太赫兹(THz)是指频率在0.1~10 THz的电磁波, 其波长在30~3 000 μm范围内。 由于自然界许多小分子的振动、 转动等的频率均在太赫兹波段, 并且太赫兹的低电子能特性使其在实验过程中不会对待测样品造成破坏, 所以太赫兹技术被广泛地应用于无损检测、 生物医学等领域。 但是太赫兹在铁磁领域的相关报道还是较少的, 因此本研究利用太赫兹时域光谱系统研究了一种新型磁性材料: 磁流体的组成部分-载基液的太赫兹透射特性。 磁流体是一种兼具液体流动性和固体磁性的新型功能材料, 其打破了传统磁性材料的固体形态。 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; 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。 由于磁流体的组成部分-载基液成本较高, 因此在实验中运用了微流控技术。 微流控技术对检测样品的消耗少、 检测速度快, 并且可以根据实验需求自行设计沟道, 因此是一种便捷的、 灵活性好的检测方式。 采用对太赫兹波具有高透过率的石英材料制成了夹心式的太赫兹微流控芯片。 首先将两块3 cm×3 cm×2 mm的石英玻璃作为基片和盖片, 再把强粘黏性双面胶剪刻成镂空样式, 形成2 cm×2 cm的方形区域, 然后把盖片和基片通过雕刻好的强粘黏性双面胶键合, 其沟道厚度为50 μm, 可以用于对少量液体的探测, 并且可以使载基液呈薄膜状。 之后将太赫兹技术和微流控技术相结合, 利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统研究了载基液的太赫兹透射特性, 通过对太赫兹时域光谱以及频域光谱的研究发现, 装有载基液的微流控芯片的信号强度高于空的微流控芯片, 这一发现为载基液的应用和深入研究提供了技术支持。

太赫兹波的光子能量只有毫电子伏特, 远低于各种化学键的键能, 因此不会和生物组织发生有害的电离反应; 另一方面, 由于大部分生物分子转动和振动所具有的特征能量都在太赫兹范围内, 所以利用太赫兹波可以对生物分子进行识别。 水是生物环境中最重要的液体, 生物分子与液态水之间的相互作用决定了其生物活性, 因此研究液态水的太赫兹特性就显得十分重要。 水作为极性液体, 其中的偶极分子-偶极分子间的相互作用和极性分子间的氢键会对太赫兹波产生较大的吸收作用, 这就使利用太赫兹技术研究液体环境下的生物分子动力学特性变得相当困难。 微流控技术通过改变微流控芯片中液体通道的深度来控制液体样品的厚度, 以减少太赫兹波与液体样品的作用距离, 从而使水对太赫兹波的吸收大幅减小。 利用对太赫兹波的透过率高达95%的Zeonor 1420R材料和双面胶制作了可重复性使用的夹心式微流控芯片, 芯片上液体通道的长度、 宽度、 深度分别为2 cm, 5 mm和50 μm。 另外, 设计制作了一个制冷系统, 由制冷片、 散热模块、 温度传感器、 保温箱和温度控制器构成, 该制冷系统可以对保温箱的内部环境制冷并在一定程度上保持恒温。 在实验过程中, 将注满水的微流控芯片置于保温箱中, 利用制冷系统对微流控芯片中的水进行制冷处理, 从8~-3 ℃每隔1 ℃进行一次太赫兹透射测量, 通过对实验数据的分析, 发现随着温度降低, 水的太赫兹透过率不断增大, 说明水对太赫兹波的吸收随着温度的降低而降低。 此结果为将来在不同低温环境下利用微流控技术研究液体样品的太赫兹吸收特性打下了基础, 为太赫兹在生物领域的应用与发展提供了技术支持。