引用本文
梁冉, 张欣睿, 丁晨鑫, 苏波, 张存林. 基于微流控技术的磁流体对外加磁场及温度的太赫兹特性研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2024,44(6): 1532-1536.
LIANG Ran, ZHANG Xin-rui, DING Chen-xin, SU Bo, ZHANG Cun-lin. Terahertz Characteristics of External Magnetic Field and Temperature of Magnetic Fluid Based on Microfluidic Technology[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2024,44(6): 1532-1536.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1532-05  
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基于微流控技术的磁流体对外加磁场及温度的太赫兹特性研究
梁冉, 张欣睿, 丁晨鑫, 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
*通讯作者 e-mail: subo75@cnu.edu.cn

作者简介: 梁 冉, 2003年生, 首都师范大学物理系学士 e-mail: 1210602007@cnu.edu.cn

收稿日期: 2021-07-29 修回日期: 2023-11-02
基金: 国家自然科学基金项目(61575131)资助
摘要

磁流体是将超微磁性粒子均匀地分布在载基液中, 形成的胶态液体磁性材料, 它打破了传统固体磁性材料的形态, 是一种同时具有固体磁性和液体流动性的新型材料, 具有非常广泛的应用前景。 目前磁流体已经被应用于医学领域, 已有研究表明, 磁流体可被用于癌细胞的治疗、 细胞的分离以及靶向给药等; 另外, 磁流体还可以应用于密封、 润滑等方面。 太赫兹波是指频率范围在0.1~10 THz, 波长范围在30~3 000 μm的电磁辐射。 由于许多生物分子的振动和转动模式均处于太赫兹波频段, 并且太赫兹波的能量较低, 不会破坏被测物品, 所以太赫兹波可用于无损检测, 是一种安全可靠的测量方法。 微流控技术可用于对极少量液体样品的测量, 具有操作简单、 检测速度快、 节约被测样品等优点。 该研究将太赫兹技术与微流控芯片技术相结合, 通过改变外加磁场的时间和温度, 研究了磁流体的太赫兹时域谱和频域谱的变化情况, 发现在外加不同时间的磁场强度时, 随着时间的增加, 磁流体的太赫兹时域谱图右移, 频域谱图强度下降; 外加不同温度时, 随着温度的增加, 同样出现时域谱图右移, 透射强度降低的现象。 初步认为磁流体中的磁性粒子在外加磁场下聚集定向排列, 随着时间的延长, 近似认为纳米粒子团簇半径增大, 使得太赫兹波不易透过从而使其强度变低; 在温度升高时, 分子热运动加剧, 分子振动和转动加强, 使得太赫兹波不易透过进而强度变低。 由于利用太赫兹研究磁流体特性方面的相关报道较少, 该研究为探究磁流体提供了新的方法; 对外加磁场下的磁流体太赫兹特性的研究可在医学领域的广泛应用, 为太赫兹技术在生物医学方面提供了新的途径, 为磁流体的深入应用和研究提供了技术支持。

关键词: 太赫兹; 磁流体; 微流控芯片; 磁场
中图分类号:O433.1 文献标志码:A
Terahertz Characteristics of External Magnetic Field and Temperature of Magnetic Fluid Based on Microfluidic Technology
LIANG Ran, ZHANG Xin-rui, DING Chen-xin, SU Bo*, ZHANG Cun-lin
Department of Physics, Capital Normal University, Beijing Advanced Innovation Centre for Imaging Theory and Technology, Beijing Key Laboratory for Terahertz Spectroscopy and Imaging, Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics, Ministry of Education, Beijing 100048, China
*Corresponding author
Abstract

Magnetic fluid is a colloidal liquid magnetic material formed by uniformly distributing ultrafine magnetic particles in the carrier liquid. It breaks the traditional form of solid magnetic materials and is a new type of material with both solid magnetism and liquid fluidity, with an extensive range of applications. At present, magnetic fluids have been applied in the medical field, and research has shown that magnetic fluids can be used to treat cancer cells, separate blood vessels and cells, targeted drug delivery, etc. In addition, magnetic fluids can also be applied in sealing, lubrication, and other aspects. Terahertz waves refer to frequencies ranging from 0.1 to 10 THz and wavelengths ranging from 30 to 3 000 μm electromagnetic radiation. Because the vibration and rotation modes of many biomolecules are in the terahertz frequency band, and the energy of terahertz waves is low, they will not damage the tested object. Therefore, terahertz waves can be used for non-destructive testing and are a safe and reliable measurement method. Microfluidic technology can be used to measure tiny amounts of liquid samples, with advantages such as simple operation, fast detection speed, and saving of measured samples. This study innovatively combines terahertz technology with microfluidic chip technology to study the terahertz characteristics of magnetic fluids at different magnetic fields and temperatures at different times. It was found that when a magnetic field was applied at different times, as time increased, the terahertz time-domain spectrum of the magnetic fluid shifted to the right. The intensity of the frequency-domain spectrum decreased. When different temperatures are applied, as the temperature increases, the time-domain spectrum also shifts to the right, and the transmission intensity decreases. It is preliminarily believed that the magnetic particles in the magnetic fluid undergo aggregation and directional arrangement under both external magnetic field and electric field conditions. With the extension of time, the particle spacing decreases, and it is approximately believed that the radius of the nanoparticles increases, making it difficult for terahertz waves to pass through and reduce their intensity. As the temperature increases, molecules' thermal motion intensifies, and molecules' vibration and rotation strengthen, making it difficult for terahertz waves to penetrate and thus reducing their intensity. Due to the lack of relevant reports on using terahertz to study the characteristics of magnetic fluids, this discovery provides a new method for exploring magnetic fluids. The study of terahertz characteristics of magnetic fluids under external magnetic fields can be applied to the medical field. These findings provide a new approach to applying terahertz technology in biomedicine and provide technical support for the in-depth application and research of magnetic fluids.

