CN104865221A - 一种太赫兹等离子波有机物检测装置以及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太赫兹等离子波有机物检测装置包括信号源、光纤、太赫兹波发射部、耦合部、传导部、样品容纳部、太赫兹波接收部。信号源用于发射光信号，并通过光纤将光信号传输给太赫兹波发射部；太赫兹发射部对光信号进行过滤，产生太赫兹波；耦合部用于将太赫兹波耦合入或耦合出传导部；传导部用于产生太赫兹等离子波并传导太赫兹等离子波，使其穿过样品容纳部；太赫兹接收部用于接收太赫兹等离子波，并通过光纤将其传输给下位设备进行数据分析。

Description

一种太赫兹等离子波有机物检测装置以及检测方法

技术领域

本发明属于太赫兹波检测领域，具体涉及一种太赫兹等离子波有机物检测装置以及检测方法。

背景技术

传统的对有机物识别主要还是采用扫描电子显微镜或原子力显微镜等设备进行表面行貌测量，这种方法不仅耗时长、无量化指标、成本昂贵，而且对于表面形貌相似的物质的分辨误差率很高。此外，现代医学技术对大型有机物团簇结构(如生物细胞及癌细胞)进行检测主要通过CT(计算机x线体层摄影)或者MRI(核磁共振)实现，但CT扫描时间长，长时间照射还会诱发恶性肿瘤和白血病，而MRI虽然检测精度高，但是成像时间长。综上所述，急需更灵敏的检测传统有机物以及特殊有机物如生物细胞的手段。

太赫兹(THz)波是介于微波和红外之间的电磁波(频率范围在0.1THz到10THz)，可利用大分子基团有机物对其的特征吸收谱来检测分析材料的组成及其属性的细微变化。此外，太赫兹波能够发现生物细胞组织水分中的细小差别，比如，一般来说癌细胞会比周围的细胞含水量要多，所以更容易被发现。但这项技术仍处于基础研究阶段，提高太赫兹波检测的灵敏度以及可靠性，是目前急需解决的问题。

金属周期性等离子芯片可以有效局域电磁波，2008年，Wenqi Zhu等人在太赫兹波段实现了金属等离子芯片的单频传输的功能(OpticsExpress,Vol.16,Issue 9,pp.6216-6226,2008)。相对于以往的太赫兹检测技术，金属周期性等离子芯片的检测灵敏度有较大提高，但其单槽结构，使得芯片只能采用单个频段对物质进行检测，测试结果的可靠性仍有待提高。

发明内容

本发明是为解决上述问题而进行的，通过提供一种太赫兹等离子波有机物检测芯片，既增加了太赫兹波与等离子芯片的耦合问题，又提高了太赫兹波检测有机物的灵敏度和可靠性。

本发明采用了如下技术方案：

本发明提供的太赫兹等离子波有机物检测装置，具有这样的技术特征，包括：信号源，用于发射光信号；太赫兹波发射部，和信号源连接，用于对光信号进行过滤，产生太赫兹波；第一耦合部，用于将太赫兹波耦合；传导部，和第一耦合部连接，用于产生太赫兹等离子波并传导太赫兹等离子波；样品容纳部，位于传导部上，由对太赫兹波透明的材料构成，用于容纳待检样品；第二耦合部，和传导部的末端连接，用于将太赫兹等离子波耦合出传导部；以及太赫兹波接收部，和第二耦合部连接，用于接收太赫兹等离子波，并将其传输给下位设备进行数据分析。

其中，第一耦合部和第二耦合部分别位于传导部的两端，均包括波导层以及覆盖于波导外层外表面的包覆层，包覆层的折射率小于波导层的折射率。传导部为低阻光栅板，低阻光栅板的顶端设置有复数个相间排列的且深度不同的第一凹槽以及第二凹槽。

本发明提供的太赫兹等离子波有机物检测装置，还可以具有这样的技术特征，还包括：位移台部，包括分别与低阻光栅板连接的水平位移台以及竖直位移台，用于调节低阻光栅板的水平位置以及竖直位置，使得太赫兹波照射到波导层上。

本发明提供的太赫兹等离子波有机物检测装置，还可以具有这样的技术特征：波导层为氧化铝薄片以及折射率不小于氧化铝材料制成的薄片中的任意一种，包覆层的材质为聚丙烯以及聚乙烯的任意一种。

