CN111141687B - 一种交错结构环偶极子芯片检测石油的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种交错结构环偶极子芯片检测石油的方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤一，将太赫兹光谱分析系统的检测环境进行干燥预处理，并测得干燥条件下的频谱，将该频谱作为参考光谱；步骤二，用移液枪将原油样品转移并均匀涂抹在交错结构环偶极子芯片的上表面；步骤三，将涂抹着原油样品的交错结构环偶极子芯片放入干燥后的太赫兹光谱分析系统内，使太赫兹光谱分析系统的太赫兹脉冲信号垂直照射在芯片上进行检测，得到原油样品的检测光谱；步骤四，检测光谱减去参考光谱，从而得到原油样品的透射光谱其中，交错结构环偶极子芯片为基于环偶极子效应所设计的太赫兹芯片。

Description

一种交错结构环偶极子芯片检测石油的方法

技术领域

本发明属于太赫兹环偶极子芯片物质检测领域，具体涉及一种交错结构环偶极子芯片检测石油的方法。

背景技术

从上世纪90年代开始，人们开启了利用传统的时域太赫兹波谱系统对物质检测的征程：利用太赫兹光谱特性检测样品，研究表明，虽然一些物质结构的远红外吸收特征对于物质的结构和空间排列非常敏感，太赫兹时域光谱技术可以鉴别物质结构存在微小差异的化合物，但传统的时域太赫兹波谱系统样品检测方法需要大量的样品，准确度较低，实验装置体积庞大，同时由于存在太赫兹源辐射功率弱、极性分子样品吸收大等问题，更加严重的是，在一些该频段没有吸收峰的材料检测时，只能测定材料的介电系数和吸收系数，这就造成了极大的测量的不准确性。这些都将导致在实时现场监测应用中困难重重。

本世纪初，人们开启了利用太赫兹等离子增强谐振效应(如Fano共振)实现微量高灵敏度生物检测，这种方法解决了普通太赫兹检测的局限性问题，如样品用量大，吸收谱强度不稳定，辐射功率弱导致的信噪比低等。表面等离激元导致的反常透射现象对应的透射峰通常表现为不对称的线型，称为Fano线型。对于金属薄膜超表面中由于引入不对称性产生的的Fano共振，非共振通道对应于入射光与明态模式相互作用产生的dipole振荡，共振通道则与表面等离激元产生的暗态相关。Fano共振能够增强其附近电磁场的光谱选择性，产生窄带光谱特性，从而大大增强光与靠近(或直接接触)表面的物质的相互作用。因此，即使是等离子电磁环境中的弱扰动也能显著改变其散射特性。对于吸收介质，场增强可导致与Fano共振相关的瑞利特性振幅的展宽和减小。但其缺点是Fano除了随反应过程飘移以外，其本身的谐振峰会发生畸变，这是由Fano振荡的不对称性引起的，而且Fano振荡随检测时间变长，信号本身不稳定。因此，基于上述Fano工作，需要进一步寻找更稳定的谐振模式，成为此类高Q值微腔芯片亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种交错结构环偶极子芯片检测石油的方法。

本发明提供了一种交错结构环偶极子芯片检测石油的方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤一，将太赫兹光谱分析系统的检测环境进行干燥预处理，并测得干燥条件下的频谱，将该频谱作为参考光谱；步骤二，用移液枪将原油样品转移并均匀涂抹在交错结构环偶极子芯片的超表面上；步骤三，将涂抹着原油样品的交错结构环偶极子芯片放入干燥后的太赫兹光谱分析系统内，使太赫兹光谱分析系统的太赫兹脉冲信号垂直照射在芯片上进行检测，得到原油样品的检测光谱；步骤四，检测光谱减去参考光谱，从而得到原油样品的透射光谱其中，交错结构环偶极子芯片为基于环偶极子效应所设计的太赫兹芯片。

在本发明提供的交错结构环偶极子芯片检测石油的方法中，还可以具有这样的特征：其中，交错结构环偶极子芯片的超表面为交错结构，该交错结构由两个圆型分裂谐振环构成，两个圆型分裂谐振环有一定的交叠面积，一个圆型分裂谐振环的圆心在左边，并且其缺口在右边，另个圆型分裂谐振环的圆心在右边，并且其缺口在左边。