Keyword: THz; Magnetic fluid; Microfluidic chip; Magnetic field
引言

太赫兹波(THz)是指频率范围在0.1~10 THz, 波长范围在30~3 000 μ m的电磁辐射。 太赫兹波频段介于微波和红外之间, 相比于其他频段的波具有独特的特性, 比如, 许多生物分子和分子基团的转动能级都位于太赫兹波段, 因此可以用太赫兹波对物质进行鉴别[1]; 另外, 太赫兹波的光子能量较低, 只有毫电子伏特, 不会电离被测物体, 所以可以用于无损检测, 并且是一种安全可靠的检测方法[2]。 水对太赫兹波有极强的吸收作用, 所以可以用太赫兹技术分析含水量不正常的细胞。 Reid等测量了30名患者切除的癌组织、 发育不良组织和健康结肠组织在太赫兹波频率范围内的特性, 并建立起区分健康组织和病变组织的模型[3]。 张逸等引入组织芯片技术, 开展了人体胃的正常组织和癌变组织太赫兹检测实验, 对比分析了组织芯片技术配准的实验组与未配准的对照组的太赫兹吸收系数和折射率谱[4]。 这充分说明了用太赫兹波检测癌细胞的可靠性, 肯定和发展了太赫兹波技术的应用。

一种新型磁性材料— — 磁流体近年来也在治疗癌症中取得很大进展, 具有良好的应用前景。 磁流体是一种新型液体磁性材料, 是将纳米磁性粒子经表面活性剂的修饰后均匀分散在水或油中所形成的均质稳定磁性液体[5], 由于其兼具液体流动性和固体磁性, 所以可将磁流体应用在密封、 润滑、 冷却和医学等方面。 日本神户大学医学院用磁流体堵塞输送养分给癌组织的血管, 从而对癌进行治疗[6]。 德国Jordan等提出了磁感应热疗的概念[7]。 磁感应热疗是一种新型的癌症治疗技术, 其利用了肿瘤细胞相比正常细胞更不耐热的特性, 将纳米级的磁流体注入到肿瘤组织, 在外磁场的作用下感应发热, 升温到42 ℃以上并维持一段时间, 进而达到杀死肿瘤而不损伤周围健康组织的目的[8]。 磁流体热疗作为一种新的治疗癌症的方法, 近年来被广泛研究和应用。 将磁流体导入人体进行癌症治疗时, 监控磁流体作用局部的温度, 把控加磁的时间, 区分癌细胞和健康细胞是至关重要的。 本文中所用磁流体由Fe3O4纳米级颗粒以及载基液构成, 在前人的研究成果中发现磁性液体不仅具有良好的磁光效应, 而且对于一定频率的太赫兹波具有高透射率; 并且外加磁场会作用于磁流体中的纳米磁性颗粒, 对太赫兹有调制作用[9]; 另外, 在极低频电磁场作用下其可用于医学上的肿瘤治疗, 可作为靶向治疗的载药系统。 这都为用太赫兹微流控技术研究磁流体的特性提供了依据。

由于治疗时导入人体的磁流体含量是极少的, 一般的化学检测方法不再适用, 且磁流体的组成部分-载基液成本较高, 微流控技术对检测样品的消耗少、 检测速度快、 操作简单快捷, 并且可以根据实验需求自行设计沟道参数, 能够解决对极少量液体的探测问题, 因此在本实验中采用了微流控芯片技术。 范宁等设计了两种可利用透射式太赫兹时域光谱系统检测的夹心式微流控芯片, 其中芯片沟道深度约为40 μ m[10], 这说明微流控芯片对样品的测量可以达到微米量级。 此外, 由于石英晶体对太赫兹波有较高的透过率且不易与被测样品反应, 且可重复利用, 故本研究采用石英材料来制备夹心式太赫兹微流控芯片。 同时, 采用100 μ m的双面胶取代了传统的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜, 保证了微流控通道的均匀性和密封性, 节省了芯片的制备时间。

