CN102087211A - 生物薄膜的太赫兹光谱分析装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

生物薄膜的太赫兹光谱分析装置及分析方法涉及到一种对生物薄膜进行太赫兹波段光谱分析的装置，和利用太赫兹表面等离子体波对生物薄膜进行太赫兹波段光谱检测的一种方法。生物薄膜太赫兹光谱分析装置包括半导体晶片(3)、两个平行放置的刀片(2)、太赫兹波源(11)以及太赫兹时域光谱仪(6)；两个刀片垂直于半导体晶片(3)，两个刀片(2)的刀口离半导体晶片(3)上表面的距离小于最大频率的太赫兹表面等离子体波(4)在空气中的衰减距离，两个刀片(2)之间的距离小于最大频率的太赫兹表面等离子体波在半导体表面传播距离；该分析方法利用太赫兹表面等离子体波在半导体表面的很小空间内有很强电场强度的性质提高光谱分析装置的灵敏度和信噪比。

Description

生物薄膜的太赫兹光谱分析装置及检测方法

技术领域

本发明涉及到一种对生物薄膜进行太赫兹波段光谱分析的装置，和利用太赫兹表面等离子体波对生物薄膜进行太赫兹波段光谱检测的一种方法。

背景技术

太赫兹波通常指的是频率范围在0.1THz至10THz之间的电磁波，其波段介于远红外和微波之间。长期以来，生物分子的光谱研究都是在高于10THz的频率范围内进行的，分子结构和性质的详细信息通常从拉曼和近红外光谱中得到。近年来，太赫兹波源的发展使得太赫兹光谱技术有了突破性的进展，太赫兹波的应用研究引起了越来越多的关注^[1]。而许多极性大分子在振动能级间的跃迁和转动能级间的跃迁正好处于太赫兹频率范围，在太赫兹频段存在大量的DNA分子主链间的受激本征共振。因此，生物分子的太赫兹光谱可以反映由分子内或分子间集体振动和晶格振动引起的低频振动模的本征特性。吸收光谱中观察的集体振动模式由整个分子的构形和构象决定，并且可反映出分子与环境之间的相互作用。太赫兹时域光谱为分子的构形和构象提供了直接的特征谱。太赫兹电磁波具有较低的光子能量，在进行样品探测时，不会产生有害的光致电离，是一种有效的无损探测方法。可用于研究DNA聚合物内部低频振动、分析蛋白质、检测氨基酸，实现对多种生物样品的分析研究^[2]。太赫兹光谱技术作为近红外光谱技术的有益补充，在基础生物科学、医学和材料科学方面都很有发展前途，特别是在分析和研究大分子方面有非常广阔的应用前景。

然而传统的太赫兹光谱分析装置大多采用直接透射和反射的方式，即直接让太赫兹波射到生物样品，分析其透射光谱或反射光谱。但是用这种方法很难分析很薄的生物样品。这是因为太赫兹波的波长至少有几百个微米，比可见或近红外波段大了约三个数量级。因而如果样品本身的尺度比太赫兹波的波长还要小很多(比如只有一微米左右厚度)将很难对样品进行分析^[3]。所以我们有必要研究新的光谱分析装置和方法，使得对很薄的生物样品也能具有明显的吸收峰，从而可以在太赫兹波段进行有效的光谱分析。

背景技术文件：

1.S.E.Hendry，F.J.Garcia-Vidal，L.Martin-Moreno，J.Gomez Rivas，M.Bonn，A.P.Hibbins，and M.J.Lockyear，“Optical control over surface-plasmon-polariton-assisted THz transmission through a slit aperture”Phy.Rew.Lett.，Vol.100，pp.123901/1-4(2007).

2.S.C.Shen，L.Santo and L.Genzel，“THz spectra for some bio-molecules”Int.J.Infrared Milli.Waves，Vol.28，No.8，pp.595-610(2007).

