CN109946262A - 一种基于太赫兹波的检测装置及检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太赫兹波的检测装置和检测系统，通过将太赫兹锥形光纤集成于微流控芯片的传感区流道中，不仅有效地克服了水对太赫兹波的吸收，还解决了太赫兹波和微生物等待测物质之间的尺度失配问题，增强了待测物质与太赫兹波之间相互作用，大大地提高了检测结果的精确度。所述检测装置和检测系统具备结构简单、传输损耗低、尺寸小、倏逝场比例大和灵敏度高等优点，可应用于各类对太赫兹波吸收严重的液体检测中，尤其能作为一种快速高效、无标记和无损的新型微生物检测装置和检测系统。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波技术领域，尤其是一种基于太赫兹波的检测装置及检测系统。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1-10THz远红外波段的相干电磁辐射，基于太赫兹波的检测方法已经成为了一个重要的研究方向，以微生物检测为例，许多重要生物分子(如蛋白质和DNA)和生物细胞的低频振动(如分子内部与分子间的振动与转动)吸收频率对应于太赫兹波段范围且具有光谱指纹性。分析其太赫兹光谱，就可以研究与低频振动直接相关的空间构象及生物功能等信息。而且，太赫兹波因其光子能量小(0.41-41meV)而不会引起生物细胞的电离化，因而具备安全性。另一方面，水分子在平衡位置附近的平动和转动的弛豫时间处于皮秒(1THz)或亚皮秒量级(5.6THz)，这使得水分子与太赫兹波之间的相互作用异常强烈，由此可通过太赫兹波检测溶质的水化作用，进而分析溶液浓度和生物分子的构象变化。
但是现有的基于太赫兹波的检测方法存在着诸多不足有待于克服。主要为：水与太赫兹波的作用过强。在化学和生物学研究中，许多待测物质均存在于液相中，溶液中水分子对太赫兹波强烈的吸收将会导致与待测物质相关的太赫兹特征吸收信号被干扰和湮没。而且，水分子在溶液中所形成的氢键网络也会进一步加大溶液的复杂性与随机性，导致检测结果不准确。此外，如微生物一类待测物质与太赫兹波的相互作用较弱。典型的微生物大小约为1～3μm，约为太赫兹波长的1/100。两者在空间尺度上的失配导致微生物对太赫兹波的瑞利散射较弱，使得太赫兹波的灵敏度较低，难以观测到明显的微生物对太赫兹的响应谱，测得信号的信噪比较低，获得数据的可靠性较低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于太赫兹波的检测装置及检测系统，来解决上述问题。
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于太赫兹波的检测装置，包括沿同一方向上依次设置的太赫兹波源、第一耦合光学元件组、微流控锥形光纤、第二耦合光学元件组和太赫兹波探测器，所述微流控锥形光纤包括微流控芯片和太赫兹锥形光纤，所述微流控芯片包括上基底和下基底，所述上基底和下基底相互键合，形成用于容纳样品液的传感区流道，所述太赫兹锥形光纤包括锥腰区，所述锥腰区嵌入所述传感区流道中。其中，所述太赫兹波源用于产生太赫兹波并将所述太赫兹波输入至所述微流控锥形光纤，所述微流控锥形光纤用于使所述太赫兹波与所述传感区流道内的样品液相互作用，并使通过的所述太赫兹波产生透射至所述微流控锥形光纤外的倏逝波，所述太赫兹波探测器用于接收所述微流控锥形光纤输出的太赫兹波，获得所述样品液中的待测物质的太赫兹倏逝波谱信号，所述第一耦合光学元件组和第二耦合光学元件组分别用于聚焦、准直以及耦合所述微流控锥形光纤两端的太赫兹波。
优选地，所述微流控锥形光纤还包括用于驱动所述传感区流道中的样品液的辅助泵。
优选地，所述微流控锥形光纤还包括用于回收所述感区流道中的样品液的回收单元。
优选地，所述太赫兹锥形光纤为太赫兹光纤进行拉锥形成的锥形光纤，所述太赫兹锥形光纤还包括分别连接在所述锥腰区两端的拉锥区。
本发明还提供了一种基于太赫兹波的检测系统，包括相互连接的计算机和如上所述的检测装置，所述计算机用于采集所述太赫兹波探测器获得的太赫兹倏逝波谱信号，并对所述太赫兹倏逝波谱信号进行分析处理，获得所述样品液中的待测物质响应的太赫兹波谱图。