本研究将太赫兹技术与微流控技术相结合, 通过改变外加磁场的时间和温度, 分析了磁流体的时域谱图和频域谱图, 进而得到了其太赫兹透射特性。 结果发现, 外加磁场可以使磁流体中的磁性粒子聚集并定向排列, 随着磁流体在磁场下暴露的时间越长, 可近似认为纳米粒子的团簇半径逐渐增大; 而温度越高, 分子热运动越剧烈, 分子振动和转动加强。

1 实验部分
1.1 装置及光路系统

实验采用的太赫兹时域光谱系统如图1所示, 主要由飞秒激光、 太赫兹辐射产生装置、 太赫兹检测装置和延时控制系统组成。 飞秒激光通过半波片和PBS晶体后分为两束, 其中一束为泵浦光, 通过机械平移台后被耦合进光纤式光电导天线(BATOP公司bPCA-100-05-10-1550-c-f), 用来产生太赫兹波; 另一束作为探测光, 被耦合进光纤式光电导天线(BATOP公司bPCA-100-05-10-1550-c-f), 用来探测太赫兹波。 用注射器将磁流体注入到微流控芯片中, 并把芯片竖直放在两个离轴抛面镜中央。 光电导天线产生的太赫兹波经过微流控芯片后携带样品信息, 然后由探测天线对其进行探测, 最后经过锁相放大器对信号进行放大后由计算机对数据进行采集和处理。 其中光纤飞秒激光器, 中心波长为1 550 nm, 脉冲重复频率为100 MHz, 脉冲功率为130 mW。

图1 实验光路图Fig.1 Experimental optical path diagram

1.2 微流控芯片的制备

制作微流控芯片的材料通常有石英晶体, 聚乙烯以及环烯烃共聚物。 聚乙烯对可见光不透明, 不能观察到芯片中的液体量。 环烯烃共聚物, 如COC材料虽然对太赫兹的透过率高, 但有机溶剂会对COC造成腐蚀, 损坏芯片, 不可重复使用。 石英晶体对太赫兹波有较高的透过率[11]且不易被腐蚀, 可重复利用, 是优良的微流控芯片材料。 所以本研究用4 cm× 4 cm× 0.2 cm的石英晶体作为盖片和基片。 将厚度为100 μ m的强粘黏性双面胶刻成镂空样式, 盖片和基片通过强粘黏性双面胶进行键合, 镂空部分自然形成深度为100 μ m的微流控沟道。 微流控芯片的制作示意图如图2所示。

图2 微流控芯片制作示意图Fig.2 Schematic diagram of microfluidic chip fabrication

1.3 外加磁场装置

外加磁场装置为多层密绕的线圈构成的电磁铁(外径10 cm、 内径3 cm、 厚度1.5 cm)。 将两个电磁铁竖直、 等高、 平行放置, 把微流控芯片竖直放置于两电磁铁中央, 如图3所示。 由电源给电磁铁供电, 电磁铁中心部分产生强度均匀且水平的磁场。 通过调节电压的大小, 可以实现调节外加磁场的大小; 给电磁铁所加电压和微流控处磁场大小的关系如表1所示。 同时, 太赫兹波可以穿过电磁铁的中空部分, 与样品相互作用, 携带样品信息后由探测天线进行探测。

图3 外加磁场装置示意图Fig.3 Schematic diagram of the external magnetic field device

表1 电压与磁场对应表 Table 1 Voltage and magnetic field mapping table
1.4 温控装置

本研究通过一个精度较高的温控装置来改变磁流体的温度。 温控装置由陶瓷加热片(环形氧化铝陶瓷发热片MCH, 外径40 mm, 内径10 mm, 额定电压12 V)、 铁片(厚度2 mm, 中心孔洞为10 mm)、 温度传感器、 温控仪(ST700智能型PID温控仪, 温度可调范围: 0~400 ℃, 额定电压220 V, 工作频率50~60 Hz)组成。 用导热硅胶将微流控芯片和温度传感器粘在铁片上侧, 将陶瓷加热片粘在铁片下侧, 温度传感器和加热片分别与温控仪相连。 设置一个目标温度, 温控仪控制陶瓷加热片持续升温, 热量通过铁片传导到微流控芯片和传感器处, 当温度达到目标温度, 加热片停止加热, 当温度低于目标温度, 加热片继续加热, 使微流控芯片的温度保持恒定, 图4为温控装置示意图。