3.F.Miyamaru，M.W.Takedal，T.Suzuki and C.Otani，“Highly sensitive surface plasmon terahertz imaging with planar plasmonic crystals”Opt.Express，Vol.15，No.22，pp.110-115(2007).

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种对生物薄膜进行太赫兹波段光谱分析的装置，解决背景技术中对很薄的生物样品进行光谱分析的技术困难。

技术方案：本发明为一种生物薄膜的太赫兹光谱分析装置及检测方法。本发明的生物薄膜太赫兹光谱分析装置包括一个等离子体频率大于所传输的太赫兹波最大频率的半导体晶片、两个平行放置的刀片以及太赫兹时域光谱仪。两个刀片垂直于半导体晶片，两个刀片的刀口离半导体晶片上表面的距离小于最大频率的太赫兹表面等离子体波在外部气体中的衰减距离，两个刀片之间的距离小于最大频率的太赫兹表面等离子体波在半导体表面传播距离。半导体晶片的厚度大于最小频率的太赫兹表面等离子体波在半导体中的衰减距离。太赫兹波源所发出的太赫兹波以一定角度入射到其中一个刀片的刀口处。太赫兹时域光谱仪分析另一个刀片的刀口处所耦合出的太赫兹波。

本发明提出了一种对生物薄膜进行太赫兹波段光谱分析的方法。该方法利用太赫兹表面等离子体波在半导体表面的很小空间内有很强电场强度的性质提高光谱分析装置的灵敏度和信噪比。该方法分成三步：第一步，从波源发出的太赫兹波通过刀片刀口耦合为太赫兹表面等离子体波，太赫兹表面等离子体波通过半导体传输到另一个刀片的刀口，另一个刀片的刀口将太赫兹表面等离子体波转化回太赫兹波，太赫兹时域光谱仪测得该太赫兹波的谱线。第二步，在半导体表面两个刀片之间的位置上放置生物薄膜，从波源发出的太赫兹波通过刀片刀口耦合为太赫兹表面等离子体波，太赫兹表面等离子体波通过半导体以及生物薄膜传输到另一个刀片的刀口，另一个刀片的刀口将太赫兹表面等离子体波转化回太赫兹波，太赫兹时域光谱仪测得太赫兹表面等离子体波经过生物薄膜后的太赫兹波谱线。该太赫兹波谱线应包含所有需要研究的太赫兹频段，如果入射的太赫兹源中的部分需要研究的频段在测得的太赫兹波谱线中消失，说明该频段的太赫兹表面等离子体没有能够从一个刀口传输到另一个刀口。当该消失的频段包含我们需要研究的频率时，需要减小两个刀口间的距离或换一个等离子体频率较大的半导体后从第一步开始重新测量，直至这部分频段出现在所测得太赫兹波谱中。第三步，用第二步得到的光谱数值除以同频率的第一步得到的光谱数值(即作归一化处理)，就可以得到透过该生物薄膜所对应的归一化太赫兹谱，再根据该太赫兹谱所对应的吸收峰对该生物薄膜进行分析，判断其分子组成或化学元素。

装置可置于一般空气中，但为了防止空气中的水蒸气、二氧化碳等气体吸收特定波段的太赫兹波影响光谱分析的效果，装置最好放置在真空或充氮气的环境。

装置所用的半导体晶片可以是本征半导体，也可以是多数载流子浓度合适的掺杂半导体。但用本征半导体可以通过改变本征半导体温度的方法实时地改变本征半导体的等离子体频率。如果用掺杂半导体，因为其掺杂浓度不能实时地改变，当其等离子体频率不合适时，只能换用其他掺杂浓度的半导体。

装置所用的半导体晶片的等离子体频率要适中。如果半导体的等离子体频率比太赫兹波最大频率大很多，那么太赫兹表面等子体波的能量将不能局限在半导体表面，也就是说太赫兹表面等离子体波在生物薄膜和空气中的衰减距离远大于生物薄膜本身的厚度，从而降低探测生物薄膜的灵敏度。然而如果半导体的等离子体频率与太赫兹波的最大频率相差不远，则需要研究的最大频率的太赫兹表面等离子体波有可能不能从一个刀片的尖端传输到另一个刀片的尖端，也就是说两个刀片间的距离大于该频率的表面等离子体波的传输距离，从而使得光谱信号的缺失。