优选地，所述太赫兹波探测器和所述计算机之间还设置有信号放大器，所述信号放大器用于放大所述太赫兹倏逝波谱信号。
优选地，所述检测系统还包括光纤飞秒激光器、第一分束器和光学延迟线，其中，所述光纤飞秒激光器用于产生激光束，所述第一分束器用于将所述激光束分为探测光和泵浦光，所述探测光射入所述检测装置的太赫兹波探测器中，所述泵浦光通过所述光学延迟线射入所述检测装置的太赫兹波源，以激发所述太赫兹波源产生太赫兹波。
优选地，所述太赫兹波源上还电性连接有偏压模块。
优选地，所述检测装置中的太赫兹波源包括红外光源和干涉仪，所述干涉仪包括第二分束器、固定反射镜以及可动反射镜，其中，所述红外光源用于产生包含太赫兹波段的红外光，所述红外光入射至所述干涉仪中，所述第二分束器用于将所述红外光分为分别射向所述固定反射镜和可动反射镜的两束分光束，所述两束分光束分别在固定反射镜和可动反射镜上反射并相互汇聚为所述红外光。
优选地，所述红外光源和所述干涉仪之间设置有光阑，所述红外光通过所述光阑入射至所述干涉仪。
本发明提供的一种基于太赫兹波的检测装置和检测系统，通过将所述太赫兹锥形光纤集成于所述微流控芯片的传感区流道中，不仅有效地克服了水对太赫兹波的吸收，还解决了太赫兹波和微生物等待测物质之间的尺度失配问题，增强了待测物质与太赫兹波之间相互作用，大大地提高了检测结果的精确度。所述检测装置和检测系统具备结构简单、传输损耗低、尺寸小、倏逝场比例大和灵敏度高等优点，可应用于各类对太赫兹波吸收严重的液体检测中，尤其能作为一种快速高效、无标记和无损的新型微生物检测装置和检测系统。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于太赫兹波的检测装置的结构示意图；
图2是所述基于太赫兹波的检测装置中的微流控锥形光纤的结构示意图；
图3是所述微流控锥形光纤的拆分图；
图4是所述太赫兹锥形光纤的结构示意图；
图5是实施例1中的一种基于太赫兹波的检测系统的结构示意图；
图6是实施例2中的一种基于太赫兹波的检测系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了关系不大的其他细节。
参阅图1-图4所示，本实施例提供了一种基于太赫兹波的检测装置，包括沿同一方向上依次设置的太赫兹波源1、第一耦合光学元件组2、微流控锥形光纤3、第二耦合光学元件组4和太赫兹波探测器5。所述微流控锥形光纤3包括微流控芯片31和太赫兹锥形光纤32，所述微流控芯片31包括上基底311和下基底312，所述上基底311和下基底312相互键合，形成用于容纳样品液10的传感区流道310，所述样品液10为包含待测物质的液相，所述太赫兹锥形光纤32包括锥腰区321，所述锥腰区321嵌入所述传感区流道310中。
其中，所述太赫兹波源1用于产生太赫兹波并将所述太赫兹波输入至所述微流控锥形光纤3，所述微流控锥形光纤3用于使所述太赫兹波与所述传感区流道310内的样品液10相互作用，并使通过的所述太赫兹波产生透射至所述太赫兹锥形光纤32外的倏逝波，所述太赫兹波探测器5用于接收所述微流控锥形光纤3输出的太赫兹波，获得所述样品液10的太赫兹倏逝波谱信号，所述第一耦合光学元件组2和第二耦合光学元件组4分别用于聚焦、准直以及耦合所述微流控锥形光纤3两端的太赫兹波，使所述太赫兹波能完全通过所述太赫兹锥形光纤32。具体地，上述太赫兹倏逝波谱信号指太赫兹波及其产生的倏逝波与所述样品液10作用后，从所述微流控锥形光纤3输出至所述太赫兹波探测器5的太赫兹波对应的信号。
微流控(Microfluidics)技术是一项几微米到几百微米尺寸下的通道处理或操纵微小流体(10-9～10-18L)的技术，微流控技术能够减小水与太赫兹波之间的作用，同时能提供样品液10的受限环境。上述基于太赫兹波的检测装置通过将所述太赫兹锥形光纤32集成于所述微流控芯片31的传感区流道310中，一方面，所述微流控芯片31使所述样品液10处于极小的受限环境下，由于样品液10在检测区域也即是所述锥腰区321附近的含量相对较小，该区域的水对太赫兹波的吸收较小，提高了检测数据的精确度；另一方面，由于所述微流控锥形光纤3的锥腰区321形成的倏逝场，所述太赫兹锥形光纤32的太赫兹波产生透射至所述太赫兹锥形光纤32外的倏逝波，通过利用倏逝波的穿透深度一般为亚波长量级的特性，大幅降低了所述样品液10中的待测物质与太赫兹波的波长的尺寸差异，使待测物质对太赫兹波的散射增强，增大了测得信号的信噪比，进一步提高检测数据的精确度，而且所述倏逝波与所述样品液10发生交互反应，能增强太赫兹波与样品液10中的待测样品也即是溶质之间的相互作用，有效提高所述微流控芯片31的灵敏度。
