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芯片上的微型实验室可分析小剂量液体
发布时间:2022-07-14 17:01:24 阅读:226

来源:大阪大学(Osaka University);太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

图1:新研发的太赫兹生物化学芯片示意图与照片
该芯片由非线性光学晶体砷化镓制成,由五个超材料单元和表面的单个微通道组成。从晶体背面,采用飞秒激光进行照射,便可产生点太赫兹光源,并与溶液相互作用。
图片来源:和德芹田(Kazunori Serita)

    大阪大学激光工程研究所的科学家创建了一个太赫兹光谱系统原型,其传感面积的大小仅相当于五根头发的横截面积。通过测量太赫兹辐射源峰值透射率波长的偏移,它可以测量出微小水滴中哪怕是微量溶解污染物的浓度。这项工作将利于便携式传感器的应用,如疾病的早期检测、药物开发与水污染监测等。

    单晶片实验室技术是一个令人振奋的研究领域。使用便携式监测设备在病床边测试患者样本,或在现场进行直接的水质监测,这样的能力的确非常吸引人。然而,如何实现对目标分析物浓度的高灵敏度,仍可能存在困难,尤其是当样品由非常小体积的液体组成时。

    现在,大阪大学的一组研究人员在含有超材料结构的微流控芯片中使用了一种专有的太赫兹辐射源来量化并追踪水中污染的情况。本论文的第一作者和德芹田(Kazunori Serita)说:“使用单晶片实验室系统,我们可以通过测量共振频率的变化来检测水中微量乙醇、葡萄糖或矿物质浓度的微小变化。”。

图2: 85皮升水中共振频移随矿物浓度变化的曲线图。
通过观察偏离纯水共振频率的幅度,可以检测溶质,灵敏度为472阿摩尔。
图片来源:和德芹田(Kazunori Serita)

    “I”型设计由金属条组成,有其它金属条上下夹住,它们相互间有一微米大小间隙。它周期性地排列成五个单元的一行,形成一种“元原子”,其中峰值透射率根据溶解分子的微量污染而变化。该设计是基于大阪大学先前开发的点太赫兹源技术的应用。飞秒脉冲激光束的辐照点会产生微小太赫兹光源,该激光束在间隙区域内会形成紧密受限的电场模式。之后,当金属条之间形成的微通道内充满了样品溶液时,它会修改其共振频率。

    资深作者户内正吉(Masayoshi Tonouchi)表示:“我们成功地检测到体积小于100皮克分子的溶液中只有472阿摩尔的溶质,这比现有的微流控芯片要高出一个数量级。”这项工作可以显著提高便携式传感器的灵敏度,降低对所检液体量的需求。

    这项研究发表在《物理学杂志:光子学》上。

 
 

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