本发明提供的太赫兹等离子波有机物检测装置，还可以具有这样的技术特征：低阻光栅板由高掺杂的低阻半导体以及金属板中的任意一种材料制成。

本发明提供的太赫兹等离子波有机物检测装置，还可以具有这样的技术特征：第一凹槽以及第二凹槽的槽长、槽宽以及两槽边缘之间的间距相同，第一凹槽的槽深大于第二凹槽的槽深，第一凹槽槽深：第二凹槽槽深为1.5:1～5:1。

本发明提供的太赫兹等离子波有机物检测装置，还可以具有这样的技术特征：太赫兹波发射部和信号源通过光纤连接。

本发明提供的太赫兹等离子波有机物检测装置，还可以具有这样的技术特征：一个第一凹槽和与之相邻的第二凹槽组成传导部的一个传导单元，传导单元的个数为40-50个。

本发明提供的太赫兹等离子波有机物检测装置，还可以具有这样的技术特征：入射到传导部的太赫兹波的入射频率为0.1THz～2THz。

本发明提供的太赫兹等离子波有机物检测装置，还可以具有这样的技术特征：用于检测的有机物的范围涵盖液体和固体有机物，固体有机物优选癌细胞，液体有机物优选细胞液。

进一步的，本发明还提供了一种太赫兹等离子有机物检测装置检测有机物的方法，具有如下步骤：

步骤一，采用信号源发出光线给太赫兹发射部，得到太赫兹波，第一耦合部的波导层将太赫兹波耦合到传导部，形成太赫兹等离子波；

步骤二，太赫兹波以TM模式在凹槽阵列中传播，并穿过样品容纳部，对待检样品进行检测；

步骤三，第二耦合部的波导层将穿过样品容纳部的太赫兹波耦合出传导部，并由太赫兹波接收部接收，并将其传输给下位设备进行数据分析，完成对待检样品的检测。

发明作用与效果

本发明提供了一种太赫兹等离子波有机物检测芯片以及检测方法，相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

传导部低阻光栅板的两端各集成封装了由波导层和包覆层构成的耦合部，使得太赫兹波和低阻光栅板的耦合效率达到了80％以上，创新解决了太赫兹波和低阻光栅板的耦合问题。

同时，低阻光栅板上设置有深度不同的凹槽，可以对有机物形成双通道检测效果，能够最大限度的捕捉到有机物与正常细胞的差异，形成双保险，大大提高了检测的灵敏度及可靠性。

附图说明

图1是本发明的太赫兹等离子波有机物检测装置的侧视图；

图2是本发明的太赫兹等离子波有机物检测装置的俯视图；

图3是本发明的凹槽的结构示意图；

图4是本发明的太赫兹等离子波有机物检测装置检测有机物的流程图；

图5是本发明的太赫兹等离子波有机物检测装置色散曲线图；

图6是本发明的太赫兹等离子波有机物检测装置的检测效果图。

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

图1是本实施例的太赫兹等离子波有机物检测装置的侧视图。

图2是本实施例的太赫兹等离子波有机物检测装置的俯视图。

图3是本实施例的凹槽的结构示意图。

如图1～图3所示，太赫兹等离子波有机物检测装置100包括信号源1、光纤2、太赫兹波发射部3、耦合部4、传导部5、样品容纳部6、太赫兹波接收部7。信号源1用于发射光信号，并通过光纤2将光信号传输给太赫兹波发射部3；太赫兹发射部3对光信号进行过滤，产生太赫兹波；耦合部4用于将太赫兹波耦合入或耦合出传导部5；传导部5用于产生太赫兹等离子波并传导太赫兹等离子波，使其穿过样品容纳部6；太赫兹接收部7用于接收太赫兹等离子波，并通过光纤2将其传输给下位设备进行数据分析。

耦合部4包括结构相同的第一耦合部以及第二耦合部，两个耦合部分别设置于传导部5的首末两端，均包括和传导部5连接的波导层41以及覆盖于波导层外表面的包覆层42。波导层为氧化铝薄片或者由其他折射率不小于氧化铝的材料制成的薄片，包覆层42为聚丙烯薄膜或聚乙烯薄膜，其折射率小于波导层的折射率，用于防止太赫兹波穿过波导层射入空气中，减少太赫兹波的损失。