在本发明提供的交错结构环偶极子芯片检测石油的方法中，还可以具有这样的特征：其中，圆型分裂谐振环的内半径为35μm，外半径为40μm，缺口的大小为4μm。

在本发明提供的交错结构环偶极子芯片检测石油的方法中，还可以具有这样的特征：其中，太赫兹光谱分析系统为爱德万7400系统，其检测方式为投射式检测。

在本发明提供的交错结构环偶极子芯片检测石油的方法中，还可以具有这样的特征：其中，原油样品的体积为1μL～10μL，原油样品涂抹在交错结构环偶极子芯片上的厚度为1μm～3μm。

在本发明提供的交错结构环偶极子芯片检测石油的方法中，还可以具有这样的特征：其中，原油样品的体积为2μL，原油样品涂抹在交错结构环偶极子芯片上的厚度为1μm。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的交错结构环偶极子芯片检测石油的方法，因为该方法使用交错结构环偶极子芯片并结合了太赫兹时域光谱检测技术，所以通过该方法能够实现对原油样品的光谱检测。并且，因为所使用的交错结构环偶极子芯片为基于环偶极子效应所设计的太赫兹芯片，能有效改进一般超材料激发的如Fano共振引起的不稳定光谱，所以该方法的检测检测效果更好。

此外，本发明中的交错结构环偶极子芯片的体积小，还能够极大地提高检测的便携性。

另外，通过本发明的方法对石油进行检测，检测所需的样品少，检测时间短，能实现快速、准确、微量实时的光谱检测。

附图说明

图1是本发明的实施例一中交错结构环偶极子芯片的超表面的结构示意图；

图2是本发明的实施例一中交错结构环偶极子芯片的Toroidal效应的场分布图；

图3是本发明的实施例一中太赫兹光谱分析系统进行检测的过程示意图；

图4是本发明的实施例二中对四种自不同产地的原油进行检测的透射光谱图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明交错结构环偶极子芯片检测石油的方法作具体阐述。

<实施例一>

本实施提供了一种交错结构环偶极子芯片检测石油的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，将太赫兹光谱分析系统的检测环境进行干燥预处理，排除空气水分子对实验的影响，并测得干燥条件下的频谱，将该频谱作为参考光谱。

其中，太赫兹光谱分析系统为爱德万7400系统，其检测方式为投射式检测。步骤一中，干燥预处理的过程为：实验前，通过干燥空气过滤单元，将系统内部的水蒸气去除，用湿度计实时监测，直到湿度低于3％时。

步骤二，取一片1cm×1cm的交错结构环偶极子芯片，用移液枪将体积为1μL～10μL的原油样品转移并均匀涂抹在交错结构环偶极子芯片的有交错结构的超表面的一面。原油样品涂抹在交错结构环偶极子芯片上的厚度为1μm～3μm并且该厚度越小越好，以利于太赫兹脉冲信号的透过。

本实施例所使用的交错结构环偶极子芯片的超表面为基于环偶极子效应进行设计的。环偶极子效应(Toroidal效应)是指电流在一个甜甜圈式的圆环面上沿中线流动而引起得谐振响应，即磁偶极子首尾相接形成涡旋分布。其优点是它同时打破了空间和时间反演对称，具有许多趣的特性，如磁电效应、二向色性和非互易折射等，其独特的电流分布和涡旋场分布，通常可以实现很强的近场局域。利用环偶极子独特的电磁特性，如高Q值、对介质和环境的敏感性和偏振不依赖性等特点，设计出了本实施例中的具有超高灵敏度和稳定度的传感器件-交错结构环偶极子芯片。

图1是本发明的实施例一中交错结构环偶极子芯片的超表面的结构示意图。图2是本发明的实施例一中交错结构环偶极子芯片的Toroidal效应的场分布图。

如图1所示，本实施例中的交错结构环偶极子芯片的超表面为交错结构，该交错结构由两个圆型分裂谐振环构成，两个圆型分裂谐振环有一定的交叠面积。其中，一个圆型分裂谐振环的圆心在左边，并且其缺口在右边，另个圆型分裂谐振环的圆心在右边，并且其缺口在左边。圆型分裂谐振环的的内半径为35μm，外半径为40μm，缺口的大小为4μm。

