可用于分析微小液滴中污染物含量的片上实验室

图1 最新发明的太赫兹生化芯片示意图及照片。该芯片采用了一种非线性光学晶体——砷化镓，由5个超材料单元和表面的微通道组成。在晶体背面使用飞秒激光照射，将产生一个与待检测溶液相互作用的点太赫兹光源

日本大阪大学激光工程研究所的科学家们制造了一台太赫兹光谱仪的原型机，其感应面积仅相当于五根头发丝截面大小。通过测量太赫兹辐射源的峰值透过率波长的偏移，能探测出微小液滴中极其微量溶解污染物的浓度。这项工作将来有望应用于疾病的早期检测、药物研发和水污染监测等应用中的便携式传感器中。

片上实验室技术相关领域的研究一直非常激动人心。借助这项技术，能使用便携式监测设备实现在病床边即时对患者样本进行检测、或者监测野外水质；这一应用潜力是非常吸引人的。然而高灵敏度的探测目标分析物却可能有些困难，尤其是当样品中包含非常小体积液体的情况下。

如今，大阪大学的一组研究人员在一块含有超材料结构的微流控芯片中加入了特殊的太赫兹辐射源，实现了探测水中的微量污染物。本文第一作者Serita Kazunori说：“借助这一片上实验室系统，能通过测量共振频率的偏移，测量出水中微量乙醇、葡萄糖及矿物质浓度的微小变化。”

图2 共振频率随85皮升水中矿物质浓度的变化曲线。通过测量共振频率相对于纯水共振频率的偏移，即可检测出相应溶质，检测灵敏度为472阿摩尔。

这种I型设计包含一个金属条，和一个夹在其他金属条之间微米左右的间隙组成。五个单元周期性地排列成一排，组成了一种“超原子”，其光学透过率的峰值随溶液分子含有的微量污染物而变化（见图1）。

该装置是大阪大学此前所发明的点太赫兹源技术的应用之一。飞秒脉冲激光束照射的光斑产生了一个微小的太赫兹光源，在间隙区域产生了一个紧密受限的电场模式。当将样品溶液填充金属条之间空间制造的微通道时，共振频率就会被改变。

文章主要作者Masayoshi Tonouchi说：“我们成功在体积不足100皮升的溶液中检测了472 阿摩尔的溶质，此结果比现有的微流控芯片高一个数量级。”不论是从灵敏度还是所需样本液体量来看，此项研究工作都将大大改进现有的便携式传感技术。

此项研究发表于Journal of Physics: Photonics。文章见：Kazunori Serita et al, I-design terahertz microfluidic chip for attomole-level sensing, Journal of Physics: Photonics (2022). DOI: 10.1088/2515-7647/ac691d。