图4 温控装置示意图Fig.4 Schematic diagram of temperature control device

2 结果与讨论
2.1 磁流体在外加不同时间磁场中的太赫兹特性

本研究的磁流体由纳米级Fe3O4颗粒和载基液(矿物油组成的有机溶液)组成。 用注射器将浓度为35%的磁流体注入到微流控芯片中, 形成厚度为100 μ m的磁流体薄膜, 把微流控芯片以及两个电磁铁等高、 竖直地放在两个离轴抛面镜中间, 将电源电压调成15 V, 使两个电磁铁在微流控芯片处产生均匀水平磁场, 大小为25 mT。 在外加磁场时间分别为1.5、 3、 4.5和6 min时进行太赫兹探测。

得到磁流体在外加不同时间磁场的太赫兹时域谱图如图5所示, 可以发现, 随着外加磁场时间的延长, 时域谱图右移。 经傅里叶变换后, 得到磁流体的太赫兹频域谱图如图6所示, 由图可知, 随着外加磁场时间的延长, 频域谱图强度下降。 为了更加严谨, 本研究还将电压调成20 V, 使电磁铁产生30 mT的磁场, 重复上述过程, 所得结果与上述一致。 另外, 还对磁流体中的载基液重复上述实验过程, 发现外加不同时间的磁场对载基液的影响可忽略。

图5 外加不同时间磁场的太赫兹时域谱图Fig.5 THz time-domain spectra with different time applied magnetic fields

图6 外加不同时间磁场的太赫兹频域谱图Fig.6 THz frequency domain spectra with different time applied magnetic fields

在频率较高的电磁波下, 束缚电荷对介电响应的贡献不可忽略, 黄晓菁等考虑束缚电荷的影响, 通过理论计算得出金属纳米颗粒在光波照射下的极化率, 发现其对电磁波(光波)的吸收率由极化率虚部决定[12], 并证明出纳米颗粒对光波时间平均吸收强度[13]为

< P> t=2εm|E0|2ωImα(ω)(1)

式(1)中, ε m为纳米颗粒处于介质中的相对介电常数, α (ω )为纳米颗粒极化率, Imα (ω )为纳米颗粒极化率虚部; 另外, 还推导出, 随着纳米颗粒的半径增大, 其吸收增强的结论。 李秀燕等通过实验证明了上述结论[14]。 磁流体正是由纳米级的Fe3O4金属氧化物颗粒和载基液组成, 磁性纳米粒子可以在外加磁场下聚集和定向排列[15]。 所以初步认为, 磁流体在外加不同时间的磁场下, 太赫兹时域谱图右移, 频域谱图强度下降, 是因为随着外加磁场时间的增加, 纳米颗粒逐渐聚集和定向排列, 近似看成纳米颗粒的团簇半径逐渐增大, 纳米颗粒对光的时间吸收强度变大, 从而导致太赫兹波透过强度降低。 另外, Taketomi等对磁流体展开了研究, 通过实验说明了在外加磁场下磁流体中的纳米颗粒产生极化并吸收光波的结论[16]。 Mostafa Shalaby等也用上述观点解释了磁流体在外加不同强度磁场时的太赫兹特性[17]。

2.2 磁流体在不同温度下的太赫兹特性

通过温控装置给磁流体变温, 实验时用注射器将磁流体注入到微流控芯片中, 设置温控仪的目标温度分别为25、 30和40 ℃, 当温度稳定时用太赫兹时域光谱系统对其进行探测。 得到磁流体在不同温度下的太赫兹时域谱图如图7所示, 随着温度的升高, 太赫兹时域谱图右移。 经傅里叶变换后, 得到磁流体的太赫兹频域谱图如图8所示, 随着温度的升高, 太赫兹频域谱图降低。

图7 不同温度的太赫兹时域谱图Fig.7 THz time-domain spectra at different temperatures

图8 不同温度的太赫兹频域谱图Fig.8 THz frequency domain spectra at different temperatures

由于磁流体中的载基液是长链烷烃和基础油的混合物。 温度升高, 分子热运动加剧, 从而使得其振动和转动加强, 造成其对太赫兹波吸收增强, 太赫兹波不易通过, 所以磁流体在不同温度下的太赫兹时域谱图右移, 频域谱图强度下降。

3 结论

将太赫兹时域光谱技术与微流控技术相结合, 探究了磁流体在外加不同时间磁场及温度下的太赫兹透射特性。 发现随着外加磁场时间的延长和温度的升高, 磁流体的太赫兹时域谱图右移, 频域谱图强度下降。 初步认为是外加磁场使磁流体中的纳米颗粒定向聚集, 粒子间距减小, 使太赫兹光不易透过, 透射强度降低; 外加不同温度使磁流体中的矿物油分子热运动加剧, 使分子的振动和转动加强, 所以使太赫兹波强度下降且不易通过。 本发现为用太赫兹波探测磁流体提供了新的方法, 为磁流体的深入研究提供了技术支持。

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