CN109580535A - 用于增强太赫兹波检测生物细胞组织信号的超材料结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于增强太赫兹波检测生物细胞组织信号的超材料结构，采用将生物样本组织涂抹在透射式双频吸收结构单元所构成的矩形阵列上的方法，使得太赫兹波发生装置产生的短脉冲信号在经过样本和超材料结构阵列时，太赫兹信号与生物组织中的特异性物质的振动转动频率发生共振吸收，该特征吸收频率又恰好与所设计的超材料双频结构的吸收频率相吻合，进行共振放大，在使特征峰更加明显的同时抑制噪音信号的干扰，从而达到增强太赫兹波检测生物组织细胞效果的功能。提高待检测的生物样本中关键物质的特征吸收峰信号，抑制噪音信号，使得生物检测效率及准确性大大提升。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹检测增强技术，特别涉及一种用于增强太赫兹波检测生物细胞组织信号的超材料结构。
背景技术
近几十年来，太赫兹波以其广泛的应用前景，已成为国际上物理领域的一个重要研究课题。太赫兹波是指频率在0.1-10THz范围(波长在0.03到3mm范围)的电磁波(1THz＝1012Hz)，在电磁波谱中位于微波与红外波之间。太赫兹波特殊的电磁波谱位置使得它具有许多独特的优点：具有携带信息量丰富、高时空相干性、低光子能量等特性，在天文、生物、计算机、通信等科学领域有着巨大的应用价值。目前，主要的应用研究有太赫兹时域光谱技术、太赫兹成像技术、安全检查、太赫兹雷达、天文学、通信技术。
传统太赫兹生物检测系统在检测生物组织细胞时主要利用时域光谱仪(TDS)获得被测样本的太赫兹频段频谱，通过分析频谱中携带样品特异性标志物信息的特征指纹谱来对样品中特定物质进行定性和定量分析。但在实际进行检测的时候，吸收谱往往会受到检材特征吸收特性和噪声本底信号等影响。由于太赫兹生物检测系统所探测到的特征吸收峰幅值跟样本吸收特性和关键物质含量相关，对于吸收系数低以及量极少的样本，特征吸收峰往往淹没在噪声中，限制了系统对关键物质的有效识别。因此，如何解决这一问题成为太赫兹技术在生物组织检测领域中应用的难题。传统的生物医学技术中通常采用质谱法、试剂盒法等对样本成分进行分析，但一般只可以分辨化学结构简单的物质，无法分辨复杂的有机化合物，并且这些方法在临床医学上的应用普遍存在检测费用昂贵，结果报告时效性差等缺点。所以如何提高生物组织检测的效率，降低检测费用越来越受到各界的关注，是一个极具现实意义和应用前景的探索。
发明内容
本发明是针对目前太赫兹生物检测对低吸收系数样本或微量样本检测困难的问题，提出了一种用于增强太赫兹波检测生物细胞组织信号的超材料结构，采用将生物样本组织涂抹在透射式双频吸收结构单元所构成的矩形阵列上的方法，使得太赫兹波发生装置产生的短脉冲信号在经过样本和超材料结构阵列时，太赫兹信号与生物组织中的特异性物质的振动转动频率发生共振吸收，该特征吸收频率又恰好与所设计的超材料双频结构的吸收频率相吻合，进行共振放大，在使特征峰更加明显的同时抑制噪音信号的干扰，从而达到增强太赫兹波检测生物组织细胞效果的功能。
本发明的技术方案为：一种用于增强太赫兹波检测生物细胞组织信号的超材料结构，由超材料单元阵列排布组成，超材料单元包含矩形介电基底，附着于介电基底上的开口环高频吸波器和双金属棒低频吸波器，双金属棒低频吸波器两金属棒平行于介电基底左右两边，开口环高频吸波器开口向上置于双金属棒低频吸波器两金属棒之间，并且与两金属棒间距相同；数个相同的超材料单元双金属棒低频吸波器中两金属棒首尾直线对齐排列，并且所有开口环高频吸波器开口方向一致，形成一列超材料，数列超材料同方向对齐最终组成一片完整的由超材料单元横竖阵列排布的超材料结构。
所述超材料单元中由开口环高频吸波器、双金属棒低频吸波器所组成的双频吸波结构的吸收频率，与被测生物细胞组织的特征吸收频率相吻合。
本发明的有益效果在于：本发明用于增强太赫兹波检测生物细胞组织信号的超材料结构，基于超材料和待检材料之间的相互作用检测生物材料，超材料结构简单，生产工艺成熟，易于批量生产，兼容各类太赫兹频域检测设备，与待测样本简单叠加即可使用，效果明显且易于操作；最大优点在于提高待检测的生物样本中关键物质的特征吸收峰信号，抑制噪音信号，使得生物检测效率及准确性大大提升。
附图说明
图1为本发明超材料单元结构示意图；
图2为本发明超材料阵列放大图；
图3为本发明超材料阵列示意图；
图4为本发明基于超材料结构设计的检测系统示意图；
图5为本发明超材料频谱，以及检测不同样本时频谱效果图。
具体实施方式
