太赫兹基于微流控技术的磁性流体的特征

文摘

磁性液体是一种新型功能材料与液体流动和固体磁性,具有重要应用价值的医学,生物学,等等。在这项研究中,太赫兹技术和微流控技术相结合研究太赫兹传输特性的磁性流体在不同的磁场和电场。在外部磁场,太赫兹光谱的强度随磁场强度的增加,并对磁场的响应在不同的方向是不同的。在外加电场下,太赫兹光谱的强度与电场强度下降。该方法方便研究太赫兹磁性流体的特性,为深入研究提供技术支持的磁性流体。

1。介绍

太赫兹(太赫兹)指-10年0.1太赫兹的频率范围和3毫米到30的波长范围μ电磁波谱的m (1]。传统的空间太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统(2- - - - - -5太赫兹技术是一个典型的代表。多年来,太赫兹技术及其应用在许多领域已经取得了很大的进步。人工电磁材料,如电浆设备6),超材料(7),而光子晶体(pc) [8),都进行了广泛的调查操作太赫兹波。Shuvaev et al。9)报道,一个巨大的法拉第效应的观察,在外延上使用太赫兹光谱HgTe薄膜在室温下。Kitamura et al。10]利用太赫兹技术来检测各种共聚物(例如,聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯)。磁性液体是一种新型的功能材料,因为它打破了传统磁性材料的固态变成液态。因此,它有许多特点。它是一种胶态悬浮体组成的磁性纳米粒子在液体载体,光学和magnetooptical (MO)属性都进行了广泛的调查在光学频率范围11,12]。青年外交官访华团et al。13]证明了铁磁流体具有很低的吸收损耗和一定莫活动在较低的外部磁场(EMF)太赫兹政权。江et al。14)表明,低频振荡磁场垂直地应用在磁性流体薄膜可以形成有序的柱状晶格结构。青年外交官访华团et al。15)实现了偏振敏感磁调制器工作在太赫兹波长通过使用10纳米铁₃O₄。风扇等。16]研究了太赫兹(太赫兹)magnetooptical充满液体的磁性流体的性质和磁性光子晶体(FFPC)通过使用THz-TDS系统。这说明太赫兹技术可用于研究磁性流体,但很少有报道在太赫兹技术和微流控技术的结合来研究磁性流体的特征。目前,微流控技术已广泛应用于化学、物理、生物检测等领域由于其试剂消耗低,检测速度快,操作方便。风扇等。17)使用基于光子晶体微流控感应(PC)柱阵列,研究太赫兹(太赫兹)地区。他们制作的硅PC传感器和实验和理论上证明他们使用THz-TDS系统的共振。风扇等。18)微流控芯片设计了一个三明治太赫兹适合检测不同的解决方案,它扩展了微流控技术的应用范围。上述研究表明,磁性流体的太赫兹特点的深远的研究价值。此外,结合微流体与太赫兹技术是一种有效的研究方法。在这项研究中,太赫兹技术和微流控技术是研究太赫兹磁性流体的特点相结合,以及太赫兹时域和频域光谱磁性流体的变化与不同的磁场和电场强度和方向。

2。实验光路

在这个实验中使用的太赫兹时域光谱系统由北京大学开发的一种独立self-mode-locked光纤飞秒激光的激光源(中心波长为1550 nm,脉冲重复频率为100 MHz,脉冲宽度是75 fs,和脉冲功率为130兆瓦)。图1显示了实验光路图。self-mode-locked飞秒激光的输出发生半波板和PBS偏振棱镜分裂后分为两束,一束泵脉冲后,机械表是耦合进入光纤光导天线(BATOP公司bpca - 100 - 05 - 10 - 1550 c - f),用于产生太赫兹波。另一个作为探测脉冲,通过透镜聚集并耦合到光纤光导天线(BATOP公司bpca - 180 - 05 - 10 - 1550 c - f)探测太赫兹波。充满了磁性流体的微流控芯片,被两个离轴抛物反射镜和携带信息与太赫兹波通过磁性流体。然后,它检测天线,接收到的信号是由锁相放大器放大,由计算机和数据收集和处理。

