CN110412015B - 一种高灵敏度微波分子光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高灵敏度微波分子光谱仪，包括微波腔，以及设置在微波腔内的气体喷嘴和微波探测器，在微波腔内部设置局域电场增强结构，所述局域电场增强结构位于气体喷嘴和微波探测器之间。本发明增加了检测信号强度，提高了检测结果的灵敏度和准确性，并且能够通过组合多个电场增强结构，实现多个频带场增强，使用简单，装拆方便。

Description

一种高灵敏度微波分子光谱仪
技术领域
本发明涉及分子检测技术，具体涉及一种高灵敏度微波分子光谱仪。
背景技术
微波分子光谱仪能够提供化学分子的结构信息，在界面和表面科学、材料分析、生物、医学、食品安全、环境监测和国家安全等领域有着广泛的应用前景。现有的傅里叶变换微波分子光谱仪主要有Balle-Flygare窄带光谱仪和chirped-pulse宽带光谱仪，它们先通过微波源有效激发待测分子，使之跃迁到更高的转动能级上，当这些分子从高能级跃迁回低能级时，然后通过微波探测器探测其散射电磁波，得到精细的分子转动能级谱线，再确定分子转动惯量，结合同位素效应，求出分子中的原子核间距。然而，分子被入射电磁波有效激发然后再跃迁回低能级发出有效散射电磁波的几率是很低的，因此通过上述方法测量的化学分子结构信息精确度较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内置场增强结构的高灵敏度微波分子光谱仪。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种高灵敏度微波分子光谱仪，包括微波腔，以及设置在微波腔内的气体喷嘴和微波探测器，在微波腔内部还设置局域电场增强结构，所述局域电场增强结构位于气体喷嘴和微波探测器之间。
所述局域电场增强结构通过两组支架固定在微波腔内壁。
每组支架由三根互相垂直的第一金属条、第二金属条、第三金属条组成，每根金属条上设置多个螺孔，其中第一金属条是固定的，沿着微波腔轴线方向被焊接在微波腔内壁，所述第二金属条和第三金属条是可以活动的，所述第三金属条通过螺丝与第一金属条连接，所述第二金属条通过螺丝与第三金属条连接，还通过另一个螺丝和局域电场增强结构连接，通过调整螺钉的位置实现局域电场增强结构在三个维度上的位置变化。
所述局域场增强结构包括金属密封圈和若干金属片，所述金属片设置在密封圈内壁形成锯齿结构。
所述金属密封圈和金属片的材料采用铝、金、银或铅。
所述金属片均匀排布在金属密封圈内壁。
所述金属密封圈为圆形环结构或者矩形环结构。
所述金属密封圈的宽度与金属片的宽度一致，金属密封圈的内外径、宽度，以及金属片的高度、厚度和间隔，均与LSPR的激发频率和激发频率下的电场增强倍数相关。
所述金属密封圈和金属片的尺寸由下述方法确定：通过三维电磁场仿真工具HFSS或CST建立初步模型，分别调节各个参数观察在不同参数下微波腔内激发的局域增强电场的大小，电场值最大时对应的一组参数值即为气体检测过程中设计的局域场增强结构的尺寸。
所述微波腔内部设置不同尺寸的多个局域电场增强结构。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1)在微波分子光谱仪内部放置电场增强结构，增加了检测信号强度，提高了检测结果的灵敏度和准确性；2)针对不同的气体分子设计不同的增强结构，实现了对特定气体分子的超高分辨能力；3)通过组合多个电场增强结构，能够实现多个频带场增强；使用简单，装拆方便，可灵活组合使用。
附图说明
图1为本发明高灵敏度微波分子光谱仪的结构示意图。
图2为本发明环形局域场增强结构的示意图。
图3为本发明局域场增强结构的局部示意图。
图4为本发明支架的结构示意图。
图5为本发明支架与环结构的连接示意图。
图6为传统微波分子光谱仪的测试结果图，其中a为微波探测器一次测试结果， b为微波探测器100次测试的平均结果。
图7为本发明高灵敏度微波分子光谱仪的测试结果图，其中a为微波探测器的一次测试结果，b为微波探测器100次测试的平均结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