装置不仅可以对生物薄膜进行分析，还可以用来对聚合物薄膜、微量的化学粉末(如爆炸物粉末)进行分析。

装置不仅可以用来测量太赫兹波段的光谱。在电磁波的频率略小于半导体晶体的等离子体频率的前提下，可以用于测量其他波段的光谱。

有益效果：本发明具有以下优点：

1、能有效地分析薄膜样品的太赫兹谱。解决样品本身的尺度比太赫兹波的波长小很多时对样品进行太赫兹谱分析的困难。

2、结构简单。只需要在原有的太赫兹光谱测量装置上增加两个刀片以及一个等离子体频率合适的半导体。

3、测量光谱范围宽。可以测量整个太赫兹频段以及太赫兹频段外的光谱。

附图说明

图1是本发明的结构原理图。

图2是本发明装置上面放上了生物薄膜的结构原理图。

图3是一个太赫兹时域光谱仪的设计图。

图4是太赫兹表面等离子体波沿垂直于半导体表面方向的电场强度|E_z|的场强分布图。

图中有：太赫兹波1、刀片2、半导体3、太赫兹表面等离子体波4、生物薄膜5、太赫兹时域光谱仪6、反射镜7、分束镜8、光学平移台9、Wollaston棱镜10、太赫兹波源11、四分之一波片12、平衡光电探测器13、锁相放大器及图像分析显示装置14、飞秒激光15、太赫兹波接收装置16、外部气体17(如无则为真空)。

具体实施方式

本发明的生物薄膜太赫兹光谱分析装置的基本结构包括一个等离子体频率略大于所传输的太赫兹波最大频率的半导体晶片、两个平行放置的刀片、太赫兹波源以及太赫兹时域光谱仪。太赫兹波的频率小于半导体晶体的等离子体频率。两个刀片垂直于半导体晶片，两个刀片的刀口离半导体晶片上表面的距离小于最大频率的太赫兹表面等离子体波在外部气体中的衰减距离，两个刀片之间的距离小于最大频率的太赫兹表面等离子体波在半导体表面传播距离。半导体晶片的厚度大于最小频率的太赫兹表面等离子体波在半导体中的衰减距离。太赫兹波源所发出的太赫兹波以一定角度入射到其中一个刀片的刀口处。太赫兹时域光谱仪分析另一个刀片的刀口处所耦合出的太赫兹波。

本发明中对生物薄膜进行太赫兹波段光谱分析的方法分三步完成：第一步，如图1所示，从波源发出的太赫兹波通过刀片刀口耦合为太赫兹表面等离子体波，太赫兹表面等离子体波通过半导体传输到另一个刀片的刀口，另一个刀片的刀口将太赫兹表面等离子体波转化回太赫兹波，太赫兹时域光谱仪测得该太赫兹波的谱线。第二步，如图2所示，在半导体表面两个刀片之间的位置上放置生物薄膜，从波源发出的太赫兹波通过刀片刀口耦合为太赫兹表面等离子体波，太赫兹表面等离子体波通过半导体以及生物薄膜传输到另一个刀片的刀口，另一个刀片的刀口将太赫兹表面等离子体波转化回太赫兹波，太赫兹时域光谱仪测得太赫兹表面等离子体波经过生物薄膜后的太赫兹波谱线。该太赫兹波谱线应包含所有需要研究的太赫兹频段，如果入射的太赫兹源中的部分需要研究的频段在测得的太赫兹波谱线中消失，说明该频段的太赫兹表面等离子体没有能够从一个刀口传输到另一个刀口。当该消失的频段包含我们需要研究的频率时，需要减小两个刀口间的距离或换一个等离子体频率较大的半导体后从第一步开始重新测量，直至这部分频段出现在所测得太赫兹波谱中。第三步，用第二步得到的光谱数值除以同频率的第一步得到的光谱数值(即作归一化处理)，就可以得到透过该生物薄膜所对应的归一化太赫兹谱，再根据该透射太赫兹波谱所对应的特征峰对该生物薄膜进行分析，判断其分子组成或化学元素。