3所示。微流控芯片的制造

环烯烃共聚物(COC)具有很高的透光率太赫兹波和对可见光透明,这使得它的理想材料制备的微流控芯片。然而,对于太赫兹研究磁性液体的性质,在磁性流体的基础有机溶液可以与COC反应,影响实验结果。因此,我们选择了石英玻璃的材料制备微流控芯片。在这个实验中,两块石英玻璃的尺寸3厘米×3厘米×2毫米是用作基质和封面,然后,广场区域2厘米的长度和宽度是刻在3 m双面胶带的厚度50μm。然后,双面胶带粘合衬底和封面。最后,微流控芯片,和生产过程如图2。探测太赫兹透射率的石英玻璃制成的微流体芯片,芯片没有样本首先放入光路和THz-TDS检测到的系统。芯片的透光率仍然具有高透光率在85%以上。然后,磁性流体的样品是通过液体注入芯片进口和左站24 h。它没有与微流控芯片反应。因此,这太赫兹微流控芯片为研究提供了一个坚实的基础的太赫兹传输特性磁性液体。微流控芯片的石英玻璃比COC的便宜,这开辟了新的途径,许多有机液体的检测和COC反应。

4所示。外部磁场系统

许多研究表明,磁性流体的几个特点,只能显示在外部磁场。磁场强度不同,它有不同的效果。在这个实验中,一个微小的磁铁是用来提供磁场。是由WYJ-9B-type transistor-regulated电源通过调整transistor-regulated电源的输出电压(输出电压范围:外墙面V)改变电磁铁的工作电压,然后调整磁场强度的大小。当磁性流体的微流控芯片是放置在一个稳定的外部环境与不同的磁场强度,太赫兹波穿过样品,太赫兹时域和频域光谱有一定的变化规则。图3显示了磁场系统平行于太赫兹传输方向,和图4显示了太赫兹传输方向垂直于磁场系统。

5。外部电场系统

在这项研究中,一组电场应用系统设计,具有的功能改变电场的大小和方向。货架材料修复树脂玻璃微流控芯片和电极片。数据5和6展示了实验设备与电场方向平行于太赫兹传输方向和垂直于太赫兹传输方向,分别。高压电源模块(DW-P153-05C51)提供的电压电极板,和它的输出电压可以改变在0和15000 V之间通过调整电位器。

6。实验和结果

6.1。太赫兹光谱特性的磁性流体在外部磁场

首先,一些磁性流体的浓度35%被注入到太赫兹微流控芯片形成50μ米磁性流体膜,放入THz-TDS系统。在缺乏外部磁场,时域谱获得了第一,然后,通过傅里叶变换频域谱。后来,微流控芯片注入磁性流体是放置在磁场系统,如图3,然后由THz-TDS系统测试。微流控芯片周围的磁场改变了通过改变电压。磁场强度的谱获得了75.1和48.2吨,如图7。根据时域频谱,当平行磁场,太赫兹脉冲转向左边,和外部磁场改变磁性流体分子的排列,使太赫兹波更容易通过。根据频域谱,外部平行磁场的作用下,磁性流体的光谱强度的增加,和光谱强度随磁场强度的增加。我们推测,内部磁性流体的形状是一个连锁结构由外部磁场引起的,导致光谱强度的变化。此外,在这项研究中,我们还将两个电磁铁垂直于太赫兹波,即。,the magnetic field direction was perpendicular to the THz transmission direction, and we found that the time domain and frequency domain spectrum of THz waves did not produce significant changes.

6.2。太赫兹光谱特性的磁性流体在外部电场

磁性流体太赫兹微流控芯片是放置在THz-TDS系统。没有外加电场的情况下,THz-TDS系统被用来获得时域和频域光谱。然后,电场的1000 V /厘米,1250 V /厘米,1500 V /厘米,1750 V /厘米和2000 V / cm应用太赫兹传输方向平行。电场应用于每个样本在每个电场强度5分钟。之后,开关断开,极板被移除。时域和频域光谱THz-TDS获得的系统。每次实验后,我们断开电源,充满了磁性流体的微流控芯片站5分钟,尽可能地返回到原始状态。图8给出了实验结果。根据时域谱,运用平行电场时,太赫兹脉冲被推迟。根据频域谱,光谱强度的磁性流体减少应用平行电场的作用下,而光谱强度降低了更多与电场强度的增加。类似的变化是观察电极板垂直放置时的微流控芯片,如图9。

6.3。太赫兹光谱的衬底的解决方案

这个实验是由铁的磁性流体₃O₄运营商解决方案(矿物油组成的一个有机的解决方案)。矿物油是长链烷烃的混合物和基础油。探索基础载体流体的存在是否会影响实验结果,进行了几个实验基地携带液部分中描述的操作方法6。1和6。2。光谱信息没有显著变化;因此,干扰的基础载体流体可以消除。

