CN106370617A - 基于光子晶体的可控非色散红外毒品检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于光子晶体的可控非色散红外毒品检测器，适用于毒品检测领域，包括一个红外光源、一个基于光子晶体的可控红外探测模块、一红外吸收腔、两块滤光片。两个滤光片分别位于光通道气体吸收腔两端，红外光源和基于光子晶体的可控红外探测器分别固定在该毒品检测器的内部两端，两块滤光片、红外光源发射面和红外探测模块接收面相互平行，并与红外吸收腔的中心轴线垂直。本发明通过调节两层光子晶体连接电极的加载电压，通过库仑力改变两层光子晶体层构成的法布里‑珀罗干涉腔的腔长，使透过的红外光中心波长对应不同毒品成分的红外光谱吸收中心波长，由广谱红外吸收层将接收到的光信号转变成电信号，实现对不同毒品成分的可控探测。
Description
技术领域
本发明涉及毒品检测技术领域，是一种可对不同毒品进行可控检测的非色散红外毒品检测器，用于对人唾液样品中的毒品进行快速、灵敏的检测。
背景技术
目前，毒品泛滥已成为世界性的社会问题，是威胁人类健康和社会稳定的重要因素。故而，毒品检测技术的发展、毒品检验装置的优化是当今社会进度工作的重要组成部分。
目前常用的生物检材方法包括尿液检材、血液检材、毛发检材、唾液检材。唾液是一种超滤体液，能存留游离态的药物成分，目前大部分常用滥用药物菌均可以从唾液检材中检出。与其他检材相比，唾液的收集方法可以避免对客体的侵害；收集唾液一般不需要特殊的设备，也不需要谨防作弊而对客体近距离监控，容易保护客体隐私；唾液没有尿液那么容易吸收掺杂物；通过唾液可以检测一些药物或代谢物的游离态蛋白质的循环浓度，对分析评估药物滥用者个体受损情况非常重要，这是尿液所不能的；通过进一步研究代谢物在唾液中的比率，还可以推断出药物的提取时间。
而不同的毒品类型、不同的毒品存在形式所选用的检验方法都有所不同。目前广泛运用的分析方法有常规化学方法、光谱分析方法、薄层色谱法、各种免疫学分析方法、气相色谱法、气相色谱—质谱联用方法、高效液相色谱法、高效液相色谱—质谱联用、毛细管电泳技术等。此外，还有利用光谱技术直接对毒品样本进行分析认定的方法，包括红外光谱技术、太赫兹光谱技术、拉曼光谱技术等。其中，红外光谱法是许多国家进行毒品鉴定的一种常用方法，采集到的红外光谱图能反映测试对象的组分、分子结构、晶型结构等特征，针对毒品检测，通常采用近红外区和中红外区的光谱技术；红外光谱法对待测样品的预处理没有要求，同时可做到无损检测，具有操作过程简便、快速的优点。太赫兹波是一种位于微波和远红外之间的电磁辐射，大多数毒品在此波段有特征吸收，因此也可对毒品样本进行此波段的光谱解析。
但是，上述毒品检验方法中，色谱分析法及毛细管电泳法需要在检测前对样品进行包含萃取在内的一系列处理工作，操作繁琐、成本高昂、检测进程长，不适合现场检测；而且检测时样品会被破坏，妨碍证据收集。免疫分析所必须用的生化试剂在常温条件下容易失去生物活性，使得温度、湿度等外界条件容易对免疫分析过程造成干扰，影响其检测结果的准确性，因此只能作为一种毒品的初步筛选方法。红外光谱技术的灵敏度较低，图谱解析方面尚未形成统一的方法，且不能用于分析含水样品。而太赫兹光谱技术中太赫兹光源功率较低且不稳定，成像系统造价昂贵，设备体积庞大，信息处理过程非常复杂。
发明内容
基于此，本发明提供一种基于光子晶体的可控非色散红外毒品检测器，用于对人唾液样品中的毒品进行快速、灵敏的检测，以有效解决现有技术存在的问题。
一种基于光子晶体的可控非色散红外毒品检测器，包括：
红外光源；
基于光子晶体的可控红外探测模块；
两片遮光片；及
外壳。
所述基于光子晶体的可控红外探测模块，包括基底，隔离层，两层光子晶体层，n型掺杂硅，p型掺杂硅，电极，广谱红外吸收层组成。
进一步地，本发明所述的基于光子晶体的可控红外探测模块的基底，为了使待测红外光通过，基底中部被挖空；本发明所述的基于光子晶体的可控红外探测模块的两层光子晶体层，相互平行，构成法布里-珀罗干涉腔，允许通过特定波长的光；本发明所述的基于光子晶体的可控红外探测模块的广谱红外吸收层，对红外光吸收，将光信号转换成电信号输出，得到所需要的探测数据；本发明所述的基于光子晶体的可控红外探测模块的电极，用于红外探测器的控制和读出数据。
本发明所述的外壳为一方形筒结构，由一种金属材料制成，包括一个红外吸收腔和两个基座。外壳内侧采用了金属抛光工艺，降低了内侧表面的粗糙度。