通过下述分析可以证明，检测信号增强因子正比于电磁场的增强因子的四次方，因此本发明提出一种高灵敏度微波分子光谱仪，通过LSPR原理增强局域电场，进而有效增强样品气体检测的准确度。具体分析过程如下：
等能面E～(E+dE)之间的量子态数为：
Figure BDA0002103961320000031
将公式(1)中的量子态数dZ除以每单位能量dEm再除以体积V，得到每单位能量的态密度为：
Figure BDA0002103961320000032
电子从基态跃迁到末态，若末态是连续谱，则在末态能量Em附近很小范围内的能态密度是ρ(Em)，总的跃迁几率可以表示为单位时间电子跃迁几率对每单位能态密度的积分形式：
ωm0＝∫ω0→m·ρ(Em)dEm (3)
其中，ω0→m表示单位时间内的电子跃迁几率，表示为：
Figure BDA0002103961320000033
H'm0为从0级向m级跃迁对应的哈密顿算子，表示为：
Figure BDA0002103961320000034
将(2)(4)(5)代入公式(3)得到：
Figure BDA0002103961320000035
跃迁几率可以分解为ωm0＝F1·F2，F1为偶极子进入自由空间的自发辐射效率，即没有加入特殊结构下的辐射效率：
Figure BDA0002103961320000036
用(6)除以(7)，则得到增强因子F2：
Figure BDA0002103961320000041
考虑入射光子的作用和辐射光子的作用，所以总的增强因子为
Figure BDA0002103961320000042
其中e为电子电量，χab为分子在外加电场下的振荡矩阵，ε0为真空介电常数，εr为增强结构材料的相对介电常数，c为光速，
Figure BDA0002103961320000045
为约化普朗克常数，ω为激励源角频率，
Figure BDA0002103961320000043
为电子动量，
Figure BDA0002103961320000044
为结构表面激发的矢量场，m 为电子质量，Em为末态能量。
如图1所示，高灵敏度微波分子光谱仪在微波腔e内部设置局域电场增强结构 d，所述局域电场增强结构d位于气体喷嘴g和微波探测器b之间，可以通过支架f 固定在微波腔内壁上，也可以采用其他固定形式。
如图2-3所示，所述局域电场增强结构d包括金属密封圈和若干金属片，所述金属片通过均匀或者非均匀的方式设置在金属密封圈内壁，形成锯齿结构。所述金属密封圈和金属片可采用铝、金、银、铅等材料，实现微波频段的LSPR激发。所述金属密封圈可采用圆形环结构或者矩形环结构，也可以采用其他结构，只要能够形成一个封闭的环结构即可。
关于金属密封圈和金属片的尺寸，所述金属片的宽度与金属密封圈的宽度一致，连同金属密封圈的内外径、以及金属片的高度、厚度和间隔等参数一起，均与LSPR 的激发频率和激发频率下的电场增强倍数相关，可以通过三维电磁场仿真工具 HFSS或CST建立初步模型，分别调节各个参数观察在不同参数下微波腔内激发的局域增强电场的大小，电场值最大时对应的一组参数值即为OCS气体检测过程中设计的局域场增强结构的尺寸。此外，由于LSPR的激发频率和待检测分子的种类相关，为了实现多个频率的信号增强，可以将不同尺寸的可以多个局域电场增强结构 d组合起来使用。
如图4-5所示，在金属密封圈的径向设置两套支架f，实现金属密封圈与微波腔 e的固定。为了能够在三个维度上调整金属密封圈的位置，每组支架f由三根互相垂直金属条xyz组成，每根金属条上设置多个螺孔，其中金属条x是固定的，沿着微波腔轴线方向被焊接在微波腔内壁，金属条y和z是可以活动的，金属条z通过螺丝与金属条x连接，金属条y通过螺丝与金属条z连接，还通过另一个螺丝和金属密封圈的径向上的螺纹孔连接，通过调整螺钉的位置可以实现金属密封圈在三个维度上的位置变化。关于支架的材料，可采用铝，铜，铁等。
实施例
为了验证本发明方案的有效性，设计微波分子光谱仪。如图1-3所示，在微波腔e内部设置局域场增强结构d，该结构位于气体喷嘴f和微波探测器b之间，通过上下两组支架f固定在微波腔e内壁，同时可以由这两组支架f实现局域场增强结构d的位置调节。