传导部5为低阻光栅板，由高掺杂的低阻半导体以及金属板中的任意一种材料制成。在低阻光栅板的顶端设置有凹槽结构8。凹槽结构8包括复数个相间排列的第一凹槽81以及第二凹槽82，两个凹槽的深度不同，第一凹槽81和第二凹槽82的深度比为1.5:1～5:1。第一凹槽以及与之相邻的第二凹槽共同组成了传导部的一个传导单元，本实施例中，传导单元的周期个数为40～50个。

样品容纳部6被放置于低阻光栅板5上，是由厚度为20μm的PDMS制成的样品腔。样品腔的长、宽均为10mm、高为3mm，待检样品被置于样品腔内。

本实施例中，低阻光栅板5长度为50mm、宽度为5mm、厚度为5mm。氧化铝薄片41和聚丙烯包层42的长度均为10mm，宽度均为3mm，氧化铝薄片41的厚度为200μm、聚丙烯包层42的厚度为1mm。

一个传导单元的长度p为250μm；两个凹槽的间距t为60μm；两凹槽的槽宽w相同均为65μm；凹槽的长度D也相同均为500μm；第一凹槽的槽深h₁为350μm、第二凹槽的槽深h₂为150μm。

本实施例中的传导部的制备方法为：先寻找合适的半导体块毛坯，长宽高分别不得小于60mm，10mm，10mm，通过切削的方式得到光栅板，而后，使用化学腐蚀法在半导体块上刻上所需两种参数的凹槽。

如图4所示，本实施例的太赫兹等离子波有机物检测装置检测有机物的方法，包括以下步骤：

步骤一，太赫兹等离子波有机物检测装置组装完毕后，置于太赫兹时域光谱系统中。信号源1发出光信号并通过光纤2将光信号传输给太赫兹发射部3，太赫兹发射部3对光信号进行过滤，产生入射频率为0.1THz～2THz的太赫兹波；

步骤二，分别调节位移台部的水平位移台以及竖直位移台，以调节低阻光栅板5的水平位置以及竖直位置，使得太赫兹波能够照射到波导层41上，波导层将太赫兹波从自由空间耦合到低阻光栅板5的凹槽结构8中，形成SPPs。

步骤三，太赫兹波以TM模式在凹槽阵列中传播，经第一凹槽81以及第二凹槽82耦合后，同时形成两个单频波，两单频波同时穿过样品容纳部6，对待检样品进行检测，之后进入到第二耦合部的波导层中；

步骤四，第二耦合部的波导层将穿过样品容纳部的太赫兹波耦合出传导部，由太赫兹波接收部7接收，并将其传输给下位设备进行数据分析，完成对所述待检样品的检测。

图5是本实施例的太赫兹等离子波有机物检测装置色散曲线图。

图5中，直线代表光线，在光线右边，两条实线分别代表该装置的两个模式，即太赫兹波分别经第一凹槽以及第二凹槽耦合后所形成的单频波。两条线的振荡频率分别是0.27THz和0.42THz，即反映了该装置所传输的两个频段分别在0.27THz和0.42THz。

两条虚线分别代表了单槽传输时的色散曲线，上一条曲线代表h₁＝350μm、h₂＝0μm，下一条曲线代表h₁＝0μm、h₂＝150μm，由于两条虚线的截止频率和双槽装置的两种模式重合，并且单槽结构周期和双槽周期相同，因此在本实施例上传输的两种频率段波形是互相不干涉的独立传播。

图6是本实施例的太赫兹等离子波有机物检测装置的检测效果图。

如图6所示，实线代表有有机物样品时的频谱，虚线代表有正常细胞时的频谱，可以看到在0到1THz之间两条曲线上都出现了两个明显的峰值，说明在此峰值对应的频率段的太赫兹在本装置上成功传输。虚线两个峰值对应的频率分别是0.27THz和0.42THz，和图5中色散曲线相对应，对有机物样品进行检测时，两个频点都相应的发生了一定程度的蓝移。

实施例作用与效果

本实施例提供了一种太赫兹等离子波有机物检测芯片以及检测方法，相对于现有技术，本实施例的有益效果如下：

传导部低阻光栅板的两端各集成封装了由波导层和包覆层构成的耦合部，使得太赫兹波和低阻光栅板的耦合效率达到了80％以上，创新解决了太赫兹波和低阻光栅板的耦合问题。

同时，太赫兹波经氧化铝的耦合后，在可有双槽结构的光栅板表面形成TM波，并沿着槽型阵列传播，由于两种凹槽的深度不同，可形成两种单频波同时对有机物进行检测，即，对有机物形成双通道检测效果，形成双保险，大大提高了检测的灵敏度及可靠性。通过改变槽的深度和不同参数槽型的个数，能够实现多频段的表面等离子波的传输，能够最大限度的捕捉到有机物与正常细胞的差异，保证了实验的严谨性以及检测的高效率性。