如图1所示超材料单元结构示意图，超材料单元包含矩形介电基底2-1，附着于介电基底2-1上的开口环高频吸波器2-2和双金属棒低频吸波器2-3，双金属棒低频吸波器2-3两金属棒平行于介电基底2-1左右两边，开口环高频吸波器2-2开口向上置于双金属棒低频吸波器2-3两金属棒之间，并且与两金属棒间距相同。数个相同的超材料单元双金属棒低频吸波器2-3中两金属棒首尾直线对齐排列，所有开口环高频吸波器开口方向一致，形成一列超材料，数列超材料同方向对齐最终组成一片完整的由超材料单元横竖阵列排布的超材料结构，如图2放大图及图3示意图所示。
如图4所示基于超材料结构设计的检测系统示意图，包含依次在同一光轴上排布的太赫兹光源1，由超材料阵列构成的透射式双频吸收结构单元2，太赫兹光谱仪3；太赫兹光源出光光谱范围应包含并大于超材料工作频率范围。
先按照偏振方向要求将超材料阵列固定于光谱仪样品架，采集并记录超材料阵列固有透射谱，在探测系统(太赫兹光谱仪3)显示屏上会出现两个明显的共振吸收峰。然后将待测样品切片贴于超材料阵列介电基底表面，将贴有待测样本的超材料阵列固定于样本架。太赫兹波由太赫兹光源1产生，垂直入射并透过待测样品，打到超材料阵列的介电基底上，然后再通过由开口环高频吸波器、双金属棒低频吸波器所组成的双频吸波结构，最终被探测系统探测。由于超材料阵列结构设计表面含有几何形状的金属吸波器，对不同波长太赫兹波具有选择透过特性，在其表面黏贴不同样本时，超材料阵列对太赫兹波的选择特性发生变化，可用于分辨不同物质。经太赫兹光谱仪3采集并记录贴有样本的超材料阵列透射谱，探测系统显示屏上图像显著变化，主要体现在吸收峰位置偏移以及吸收峰峰值变化。最后对比两次透射谱，读取两特征吸收峰频率偏移量及幅值改变量，通过数学处理获得样本各组分浓度。如图5所示不同物质叠加于超材料后透射谱不同，共振频率和透射率反应材料种类及浓度。
该超材料单元结构设计根据表面结构参数和材料电磁特性对信号进行调制，如果待测生物组织中的特异性物质的振动转动频率与太赫兹信号发生共振吸收，该特征吸收频率又恰好与所设计的超材料双频结构的吸收频率相吻合，则可以实现信号共振放大，从而使得在所要求的吸收频段的太赫兹短脉冲信号增强。
下面的实施例中，超材料电介基底为聚酰亚胺，厚度为25μm，金属层材质为金，厚度为0.1μm，表面几何形状由光刻工艺及蚀刻工艺制备，超材料单元边长为100μm的正方形，阵列组成的片子每片边长15mm，内含单元数目为22500；介电基底和金属层可替换为其他材质电介质和金属材料，超材料单元密度可变。以上所有参数根据被测样品的特性来设计加工；本实施例中待测样本为胰腺癌肿瘤块，其他太赫兹生物组织检测实施方法与该实施方法一致。
太赫兹光源1输出频率为0.1-7THz太赫兹时域信号；第一步，取一片洁净完整的超材料阵列，如图3所示，按照偏振方向说明固定于光谱仪样品架，并保证材料表面平直，利用光谱仪3测量其透射谱，并记录；第二步，将待测样本切片，利用切片机将样本肿瘤切为厚度为5～10μm薄片，贴于透射式双频吸收结构单元2表面，进行除水操作，去除样本所含游离态水分子，将样本-超材料组合体组合体按照超材料偏振方向说明固定于样品架，利用光谱仪3透射谱，并记录；第三步，比较两次频谱图，读取频移和幅值变化量，计算样品组分浓度。本发明只需要在待检测的生物组织细胞生物组织样本上加上超材料结构薄片就能使得太赫兹检测信号效果明显增加，操作简便。
上述实施例用于解释理解本发明技术方案，并不对本发明思路及技术方案进行限制。
Claims (2)
1.一种用于增强太赫兹波检测生物细胞组织信号的超材料结构，由超材料单元阵列排布组成，其特征在于，超材料单元包含矩形介电基底(2-1)，附着于介电基底(2-1)上的开口环高频吸波器(2-2)和双金属棒低频吸波器(2-3)，双金属棒低频吸波器(2-3)两金属棒平行于介电基底(2-1)左右两边，开口环高频吸波器(2-2)开口向上置于双金属棒低频吸波器(2-3)两金属棒之间，并且与两金属棒间距相同；数个相同的超材料单元双金属棒低频吸波器(2-3)中两金属棒首尾直线对齐排列，并且所有开口环高频吸波器开口方向一致，形成一列超材料，数列超材料同方向对齐最终组成一片完整的由超材料单元横竖阵列排布的超材料结构。
2.根据权利要求1所述用于增强太赫兹波检测生物细胞组织信号的超材料结构，其特征在于，所述超材料单元中由开口环高频吸波器(2-2)、双金属棒低频吸波器(2-3)所组成的双频吸波结构的吸收频率，与被测生物细胞组织的特征吸收频率相吻合。
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