以样品分子OCS气体为例，由于OCS气体的跃迁频率12GHz附近，设置仿真软件HFSS或CST的求解频率为12GHz，使用金属铝材料建模，画出初步模型，分别调节各个参数：环形结构的内径L2，外径L1，厚H＝40mm，单元尺寸每片厚度 a，间隔b，高度h，金属封闭圈高d，观察在不同参数下微波腔内激发的局域增强电场的大小，当电场值最大时，此时的一组参数值即为OCS气体检测过程中设计的局域场增强结构的尺寸。优化后结构参数如下：环形结构的内径L2＝300mm，外径 L1＝360mm，厚H＝40mm，单元尺寸：每片厚a＝3mm，间隔b＝2mm，高h＝20mm，基底高d＝10mm。环内共214个单元，单元偏向角度θ≈1.684°。
按照上述结构参数加工样品后进行测试试验，结果如图6和图7所示，图6中(a) 为没有加谐振环时的微波探测器的一次测试结果，结果显示在12.17GHz附近有一个0.0225V峰值电压，其他地方几乎是0，图6中(b)为没有加谐振环时的微波探测器100 次测试的平均结果，结果显示平均电压在12.17GHz附近有一个0.02V峰值电压，其他地方几乎是0。该峰值电压所在频率与OCS气体的转动能级跃迁频率一致。图 7中(a)为加有谐振环时的微波探测器的一次测试结果，结果显示在12.17GHz附近有一个0.0475V峰值电压，其他地方几乎是0，图7中(b)为加有谐振环时的微波探测器100 次测试的平均结果，结果显示平均电压在12.17GHz附近有一个0.045V峰值电压，其他地方几乎是0。该峰值电压所在频率与OCS气体的转动能级跃迁频率一致。但加有谐振环后的测试信号比未加结构有大于一倍的增强效果。综上所述，本发明通过激发特定频率或频段的表面等离子体激元，使得局部场增强，从而达到了放大测试信号的目的。

Claims (7)

1.一种高灵敏度微波分子光谱仪，包括微波腔(e)，以及设置在微波腔(e)内的气体喷嘴(g)和微波探测器(b)，其特征在于，在微波腔(e)内部设置局域电场增强结构(d)，所述局域电场增强结构(d)位于气体喷嘴(g)和微波探测器(b)之间；
所述局域场增强结构(d)包括金属密封圈和若干金属片，所述金属片设置在密封圈内壁形成锯齿结构；所述金属密封圈的宽度与金属片的宽度一致，金属密封圈的内外径、宽度，以及金属片的高度、厚度和间隔，均与LSPR的激发频率和激发频率下的电场增强倍数相关，所述金属密封圈和金属片的尺寸由下述方法确定：通过三维电磁场仿真工具HFSS或CST建立初步模型，分别调节各个参数观察在不同参数下微波腔内激发的局域增强电场的大小，电场值最大时对应的一组参数值即为气体检测过程中设计的局域场增强结构的尺寸。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度微波分子光谱仪，其特征在于，所述局域电场增强结构(d)通过两组支架(f)固定在微波腔内壁。
3.根据权利要求2所述的高灵敏度微波分子光谱仪，其特征在于，每组支架(f)由三根互相垂直的第一金属条(x)、第二金属条(y)、第三金属条(z)组成，每根金属条上设置多个螺孔，其中第一金属条(x)是固定的，沿着微波腔轴线方向被焊接在微波腔(e)内壁，所述第二金属条(y)和第三金属条(z)是可以活动的，所述第三金属条(z)通过螺丝与第一金属条(x)连接，所述第二金属条(y)通过螺丝与第三金属条(z)连接，还通过另一个螺丝和局域电场增强结构(d)连接，通过调整螺钉的位置实现局域电场增强结构(d)在三个维度上的位置变化。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度微波分子光谱仪，其特征在于，所述金属密封圈和金属片的材料采用铝、金、银或铅。
5.根据权利要求1所述的高灵敏度微波分子光谱仪，其特征在于，所述金属片均匀排布在金属密封圈内壁。
6.根据权利要求1所述的高灵敏度微波分子光谱仪，其特征在于，所述金属密封圈为圆形环结构或者矩形环结构。
7.根据权利要求1所述的高灵敏度微波分子光谱仪，其特征在于，所述微波腔(e)内部设置不同尺寸的多个局域电场增强结构(d)。
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