本发明所述外壳上的两个基座，大小和形状一样，位于本发明所述的检测器两端，分别用来固定基于光子晶体的可控红外探测模块和红外光源。
本发明所述的红外吸收腔，左右两端对称地各有一个开口，作为唾液试纸的插入口。
本发明所述的遮光片，位于红外吸收腔前后两端，其目的是过滤可见光噪声，仅允许红外光通过，使得红外吸收腔内只有红外光传输。
本发明所述的遮光片和基座之间由橡胶材料的密封圈进行粘结固定。
本发明所述的红外光源的发光面与红外探测模块的接收面相互对立，且与红外吸收腔的中心轴线垂直。
本发明设计的基于光子晶体的可控红外探测模块，通过调节由MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）控制的两层光子晶体构成的法布里-珀罗干涉腔的腔长，实现对特定中心波长的红外光的滤波作用，达到对不同毒品的可控探测的目的。
附图说明
图1为基于光子晶体的可控非色散红外毒品检测器的整体结构示意图。
图2为基于光子晶体的可控非色散红外毒品检测器的分离结构剖面示意图。
图3为基于光子晶体的可控红外探测模块的基底层结构示意图。
图4为基于光子晶体的可控红外探测模块的中间层结构示意图。
图5为基于光子晶体的可控红外探测模块的顶层结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种基于光子晶体的可控非色散红外毒品检测器，采用基于光子晶体的可控红外探测模块，通过MEMS技术改变由两层光子晶体构成的法布里-珀罗干涉腔的腔长，从而控制透过法布里-珀罗干涉仪的红外光中心波长，使之与被测唾液样本中毒品成分的红外吸收谱中心波长相对应，达到对不同毒品的可控探测。
一种基于光子晶体的可控非色散红外毒品检测器，有一种金属材料制成的外壳，如图1和2所示，包括基座1、基座8、光谱吸收腔11的外壳4，光谱吸收腔外壳4的左右两端有用于放入唾液试纸的开口5。另外，遮光片3、遮光片6，分别位于光谱吸收腔外壳4的上下两端；密封圈2、密封圈7分别用来粘结基座1、遮光片3和基座8、遮光片6；基于光子晶体的可控红外探测模块9固定在基座1的中心，红外光源10固定在基座8的中心，并且红外光源10的发射面和基于光子晶体的可控红外探测模块9的接收面共有一条中心垂直线。
本发明所述的基于光子晶体的可控红外探测模块，由三层组成，包括基底层、中间层、顶层，分别如图3、图4、图5所示。
进一步地，本发明所述的基于光子晶体的可控红外探测模块的基底层，如图3所示，包括基底12、隔离层13、方形孔洞14。
更进一步地，本发明所述的基于光子晶体的可控红外探测模块的中间层，如图4所示，包括光子晶体层15，金属电极16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36，n型掺杂硅37。其中电极17、21、24、27通过与37相同的n型掺杂硅与光子晶体层15相连；电极16、18、20、22、23、25、26、28通过与37相同的n型掺杂硅分别与电极35、36、29、30、31、33、32、34相连；电极19作为输入电极，与电极17、21、24、27通过金属介质相连。
更进一步地，本发明所述的基于光子晶体的可控红外探测模块的顶层，如图5所示，包括光子晶体层38，广谱红外吸收层39，电极40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、53、54、55、56，p型掺杂硅52。其中电极41、44、47、50通过与52相同的p型掺杂硅与光子晶体层38相连；与电极53相同的8个电极与广谱红外吸收层39接触，并且这8个电极通过与52相同的p型掺杂硅分别与电极40、42、43、45、46、48、49、51相连；电极55作为读数电极，与电极53相连；电极56作为输入电极，通过金属介质与电极51、44、47、50相连。
其中，光子晶体层15和38的材料为硅，其俯视为正方形，其边长为500 μm，厚度为1μm。
更进一步地，图4所示的基于光子晶体的可控红外探测器的中间层置于图3所示的基于光子晶体的可控红外探测器的基底层的隔离层13之上。
更进一步地，图5所示的基于光子晶体的可控红外探测器的顶层置于图4所示的基于光子晶体的可控红外探测器的中间层上方。其中电极29、30、31、32、33、34、35、36与本发明所述的广谱红外吸收层39接触，并与电极53相同的8个电极连接；电极20、18、16、28、26、25分别与电极42、40、51、49、48、46通过金属介质相连；电极54作为读数电极，与23相连。
