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基于微流控芯片的电解质溶液太赫兹吸收特性研究

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【作者】 武亚雄苏波何敬锁张存林

【Author】 WU Ya-xiong;SU Bo;HE Jing-suo;ZHANG Cun-lin;Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics,Ministry of Education,Beijing Key Laboratory for Terahertz Spectroscopy and Imaging,Beijing Advanced Innovation Center for Imaging Technology,Department of Physics,Capital Normal University;

【通讯作者】 苏波;

【机构】 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技术高精尖创新中心

【摘要】 由于许多生物分子的振动和转动能级均在太赫兹波段,且太赫兹波具有电子能量低(约4 meV),不会破坏待测样品的特性,因此可以采用太赫兹光谱技术检测生物样品。然而许多生物分子在液体环境中才能保持其生物活性,需要在盐溶液中来探究酸碱环境对其的影响,以及在盐类缓冲液中研究其生物特性。但水作为极性液体对太赫兹波有强烈的吸收,因此,探究如何减少水对太赫兹吸收的方法非常必要。水对太赫兹的吸收主要因水分子间氢键造成,现阶段最常见的方法是减少水与太赫兹波的作用距离以及破坏水分子间的氢键。利用夹心式微流控芯片在太赫兹时域光谱系统下通过观察光谱强度变化来探究电解质对水分子间氢键的影响,既减少了水和太赫兹波的作用距离,又探究了电解质对水分子间氢键的作用。在微流控芯片中分别加入不同种类以及不同浓度的电解质,通过观察其在0.1~1.0 THz范围内的光谱强度变化来分析不同电解质对水分子间氢键的影响。部分电解质促进氢键的缔合,而另一部分则破坏氢键的形成,在太赫兹光谱范围内表现为光谱强度的变化。若促进氢键的缔合则对太赫兹吸收变大,光谱强度减弱;若破坏氢键的缔合则对太赫兹吸收减弱,光谱强度增加。研究结果发现:在水中加入KCl和KBr时,太赫兹光谱强度增加,表明二者对氢键有破坏作用,使得光谱强度变大;然而当加入MgCl2和CaCl2时,太赫兹光谱强度减弱,表明二者对氢键有缔合作用,从而使光谱强度变小。利用太赫兹技术在0.1~1.0 THz范围内研究KCl, KBr, MgCl2和CaCl2这四种不同浓度的电解质溶液特性,发现它们只会对光谱强度造成一定影响,不会引入新的特征吸收峰以及对待测样品造成干扰。这对于研究诸如大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等在0.1~1.0 THz范围内有特征吸收谱的生物分子具有一定的实用价值。在溶液中加入所需的电解质并借助微流控芯片不仅可以识别待测样品、研究待测样品的光谱信息、探究其生物特性,而且为进一步推动太赫兹技术在生化方面的应用研究提供了先决条件。

【关键词】 太赫兹微流控芯片电解质氢键
【基金】 国家自然科学基金项目(61575131,61675138,61575130);北京市教育委员会科技计划一般项目(SQKM201810028004)资助
  • 【分类号】O441.4;TN492
  • 【下载频次】25
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