以上步骤中所用太赫兹时域光谱仪的结构如图3所示，可以根据该图搭建光路进行太赫兹光谱测量，也可以直接购买商业产品，如英国TeraView公司的TPS spectra3000。

上述太赫兹表面等离子体波的传播距离以及在介质(如空气、生物薄膜)和半导体中的衰减距离可根据表面等离子体的色散方程求得，太赫兹表面等离子体的色散方程是：

$k_x=\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{\frac{{\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_1{\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_2}{{\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_1+{\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_2}}=A+\mathrm{Bi}$

$k_{z1}=\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{\frac{{{\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_1}^2}{{\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_1+{\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_2}}=C+\mathrm{Di}$

$k_{z2}=\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{\frac{{{\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_2}^2}{{\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_1+{\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_2}}=E+\mathrm{Fi}$

以上公式中K_x是沿着半导体表面方向(+x方向)的太赫兹表面等离子体波的传播常数。k_z1和k_z2分别是垂直于半导体表面的介质方向(+z方向)和半导体方向(-z方向)的传播常数。c是真空中的光速。ω是太赫兹波中最大频率所对应的角频率。

是介质的有效复介电常数(ε₁是介质有效复介电常数的实部，ε₁′是介质有效复介电常数的虚部)。

是半导体晶片的复介电常数(ε₂是半导体复介电常数的实部，ε₂′是半导体复介电常数的虚部)。A、C和E分别是该频率太赫兹表面等离子体波沿+x方向、+z方向、-z方向的相位常数，B、D和F分别是该频率太赫兹表面等离子体波沿+x方向、+z方向、-z方向的衰减常数。

该频率的太赫兹表面等离子体波沿着介质和半导体的界面上传播，当其强度降为原来的1/e时太赫兹表面等离子体波所经过的距离即为传播距离。传播距离用δ_sp表示，可用太赫兹表面等离子体波沿传播方向(+x方向)的衰减常数B计算求得：

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{sp}}=\frac{1}{\left|2B\right|}$

参见图4，太赫兹表面等离子体波沿垂直于半导体表面方向的电场强度|E_z|在该方向(±z方向)呈指数衰减。当电场强度降为半导体表面处场强的1/e时到半导体表面的垂直距离分别为该频率太赫兹表面等离子体波在介质和半导体介质中的衰减距离，分别用δ_d和δ_m表示。可用太赫兹表面等离子体波沿垂直于半导体表面方向在介质和半导体中的衰减常数D和F计算求得：

${\mathrm{\δ}}_d=\frac{1}{\left|D\right|}$

${\mathrm{\δ}}_m=\frac{1}{\left|F\right|}$

生物薄膜的太赫兹光谱分析装置能否使用，选用合适的半导体至关重要。我们既要使得需要研究的最大频率太赫兹波能够从一个刀片的刀口传输到另一个刀片的刀口，同时又要使得太赫兹表面等离子体波在生物薄膜和空气中的衰减距离与生物薄膜本身的厚度相差不多。因此，我们要使得半导体的等离子体频率略大于所需要研究的最大太赫兹频率。这里的半导体可以为掺杂半导体也可以是本征半导体。要使得半导体的等离子体频率合适，就要选用掺杂浓度合适的掺杂半导体或本征载流子浓度合适的本征半导体。但用本征半导体可以通过改变本征半导体温度的方法实时地改变本征半导体的等离子体频率。如果用掺杂半导体，因为其掺杂浓度不能实时地改变，当其等离子体频率不合适时，只能换用其他掺杂浓度的半导体。如果所需要研究的最大频率在太赫兹波段，那么不管用什么半导体，其等离子体频率也必须在太赫兹波段。这个结论可以由Drude模型导出，根据Drude模型