综上，所述基于太赫兹波的检测装置还避免了透射式测量方式，避免了微流控芯片31在减弱水背景吸收的同时也削减了太赫兹波与待测样品的作用光程等问题，充分发挥了太赫兹锥形光纤32与微流控芯片31的优势，有着结构简单、传输损耗低、尺寸小、倏逝场比例大以及灵敏度高等优点。
如图2所示，在本实施例中，所述传感区流道310的两侧圆形区域设置有微流的入口，示例性地，所述锥腰区321在所述传感区流道310上延伸的长度L1为10mm，所述太赫兹锥形光纤32的两端上的横截面上直径L2为500μm，所述传感区流道310的横截面直径L3为1mm，所述锥腰区321的横截面直径L4为200μm。
进一步地，所述微流控锥形光纤3还包括用于驱动所述传感区流道310中的样品液10的辅助泵。
进一步地，所述微流控锥形光纤3还包括用于回收所述感区流道310中的样品液10的回收单元。
具体地，所述太赫兹锥形光纤32为太赫兹光纤进行拉锥形成的锥形光纤，也即是使所述太赫兹光纤的局部区域沿光纤轴向变细至波长量级甚至亚波长量级而形成所述锥腰区321。
进一步地，所述太赫兹锥形光纤32还包括分别连接在所述锥腰区321两端的拉锥区322。
示例性地，所述太赫兹锥形光纤32可采用高密度聚乙烯或聚四氟乙烯等适用于太赫兹波传输的低损耗聚合物制成，所述微流控芯片31的上基底311和下基底312可采用PMMA或PDMS等聚合物制成，可利用精密加工设备对所述上基底311和下基底312进行半圆形微流道的精密加工，以形成所述传感区流道310并便于所述上基底311和下基底312的键合。
示例性地，所述第一耦合光学元件组2和第二耦合光学元件组4包括任意可对太赫兹波进行准直、聚焦以及耦合作用的透镜和离轴抛物面镜等光学元件。
本发明还提供了一种基于太赫兹波的检测系统，包括相互连接的计算机101和如上所述的检测装置，所述计算机101用于采集所述太赫兹波探测器5获得的太赫兹倏逝波谱信号，并对所述太赫兹倏逝波谱信号进行分析处理，获得所述样品液10的待测样品响应的太赫兹波谱图。
进一步地，所述太赫兹波探测器5和所述计算机101之间还设置有信号放大器106，所述信号放大器106用于放大所述太赫兹倏逝波谱信号，所述信号放大器106包括可辅助于太赫兹信号放大、调理和采集的前置放大器与锁相放大器等。
利用上述基于太赫兹波的检测装置和检测系统进行微生物溶液检测时，主要通过缓冲液和微生物溶液的测量比对来获得微生物响应的太赫兹倏逝波谱信号，也即是通过上述检测装置和检测系统，分别以所述缓冲液和微生物溶液作为所述样品液10进行分组检测。分别测量对缓冲液(所述缓冲液中不含微生物)和微生物溶液的太赫兹光谱，获得相应的参考信号R(ω)和样品信号S(ω)，并由测得的系统噪声信号为N(ω)，可得微生物样品相对缓冲液的太赫兹光谱T(ω)为：由于样品在如微生物的种类、生理状态、浓度等不同参数下的太赫兹介电特性会有所不同，并且太赫兹倏逝波对样品具有高灵敏性，因而可以得到不同样品参数下的具有高信噪比和高灵敏的如振幅和相位等太赫兹倏逝波谱的特性。
以下以太赫兹时域光谱和宽带傅立叶变换红外光谱的两种常见的宽带太赫兹光谱测量方式作为实施例，对上述基于太赫兹波的检测装置和检测系统的工作过程做进一步地说明。
实施例1
如图5所示，在本实施例中，所述检测系统还包括光纤飞秒激光器102、第一分束器103和光学延迟线104，其中，所述光纤飞秒激光器102用于产生激光束，所述第一分束器103用于将所述激光束分为探测光和泵浦光，所述探测光射入所述检测装置的太赫兹波探测器5中，所述泵浦光通过所述光学延迟线104射入所述检测装置的太赫兹波源1，以激发所述太赫兹波源1产生太赫兹波。
