 在本实验中, 基片和盖片上的PDMS厚度为20 μ m, 所以键合后的微流控芯片上的沟道深度约为40 μ m。

图2 微流控芯片键合示意图Fig.2 Microfluidic chip bonding diagram

1.3 外加电场装置

本实验中所使用外加电场的实验结构装置示意图如图3所示。 实验装置包括开关电源, 一个封装在有机玻璃盒中的ZVS升压电路和一个输出电压为10 000 V的直流高压包。 其电路连接为开关电源与ZVS升压电路相连, 升压电路的另一端与高压包连接, 高压包的输出分别用导线连接两个金属板。 为了保证微流控芯片所处的电场为匀强电场, 两金属片的尺寸远大于微流控芯片尺寸, 并且芯片放置于两金属板的中间。 根据电场强度公式E=U/d, 可以计算出电场强度的大小。 已知直流高压包输出的电压为10 000 V, 加在芯片两侧的金属板之间的距离测得为10 cm, 由此可得到两金属板间的电场强度大小为1 000 V· cm-1。

图3 外加电场实验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of external electric field test device

为了避免水溶液中的离子杂质的影响, 故选用去离子水进行实验。 首先把去离子水注射到微流控芯片中, 然后将其放入外加电场装置中, 静置一段时间以后, 断开电源并将其取出, 放在太赫兹产生天线和探测天线中间, 即太赫兹的中心光斑位置处。 在本实验中通过改变微流控芯片静置在电场中的时间, 来研究电场对去离子水的影响。 分别设置了0(没有电场处理), 10, 20, 40和60 min共5个时间值构成时间梯度, 得到的太赫兹光谱图如图4所示。 从图4中可以看出, 太赫兹的时域谱和频域谱的峰值都随去离子水在电场中静置时间的长短而发生变化, 静置时间越长, 太赫兹透射强度越强。 然后与不注入去离子水的微流控芯片的太赫兹透过强度进行对比, 得到的太赫兹透过率如图5所示。 从图5也可以看出, 随着去离子水在电场中静置时间的增加, 太赫兹的透过率大致呈增大的趋势。 另外, 从图5也可以看出, 静置60 min的去离子水的透过率甚至略微大于1, 这是由于激光器的不稳定、 样品放置位置的不相同以及测量误差造成的。

图4 在电场中静置不同时间去离子水的太赫兹光谱图
(a): 太赫兹时域光谱图; (b): 太赫兹频域光谱图Fig.4 Terahertz spectra of deionized water standing in electric field for different time
(a): Terahertz time domain spectrogram; (b): Terahertz frequency domain spectrogram

图5 在电场中静置不同时间的去离子水的透过率谱图Fig.5 The transmissivity of deionized water with different time in electric field

2 结果与讨论

通过观察在电场中静置不同时间的去离子水的太赫兹时域谱、 频域谱以及透过率谱图, 可以发现, 太赫兹的透射强度随着去离子水静置时间的增加而增加, 其大小的顺序为60 min> 40 min> 20 min> 10 min> 0 min, 其中在电场中静置时间为60 min时, 太赫兹波的透射强度与不注入去离子水的空芯片的强度相当。 说明放在电场中的去离子水随着静置时间的增加, 太赫兹光谱的透射强度逐渐增加, 由此可见外加电场改变了去离子水中水分子的空间结构。 由于水分子是极性分子, 它们之间存在着电偶极的相互作用, 在外加电场的作用下, 水分子会发生极化作用, 偶极矩将沿着外加电场方向发生变化, 当外加的电场场强不同时, 其偶极矩转过的角度也是不同的。 由于水分子中偶极矩角度的改变, 所以对去离子水进行外加电场处理会对整体水分子的振动和转动以及空间结构产生影响[8]。 在均匀电场作用下, 水分子的电偶极子将受到力矩的作用, 其大小由式(1)给出。

M=μ0Esinθ(1)

式(1)中, M是水分子在外加电场作用下受到的力矩; μ 0是水分子的固有偶极矩; θ 为电场强度E与固有偶极矩μ 0之间的夹角。 根据式(1)可以看出, 当水分子的固有偶极矩与电场方向相同时, 水分子具有最稳定的状态[9, 10, 11], 所以沿电场方向上水分子的玻尔兹曼能量分布函数出现最大值。 当外加电场强度很强时, 电场能量能够使水分子中的氢键发生断裂[12], 使水中产生带电离子和自由基团, 并且水分子中原有的团簇结构也随之改变, 大的水分子团逐渐解离成小的水分子团, 甚至产生单个的水分子。 所以随着外加电场强度时间的不断增加, 水中的氢键会遭到破坏, 原有的内部团簇结构也发生改变, 导致实验测得的太赫兹光谱透射强度随时间的增长逐渐增大。 这与陈家森等[13]采用紫外透光率的方法研究电场对水结构的影响得到的结论一致。

3 结论

将太赫兹时域光谱技术与微流控芯片技术相结合, 对经外加强电场处理的去离子水进行检测, 通过对其谱图分析可以发现随着电场处理时间的增大, 其太赫兹的光谱强度逐渐增强, 可见对去离子水进行外加电场处理可以改变水分子的微观结构使其偶极方向发生偏转, 并且对去离子水中的氢键产生了破坏作用。 在接下来的研究中, 将对不同电场强度作用下的去离子水进行实验, 探究电场强度大小对水分子微观结构的影响。 通过对水分子的太赫兹特性的进一步研究, 尽可能的减小水对太赫兹波的吸收作用。

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