${\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_2={\mathrm{\ϵ}}_2+i{{\mathrm{\ϵ}}_2}^{\′}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{static}}[1-\frac{{\mathrm{\ω}}_p^2{\mathrm{\τ}}^2}{1+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\τ}}^2}+i\frac{{\mathrm{\ω}}_p^2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\ω}(1+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\τ}}^2)}]$

上述公式中，是半导体的复介电常数，ε₂是半导体复介电常数的实部，ε₂′是半导体复介电常数的虚部，ε_static是半导体的静态介电常数，ω_p是半导体的等离子体角频率，ω是所传输的太赫兹波角频率，是动量驰豫时间，它可以由半导体的载流子迁移率计算得出

$\mathrm{\τ}=\frac{m^{*}\mathrm{\μ}}{e}$

上述公式中，m^*是载流子的有效质量，μ是载流子迁移率，e是一个载流子所带电量。

根据Drude模型，通过改变半导体的等离子体角频率ω_p可以改变半导体复介电常数实部ε₂的正负号。如果在常温下半导体的等离子体角频率ω_p与所传输的太赫兹波角频率ω比较接近，那么ω_p需要改变的量就比较小。半导体的等离子体角频率ω_p与半导体的等离子体频率f_p的关系是：

$f_p=\frac{{\mathrm{\ω}}_p}{2\mathrm{\π}}$

半导体的等离子体角频率ω_p可由下式计算得出

${\mathrm{\ω}}_p=\sqrt{\frac{{\mathrm{ne}}^2}{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{static}}{m}^{*}}}$

上述公式中，n是半导体的自由载流子浓度，ε₀是绝对介电常数，ε_static是半导体的静态介电常数，m^*是载流子的有效质量。因此自由载流子浓度决定半导体的等离子体频率，而半导体的等离子体频率又决定半导体的介电常数从而影响半导体表面所传输的太赫兹波的传输距离和在介质中的衰减距离。因此，如果所需要研究的太赫兹波的传输距离和在介质中的衰减距离不合适，将会影响装置的性能。所幸根据以上公式可以大致估算到自由载流子浓度大约是多少。

对于掺杂半导体，我们可以据此选择合适掺杂浓度的半导体，它的优点是可以在常温下工作，缺点时短期内找到合适掺杂浓度的半导体较困难。而如果采用本征半导体，其优点是本征半导体的自由载流子数量会随着温度变化而变化，所以通过改变温度就可以改变本征半导体的等离子体角频率ω_p，从而实时改变半导体介电常数，但其缺点是一些生物组织在低温或高温下会改变结构和活性，使得测量不准确。因此，在不同的情况下，有时需要用掺杂半导体，有时需要采用本征半导体。

对于本征半导体，我们应尽可能使得温度变化范围较小。在常温下，本征半导体的等离子体频率f_p在1THz附近(ω_p约为2π×10¹²rad/s)所对应的载流子浓度可以由下式计算

$n=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{static}}{m}^2{\mathrm{\ω}}_p^2}{e^2}\≈{10}^{15}c{m}^{-3}$ 或10¹⁶cm^-3

由于不同的本征半导体具有不同的静态介电常数和载流子有效质量，所以只要在常温下该半导体的自由载流子浓度接近10¹⁵cm^-3或10¹⁶cm^-3，其等离子体频率都在1THz附近。而符合这样条件的本征半导体有砷化铟和锑化铟。砷化铟在300K的温度下本征载流子浓度约为7×10¹⁴cm^-3，锑化铟在300K的温度下本征载流子浓度约为1×10¹⁶cm^-3。