其中，示例性地，所述分束器103和所述光学延迟线104之间设置有第一准直器105，所述光学延迟线104和所述太赫兹波源1之前依次设置有耦合器107和第二准直器108。所述第一准直器105和第二准直器107用于准直所述泵浦光，所述耦合器107用于耦合所述泵浦光。
进一步地，所述太赫兹波源1上还电性连接有偏压模块11。所述偏压模块11用于辅助所述太赫兹波源1产生太赫兹波。
具体地，本实施例中，所述检测系统的工作过程如下：所述光纤飞秒激光器102产生激光束，所述激光束入射至所述第一分束器103中分为探测光和泵浦光。所述探测光射入所述检测装置的太赫兹波探测器5中；所述泵浦光依次经过第一准直器105、光学延迟线104、耦合器107和第二准直器108，然后通过所述第一耦合光学元件组2进入所述太赫兹波源1，激发所述太赫兹波源1产生太赫兹波，所述太赫兹波经所述第二耦合光学元件组4进入所述微流控锥形光纤3，所述太赫兹波产生透射至所述太赫兹锥形光纤32外的倏逝波，并在所述微流控锥形光纤3的锥腰区321处，与所述微流控锥形光纤3中的样品液10作用后从所述微流控锥形光纤3的另一端射出，经过所述第二耦合光学元件组4后进入所述太赫兹探测器5，为所述太赫兹探测器5接收，获得太赫兹倏逝波谱信号。所述计算机101再采集所述太赫兹波探测器5获得的太赫兹倏逝波谱信号，并对所述太赫兹倏逝波谱信号进行分析处理，获得所述样品液10的待测样品响应的太赫兹波谱图，根据太赫兹波谱图获得待测物质的信息，完成待测物质的检测。
实施例2
如图6所示，在本实施例中，所述检测装置中的太赫兹波源1包括红外光源12和干涉仪13，所述干涉仪13包括第二分束器131、固定反射镜132以及可动反射镜133。其中，所述红外光源12用于产生太赫兹波段的红外光，所述红外光入射至所述干涉仪13中，所述第二分束器131用于将所述红外光分为分别射向所述固定反射镜132和可动反射镜133的两束分光束，所述两束分光束分别在固定反射镜132和可动反射镜133上反射并相互汇聚为所述太赫兹波。
进一步地，所述红外光源12和所述干涉仪13之间设置有光阑14，所述红外光通过所述光阑14入射至所述干涉仪13。
示例性地，所述光阑14和所述干涉仪13之间还设置有第一红外反射器15a，所述干涉仪13和所述第一耦合光学元件组2之间还设置有第二红外反射器15b，所述第二耦合光学元件组4和所述太赫兹探测器5之间还设置有第三红外反射器15c。
具体地，本实施例中，所述检测系统的工作过程如下：所述红外光源12产生包含太赫兹波段的红外光，所述红外光通过所述光阑14，并通过第一红外反射器15a的引导入射至所述干涉仪13中，经所述第二分束器131分为分别射向所述固定反射镜132和可动反射镜133的两束分光束，所述两束分光束分别在固定反射镜132和可动反射镜133上反射并相互汇聚为所述红外光，所述太赫兹波经第二红外反射器15b引导射向所述第一耦合光学元件组2，通过所述第一耦合光学元件组2聚焦于所述微流控锥形光纤3中，所述红外光中的太赫兹波产生透射至所述太赫兹锥形光纤32外的倏逝波，并在所述微流控锥形光纤3的锥腰区321处，与所述微流控锥形光纤3中的样品液10作用后从所述微流控锥形光纤3的另一端射出，然后通过所述第二耦合光学元件组4并由第三红外反射器15c引导射入所述太赫兹探测器5，获得太赫兹倏逝波谱信号，所述太赫兹倏逝波谱信号经过模数转换后输入至所述计算机101。在检测过程中，通过移动所述可动反射镜133，使所述两束分光束产生光程差，形成红外干涉图，利用所述计算机101对所述红外干涉图进行快速傅立叶变换计算，能得到以波长或波数为函数的频域谱，即包含太赫兹波段的红外光谱图，根据红外光谱图获得待测物质的信息，完成待测物质的检测。
综上所述，本发明提供的一种基于太赫兹波的检测装置和检测系统，通过将所述太赫兹锥形光纤32集成于所述微流控芯片31的传感区流道310中，不仅有效地克服了水对太赫兹波的吸收，还解决了太赫兹波和微生物等待测物质之间的尺度失配问题，降低了样品液10中的待测物质与太赫兹波的波长的尺寸差异，增强了待测物质与太赫兹波之间相互作用，大大地提高了检测结果的精确度。所述检测装置和检测系统具备结构简单、传输损耗低、尺寸小、倏逝场比例大和灵敏度高等优点，可应用于各类对太赫兹波吸收严重的液体检测中，尤其能作为一种快速高效、无标记和无损的新型微生物检测装置和检测系统。