Claims (10)

1.一种太赫兹等离子波有机物检测装置，其特征在于，具有：

信号源，用于发射光信号；

太赫兹波发射部，和所述信号源连接，用于对所述光信号进行过滤，产生太赫兹波；

第一耦合部，用于将所述太赫兹波耦合；

传导部，和所述第一耦合部连接，用于产生所述太赫兹等离子波并传导所述太赫兹等离子波；

样品容纳部，位于所述传导部上，由对所述太赫兹波透明的材料构成，用于容纳待检样品；

第二耦合部，和所述传导部的末端连接，用于将所述太赫兹等离子波耦合出所述传导部；以及

太赫兹波接收部，和所述第二耦合部连接，用于接收所述太赫兹等离子波，并将其传输给下位设备进行数据分析，

其中，所述第一耦合部和所述第二耦合部分别位于所述传导部的两端，均包括波导层以及覆盖于所述波导外层外表面的包覆层，所述包覆层的折射率小于所述波导层的折射率，

所述传导部为低阻光栅板，所述低阻光栅板的顶端设置有复数个相间排列的第一凹槽以及第二凹槽，所述第一凹槽和所述第二凹槽的深度不同，

所述太赫兹波经所述第一耦合部耦合进入所述传导部后，在所述传导部中的凹槽阵列中以TM模式进行传播，穿过所述样品容纳部后，由所述第二耦合部耦合出并由所述太赫兹波接收部接收，实现对所述有机物的检测。

2.根据权利要求1所述的太赫兹等离子波有机物检测装置，其特征在于，还包括：

位移台部，包括分别与所述低阻光栅板连接的水平位移台以及竖直位移台，用于调节所述低阻光栅板的水平位置以及竖直位置，使得所述太赫兹波照射到所述波导层上。

3.根据权利要求1所述的太赫兹等离子波有机物检测装置，其特征在于：

其中，所述波导层为氧化铝薄片以及折射率不小于所述氧化铝的材料制成的薄片中的任意一种，

所述包覆层的材质为聚丙烯以及聚乙烯的任意一种。

4.根据权利要求1所述的太赫兹等离子波有机物检测装置，其特征在于：

其中，所述低阻光栅板由高掺杂的低阻半导体以及金属板中的任意一种材料制成。

5.根据权利要求1所述的太赫兹等离子波有机物检测装置，其特征在于：

其中，所述第一凹槽以及所述第二凹槽的槽长、槽宽以及两槽边缘之间的间距相同，

所述第一凹槽的槽深大于所述第二凹槽的槽深，所述第一凹槽槽深：所述第二凹槽槽深为1.5:1～5:1。

6.根据权利要求1所述的太赫兹等离子波有机物检测装置，其特征在于：

其中，所述太赫兹波发射部和所述信号源通过光纤连接。

7.根据权利要求1所述的太赫兹等离子波有机物检测装置，其特征在于：

其中，所述一个所述第一凹槽和与之相邻的所述第二凹槽组成所述传导部的一个传导单元，

所述传导单元的个数为40-50个。

8.根据权利要求1所述的太赫兹等离子波有机物检测装置，其特征在于：

其中，入射到所述传导部的所述太赫兹波的入射频率为0.1THz～2THz。

9.根据权利要求1所述的太赫兹等离子波有机物检测装置，其特征在于：

其中，所述有机物包括化学有机物以及生物样品中的液体有机物和固体有机物。

10.权利要求1所述的太赫兹等离子有机物检测装置检测有机物的方法，其特征在于，具有如下步骤：

步骤一，采用信号源发出光线给所述太赫兹发射部，得到太赫兹波，所述第一耦合部的波导层将所述太赫兹波耦合到所述传导部，形成太赫兹等离子波；

步骤二，所述太赫兹波以TM模式在凹槽阵列中传播，并穿过所述样品容纳部，对所述待检样品进行检测；

步骤三，所述第二耦合部的波导层将穿过所述样品容纳部的所述太赫兹波耦合出所述传导部，所述太赫兹波接收部接收所述太赫兹波，并将其传输给下位设备进行数据分析，完成对所述待检样品的检测。