本发明所述的基于光子晶体的可控红外探测器，其工作方式如下所示：
对电极19加载电压，把与电极17、21、24、27相连的n型掺杂硅中作为多数载流子的自由电子输送到光子晶体层15中，使光子晶体层15布满带有负电荷的自由电子；同时，对电极56加载电压，把与电极41、44、47、50相连的p型掺杂硅中作为多数载流子的空穴输送到光子晶体层38中，使光子晶体层38布满带有正电荷的空穴。通过改变对电极19和电极56加载的电压大小，控制光子晶体层15的自由电子量和光子晶体层38的空穴量。由于光子晶体层15和光子晶体层38分别带有负电荷和正电荷，因此两层光子晶体层构成一个电容，改变正负电荷量，就能改变两层光子晶体层间库仑力的大小，从而改变两层光子晶体层之间的距离。两层光子晶体层构成的法布里-珀罗干涉腔，由于上述原因其腔长可以进行调节，因此可以控制透射的红外光中心波长。
进一步地，广谱红外光通过本发明所述的两层光子晶体层构成的法布里-珀罗干涉腔，得到特定中心波长的红外光，被广谱红外吸收层39所吸收，将光信号转变为电信号，通过与广谱红外吸收层39相接触的电极，将信号传送至读数电极54、55，供外部设备进行数据采集，实现对唾液试纸上的毒品成分和浓度的探测。
本发明所述的基于光子晶体的可控非色散红外毒品检测器，待测唾液试纸由开口5插入到光谱吸收腔11内，红外光源10发出的广谱红外光经过滤光片6后，滤掉可见光噪声部分。在红外吸收腔11内，待测唾液试纸中的毒品成分对广谱红外光某一特定中心波长的光进行吸收，被吸收的红外光通过滤光片3后被基于光子晶体的可控红外探测模块9所接收，通过调节电极19和电极56的加载电压来控制两层光子晶体层构成的法布里-珀罗干涉腔的腔长，使透过光的中心波长对应待测毒品成分的红外吸收谱中心波长，实现对不同毒品成分的可控探测。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (8)
1.一种基于光子晶体的可控非色散红外毒品检测器，包括红外光源，其特征在于：包括基于光子晶体的可控红外探测模块遮光片和外壳。
2.如权利要求1所述的基于光子晶体的可控非色散红外毒品检测器，其特征在于：所述外壳包括红外吸收腔外壳和两个基座，其中红外吸收腔的左右两端分别有一个开口，用于插入含有毒品样本的唾液试纸。
3.如权利要求1所述的基于光子晶体的可控非色散红外毒品检测器，其特征在于：所述遮光片用于过滤可见光噪声部分，仅允许红外波段的光通过。
4.如权利要求1或2所述的基于光子晶体的可控非色散红外毒品检测器，其特征在于：所述基于光子晶体的可控红外探测模块固定在所述的一个基座上，包括基底层、中间层和顶层。
5.如权利要求4所述的基于光子晶体的可控非色散红外毒品检测器，其特征在于：所述中间层的光子晶体层和顶层的光子晶体层构成法布里-珀罗干涉腔，其腔长的变化是通过电极上的加载电压来改变两层光子晶体之间的库仑力来实现的。
6.如权利要求5所述的基于光子晶体的可控非色散红外毒品检测器，其特征在于：光子晶体层选用材料为硅。
7.如权利要求5所述的基于光子晶体的可控非色散红外毒品检测器，其特征在于：所述法布里-珀罗干涉腔腔长的可控范围为500 nm至2微米。
8.如权利要求5或6所述的基于光子晶体的可控非色散红外毒品检测器，其特征在于：光子晶体层俯视为正方形，边长为500 μm，厚度为1 μm。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105486652A (zh) * | 2015-10-23 | 2016-04-13 | 成都市亿泰科技有限公司 | 基于光子晶体的可控非色散红外气体传感器 |
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2016
- 2016-10-18 CN CN201610905395.9A patent/CN106370617A/zh active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105486652A (zh) * | 2015-10-23 | 2016-04-13 | 成都市亿泰科技有限公司 | 基于光子晶体的可控非色散红外气体传感器 |
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