7所示。讨论

7.1。太赫兹光谱特性的磁性流体在外部磁场

在实验中应用磁场磁性流体,从时域谱,我们发现,太赫兹脉冲转移到左边平行磁场时应用。根据频域谱,外部的作用下平行磁场,磁场的光谱强度增加,频谱强度随着磁场强度的增加而增长。当磁场方向垂直于太赫兹传输方向,没有发现明显的变化。

首先,我们建立了物理模型如图10。磁性流体形成一个50μ薄膜在微流控芯片的太赫兹。在x- - - - - -y飞机,太赫兹波入射到磁性流体沿z方向。如果外部的磁场z方向扩展(平行于太赫兹传输方向),外部的磁场z方向使纳米铁₃O₄粒子的磁性流体收集z方向,形成一个链结构。这导致的粒子数的增加z方向和铁的面积减少₃O₄粒子在x - y平面垂直于z方向,从而提高太赫兹的概率通过磁性流体。然后,太赫兹频域谱的强度增加,和效果越来越明显增加磁场强度。根据太赫兹时域光谱,太赫兹脉冲似乎左移位,这表明外部磁场改变了磁性流体分子的排列,方便太赫兹脉冲通过;因此,太赫兹脉冲出现左移现象。如果外部的磁场y扩展方向(垂直于太赫兹传输方向),外部的磁场y方向使纳米铁₃O₄粒子的磁性流体收敛y方向形成一个连锁结构。这个连锁结构的形成并不减少铁所占据的区域₃O₄粒子在x - y平面。因此,当外部磁场的方向垂直于太赫兹传输方向,没有重大变化在时域和频域光谱强度。这个结果与理论分析一致通过方et al。19使用可见光),表明利用微流控技术的可行性研究太赫兹传输与外部磁场磁性流体的特征。

7.2。太赫兹光谱特性的磁性流体在外部电场

在实验中使用一个应用在磁性流体电场,太赫兹脉冲的时域谱显示当我们应用平行电场而耽搁了。根据频域谱,外部平行电场的作用下,磁性流体的光谱强度下降,随着电场强度的增加,光谱强度下降更多。上述现象也观察到当电场方向垂直于太赫兹传输方向。

因为磁性流体是一种稳定的胶体,它有一些胶体的基本性质。胶体颗粒在磁性流体有限元₃O₄,粒子的间距是在没有外加电场。当外部电场,粒子想达到平衡在电场力的作用下,颗粒之间的静电斥力,磁偶极子。他们彼此接近时,颗粒之间的距离减少和静电斥力增加,从而减少外部电场的影响。随着电场强度的增加,粒子变得越来越密集,排列如图11。由于粒子间距越小,太赫兹光不容易通过,导致减少光谱强度的磁性流体与没有电场的条件相比,和光谱强度的降低是更大的电场强度的增加。此外,太赫兹时域光谱表明,太赫兹脉冲被推迟,表明太赫兹波能准确地检测到铁的变化₃O₄纳米磁性流体的间距。

8。结论

有机溶剂的太赫兹微流控芯片检测是在本研究中设计的。的太赫兹传输特征不同磁场强度下磁性流体使用微流控芯片和方向进行了研究。当磁场方向平行于太赫兹传输方向,太赫兹脉冲磁场时转向左边。根据频域谱,磁性流体的光谱强度增加,光谱强度随着磁场强度的增加而增长。当磁场方向垂直于太赫兹传输方向,没有明显的现象被发现。主要原因是外部磁场在不同的方向导致了纳米铁₃O₄粒子在磁性流体聚集在不同的方向,形成连锁结构。因此,太赫兹波可能有不同的反应应用磁场的大小和方向的磁性流体。然后,太赫兹传输特性的磁性流体在不同电场强度和方向进行了研究使用微流控芯片。当电场方向平行于太赫兹传输方向,时域谱表明,太赫兹脉冲被推迟。根据频域光谱并与条件没有电场,磁性流体的光谱强度下降,而光谱强度降低了更多与电场强度的增加。这种现象还发现当电场方向垂直于太赫兹传输方向。这一现象的主要原因是内部粒子的间距的变化。该方法方便研究太赫兹磁性流体的特性,为深入研究提供技术支持的磁性流体。在下一阶段,我们将关注如何将上述结果与生物医学联系起来。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

所有作者的理论分析、计算、实验,制备的手稿。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(国家自然科学基金委)(61575131)和北京市教育委员会(没有。SQKM201810028004)。作者要感谢“Enago”提供英文润色。

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