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于太赫兹波的检测装置，其特征在于，包括沿同一方向上依次设置的太赫兹波源(1)、第一耦合光学元件组(2)、微流控锥形光纤(3)、第二耦合光学元件组(4)和太赫兹波探测器(5)，所述微流控锥形光纤(3)包括微流控芯片(31)和太赫兹锥形光纤(32)，所述微流控芯片(31)包括上基底(311)和下基底(312)，所述上基底(311)和下基底(312)相互键合，形成用于容纳样品液(10)的传感区流道(310)，所述太赫兹锥形光纤(32)包括锥腰区(321)，所述锥腰区(321)嵌入所述传感区流道(310)中，其中，所述太赫兹波源(1)用于产生太赫兹波并将所述太赫兹波输入至所述微流控锥形光纤(3)，所述微流控锥形光纤(3)用于使所述太赫兹波与所述传感区流道(310)内的样品液(10)相互作用，并使通过的所述太赫兹波产生透射至所述太赫兹锥形光纤(32)外的倏逝波，所述太赫兹波探测器(5)用于接收所述微流控锥形光纤(3)输出的太赫兹波，获得所述样品液(10)中的待测物质的太赫兹倏逝波谱信号，所述第一耦合光学元件组(2)和第二耦合光学元件组(4)分别用于聚焦、准直以及耦合所述微流控锥形光纤(3)两端的太赫兹波。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述微流控锥形光纤(3)还包括用于驱动所述传感区流道(310)中的样品液(10)的辅助泵。
3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述微流控锥形光纤(3)还包括用于回收所述感区流道(310)中的样品液(10)的回收单元。
4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述太赫兹锥形光纤(32)为太赫兹光纤进行拉锥形成的锥形光纤，所述太赫兹锥形光纤(32)还包括分别连接在所述锥腰区(321)两端的拉锥区(322)。
5.一种基于太赫兹波的检测系统，其特征在于，包括相互连接的计算机(101)和如权利要求1-4任一所述的检测装置，所述计算机(101)用于采集所述太赫兹波探测器(5)获得的太赫兹倏逝波谱信号，并对所述太赫兹倏逝波谱信号进行分析处理，获得所述样品液(10)中的待测物质响应的太赫兹波谱图。
6.根据权利要求5所述的检测系统，其特征在于，所述太赫兹波探测器(5)和所述计算机(101)之间还设置有信号放大器(106)，所述信号放大器(106)用于放大所述太赫兹倏逝波谱信号。
7.根据权利要求5所述的检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括光纤飞秒激光器(102)、第一分束器(103)和光学延迟线(104)，其中，所述光纤飞秒激光器(102)用于产生激光束，所述第一分束器(103)用于将所述激光束分为探测光和泵浦光，所述探测光射入所述检测装置的太赫兹波探测器(5)中，所述泵浦光通过所述光学延迟线(104)射入所述检测装置的太赫兹波源(1)，以激发所述太赫兹波源(1)产生太赫兹波。
8.根据权利要求7所述的检测系统，其特征在于，所述太赫兹波源(1)上还电性连接有偏压模块(11)。
9.根据权利要求5所述的检测系统，其特征在于，所述检测装置中的太赫兹波源(1)包括红外光源(12)和干涉仪(13)，所述干涉仪(13)包括第二分束器(131)、固定反射镜(132)以及可动反射镜(133)，其中，所述红外光源(12)用于产生包含太赫兹波段的红外光，所述红外光入射至所述干涉仪(13)中，所述第二分束器(131)用于将所述红外光分为分别射向所述固定反射镜(132)和可动反射镜(133)的两束分光束，所述两束分光束分别在固定反射镜(132)和可动反射镜(133)上反射并相互汇聚为所述红外光。
10.根据权利要求9所述的检测装置，其特征在于，所述红外光源(12)和所述干涉仪(13)之间设置有光阑(14)，所述红外光通过所述光阑(14)入射至所述干涉仪(13)。
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