大多数生物大分子和基团的振动或者转动能级处于太赫兹频段，而其生物活性在水溶液中才能表现出来，由于水对太赫兹波的强烈吸收，从而限制了太赫兹技术的推广和应用。为了研究水溶液中生物样品的反应、变化等动态特性，将太赫兹技术和微流控技术相结合，分别研究了微流控芯片上微流控沟道的尺寸，微流控芯片的材料及其制作流程，最后用去离子水对该芯片进行了初步测试，证明了该太赫兹微流控芯片的可行性。

太赫兹时域光谱技术是一种在太赫兹频段内, 广泛应用的光谱测量技术。 这种技术可以用于许多物质的频谱分析, 对于研究化学、 半导体与生物分子等领域有着无可比拟的作用。 然而用该系统进行样品探测时, 受回波的影响频谱分辨率较低; 受太赫兹波光斑大小以及待测样品与电磁波相互作用距离长短的影响, 样品消耗量较多, 并且整个系统的占用空间较大, 这些局限性都限制了太赫兹时域光谱系统的进一步发展。 为了突破太赫兹时域光谱系统的局限性, 设计了一种将太赫兹泵浦区、 探测区和传输波导集成到一个硅片上的太赫兹片上系统, 该系统不仅能够解决上述系统的局限性, 还能够省去样品测量前的光路准直环节, 使样品的测量过程更加简便, 同时集成化的系统也很大程度上提高了太赫兹波传输的稳定性。 在太赫兹片上系统中, 泵浦区和探测区的光电导天线是由低温砷化镓和金属电极制成, 由于受到太赫兹片上系统的高度集成化和低温砷化镓晶体生长条件的限制, 如何制备出低温砷化镓半导体薄膜衬底, 并将其转移与键合, 是太赫兹片上系统研制过程中的关键环节。 首先利用分子束外延(MBE)技术制备出由半绝缘砷化镓、 砷化镓缓冲层、 砷化铝牺牲层和低温砷化镓层构成的外延片, 然后利用盐酸溶液与砷化铝和低温砷化镓反应速度差别较大的原理, 将200 nm厚的AlAs牺牲层腐蚀掉, 从而得到2 μm厚的低温砷化镓薄膜。 为了更加高效并且完整地得到低温砷化镓薄膜, 研究了盐酸溶液在不同温度和不同浓度下与AlAs牺牲层的选择性腐蚀速率的关系。 给出了低温砷化镓薄膜制备过程中盐酸的最佳体积比浓度和最佳温度, 即在73 ℃下13.57%的盐酸溶液中进行砷化铝牺牲层的腐蚀。 相比于已有工艺, 这种腐蚀方法对实验设备的要求较低并且具有较高的安全性。 最后, 将单层低温砷化镓薄膜转移键合至硅片上, 并制成光电导天线的结构。 利用飞秒激光脉冲进行激发探测到太赫兹信号。 由此说明, 低温砷化镓薄膜的获取、 转移与键合工艺能够满足芯片级太赫兹系统的制作要求, 这为太赫兹片上系统的进一步研制打下了坚实的基础。

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。

许多生物大分子的振动和转动能级都落在THz波段范围内， 因此可以采用THz光谱技术定性地鉴别生物样品。 但是大部分生物分子的活性需在液体环境中才能表现出来， 而水作为极性物质对THz波具有较强的吸收特性。 因此， 在THz光谱技术中通常采取各种措施来减少水的影响， 以防止水溶液中生物样品的信息被掩盖。 该研究设计了两种可利用透射式太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统检测的夹心式微流控芯片， 通过减小THz与水的作用距离来减少水对THz的吸收， 从而达到高透过率的目的。 微流控芯片采用环烯烃共聚物（Zeonor 1420R）作为基片和盖片， 聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为沟道夹层， 利用THz-TDS系统对该芯片进行了测试， 测得该芯片在02～26 THz频率范围内的透过率可以达到80％以上。 在微流控芯片中分别加入去离子水、 1,2-丙二醇以及二者在不同体积比下的混合溶液， 并测量了它们的透射谱。 结果表明， 不同比例溶液的THz光谱明显不同， 说明该芯片在测量液态样品方面的可行性。 此外， 用该芯片分别研究了不同浓度的氯化钾和碘化钾溶液， 发现氯化钾溶液随着浓度的增加THz透过率减弱， 而碘化钾溶液则相反。 初步认为， 电解质改变了水溶液中的氢键密度， 从而导致溶液对THz吸收的改变。