而其他很多半导体不符合这样的要求。比如砷化镓在300K的温度下本征载流子浓度约为2.1×10⁶cm^-3。如果要使得砷化镓晶片的本征载流子浓度达到1THz，在常温下需要改变温度的幅度将大于650K，显然这是不切实际的。再如锗在300K的温度下本征载流子浓度约为2×10¹³cm^-3。如果要使得锗晶片的本征载流子浓度达到1THz，在常温下需要改变温度幅度大约为480K，这也是不符合实际的。而其他半导体，如硅在300K的温度下本征载流子浓度约为1×10¹⁰cm^-3，本征载流子浓度离10¹⁵cm^-3或10¹⁶cm^-3都相差很远。所以这些本征半导体都不适合用于本发明中的生物薄膜的太赫兹光谱分析装置。

相比较而言，要使得砷化铟和锑化铟的本征载流子浓度达到1THz所需的温度改变都很小。比如砷化铟在大约250K的温度下本征载流子浓度达到1THz，锑化铟在大约333K的温度下本征载流子浓度达到1THz。这些温度都与常温300K相差不远，所以无论从性能还是成本的角度考虑，砷化铟和锑化铟都比其他一些本征半导体更适合制作本发明中的光谱分析装置，研究生物薄膜在0.1THz到2.0THz这个波段的太赫兹光谱。

Claims (3)

1.一种生物薄膜太赫兹光谱分析装置，其特征在于该装置包括半导体晶片(3)、两个平行放置的刀片(2)、太赫兹波源(11)以及太赫兹时域光谱仪(6)；两个刀片垂直于半导体晶片(3)，两个刀片(2)的刀口离半导体晶片(3)上表面的距离小于最大频率的太赫兹表面等离子体波(4)在空气中的衰减距离，两个刀片(2)之间的距离小于最大频率的太赫兹表面等离子体波在半导体表面传播距离；半导体晶片(3)的厚度大于最小频率的太赫兹表面等离子体波在半导体中的衰减距离；太赫兹波源(11)所发出的太赫兹波以一定角度入射到其中一个刀片的刀口处，太赫兹时域光谱仪分析另一个刀片的刀口处所耦合出的太赫兹波。

2.根据权利要求1所述的生物薄膜太赫兹光谱分析装置，其特征在于所述的半导体晶片(3)是本征半导体，或是多数载流子浓度合适的掺杂半导体，该半导体(3)的等离子体频率大于所传输的太赫兹波最大频率。

3.一种如权利要求1所述的生物薄膜太赫兹光谱分析装置的分析方法，其特征在于该方法利用太赫兹表面等离子体波在半导体表面的很小空间内有很强电场强度的性质提高光谱分析装置的灵敏度和信噪比；该方法分成三步：

第一步，从太赫兹波源(11)发出的太赫兹波(1)通过刀片(2)刀口耦合为太赫兹表面等离子体波(4)，太赫兹表面等离子体波(4)通过半导体(3)传输到另一个刀片(2)的刀口，另一个刀片(2)的刀口将太赫兹表面等离子体波(4)转化回太赫兹波(1)，太赫兹时域光谱仪(6)测得该太赫兹波(1)的谱线；

第二步，在半导体(3)表面两个刀片(2)之间的位置上放置生物薄膜(5)，从太赫兹波源(11)发出的太赫兹波(1)通过刀片刀口耦合为太赫兹表面等离子体波(4)，太赫兹表面等离子体波(4)通过半导体(3)以及生物薄膜(5)传输到另一个刀片(2)的刀口，另一个刀片(2)的刀口将太赫兹表面等离子体波(4)转化回太赫兹波(1)，太赫兹时域光谱仪(6)测得太赫兹表面等离子体波(4)经过生物薄膜(5)后的太赫兹波谱线；

第三步，用第二步得到的光谱数值除以同频率的第一步得到的光谱数值，即作归一化处理，就可以得到透过该生物薄膜(5)所对应的归一化太赫兹谱，再根据该太赫兹谱所对应的吸收峰对该生物薄膜(5)进行分析，判断其分子组成或化学元素。

Images