Fig. 1 Schematiskt diagram och fotografi av det nyutvecklade biokemiska terahertz (THz) chipet. Chipet är tillverkat av GaAs, en olinjär optisk kristall, och består av fem metamaterialenheter och en enda mikrokanal på ytan. Genom att bestråla med en femtosekundlaser från baksidan av kristallen genereras en punkt THz ljuskälla för att interagera med lösningen. Kredit:Kazunori Serita
Forskare från Institute of Laser Engineering vid Osaka University skapade en prototyp av terahertz optiskt spektroskopisystem med en avkänningsarea som motsvarar tvärsnittsarean av bara fem människohår. Genom att mäta förskjutningen i topptransmittansvåglängden för en terahertz-strålningskälla kan koncentrationen av jämna spår upplösta föroreningar i en liten droppe vatten mätas. Detta arbete kan leda till bärbara sensorer för tillämpningar som tidig upptäckt av sjukdomar, läkemedelsutveckling och övervakning av vattenföroreningar.
Lab-on-a-chip-teknik är ett spännande forskningsområde. Möjligheten att testa patientprover vid sängkanten, eller övervaka vattenkvaliteten ute på fältet, med en bärbar övervakningsenhet är mycket attraktiv. Det kan dock vara svårt att uppnå stark känslighet för koncentrationen av målanalyter av intresse, särskilt när proverna består av mycket små volymer vätska.
Nu har ett team av forskare vid Osaka University använt en proprietär terahertz-strålningskälla i ett mikrofluidchip som innehåller en metamaterialstruktur för att kvantifiera mängden spårföroreningar i vatten. "Med detta lab-on-a chip-system kunde vi upptäcka små förändringar i koncentrationen av spårmängder av etanol, glukos eller mineraler i vatten genom att mäta förskjutningen i resonansfrekvenserna", säger första författaren Kazunori Serita.
Fig.2 Ritningar av resonansfrekvensförskjutningen som en funktion av mineralkoncentrationen i 85 picoliter vatten. Genom att observera storleken på förskjutningen bort från resonansfrekvensen för rent vatten kan det lösta ämnet detekteras med en känslighet på 472 atomol. Kredit:Kazunori Serita
I-designen består av en metallremsa med ett mikrometerstort mellanrum inklämt av andra metallremsor. Den är regelbundet uppställd i en rad av fem enheter, som bildade en sorts "metaatom", där den maximala optiska transmittansen varierade baserat på närvaron av spårkontamination av lösta molekyler. This device is an application of the point terahertz source technology previously developed at Osaka University. A tiny source of terahertz light was generated by the irradiation spot of a femtosecond-pulse laser beam that induces a tightly confined electric-field mode at the gap regions. It then modifies the resonance frequency when a microchannel fabricated in the space between the metallic strips is filled with the sample solution.
"We succeeded in detecting just 472 attomoles of solutes in solutions with volumes of less than 100 picoliters, which is an order of magnitude better than existing microfluidic chips," senior author Masayoshi Tonouchi says. This work can lead to significant improvements in portable sensing, both in terms of sensitivity and the amount of liquid required.
The study is published in the Journal of Physics:Photonics . + Utforska vidare