如图2所示，图2(A)表示电磁强度；图2(B)表示表面电流分布；图2(C)表示磁场强度；图2(D)表示磁场矢量形式。图2(A)～图2(D)分别是该交错结构环偶极子芯片的超表面在频点为0.546THz附近的表面电场分布、表面电流分布、磁场分布以及磁场横截面的矢量分布。其中图2(A)在开口处形成由电流震荡引起的能量聚集；图2(B)中左边顺时针的圆圈指向和右边逆时针的椭圆指向形成反向电流，同样右边逆时针的圆圈指向和左边顺时针的椭圆指向形成反向电流；图2(D)给出的是在图2(B)相应左边开口和右边开口分别由相应反向电流产生的两个方向垂直平面朝里的环形偶极子极矩。

步骤三，将涂抹着原油样品的交错结构环偶极子芯片放入干燥后的太赫兹光谱分析系统内，使太赫兹光谱分析系统的太赫兹脉冲信号垂直照射在芯片上进行检测，执行太赫兹光谱分析系统的程序，检测约5min，得到原油样品的检测光谱。

图3是本发明的实施例一中太赫兹光谱分析系统进行检测的过程示意图。

如图3所示，在步骤三中，在太赫兹光谱分析系统内具体检测过程为：太赫兹光谱分析系统(爱德万7400)的信号发射端发射太赫兹脉冲信号并垂直照射在涂抹着原油样品的交错结构环偶极子芯片上，然后太赫兹光谱分析系统(爱德万7400)的信号接收端接收透射过来的脉冲信号，并进行信号处理得到检测光谱。

步骤四，将检测光谱减去参考光谱，从而得到原油样品的透射光谱。

<实施例二>

本实施例为采用实施例一中的一种交错结构环偶极子芯片检测石油的方法对来自不同产地的四种原油样品进行检测。

实施例二的检测具体过程为：

步骤一，将爱德万7400系统的检测环境进行干燥预处理，排除空气水分子对实验的影响，并测得干燥条件下的频谱，将该频谱作为参考光谱。

步骤二，取1cm×1cm大小合适的交错结构环偶极子芯片，用移液枪将体积为2μL的原油样品转移并均匀涂抹在交错结构环偶极子芯片的有交错结构超表面的一面。原油样品涂抹在交错结构环偶极子芯片上的厚度为1μm。

步骤三，将涂抹着原油样品的交错结构环偶极子芯片放入干燥后的太赫兹光谱分析系统内，使太赫兹光谱分析系统的太赫兹脉冲信号垂直照射在芯片上进行检测，执行太赫兹光谱分析系统的程序，检测约5min，得到该原油样品的检测光谱。

步骤四，将检测光谱减去参考光谱，从而得到原油样品的透射光谱。

步骤五，重复步骤二～步骤四，对其他3种原油样品进行检测，并且为保证测量的准确性，每次测不同样品时，需更换新的交错结构环偶极子芯片。

图4是本发明的实施例二中对四种自不同产地的原油进行检测的透射光谱图。

如图4所示，图4(A)～4(D)分别表示来自不同产地的四种原油样品中的一种样品，图中的横坐标表示频率，纵坐标表示透射率(dB)。由图4可以看出，来自不同产地的四种原油样品的透射图谱均呈现出明显的环偶极子振荡，表明实施例一的检测方法的所测得的光谱很稳定；此外，四种原油样品所呈现出的透射频点略有不同，分别为0.9384、0.9327、0.9136、0.9594，这表明，虽然4种原油样品的透射频点差异很小，但是通过实施例一的检测方法仍然能够将这4种原油样品加以区分，这进一步表明实施例一的检测方法的灵敏度高。

实施例的作用与效果

根据实施例一所涉及的一种交错结构环偶极子芯片检测石油的方法，因为该方法使用交错结构环偶极子芯片并结合了太赫兹时域光谱检测技术，所以通过该方法能够实现对原油样品的光谱检测。并且，因为所使用的交错结构环偶极子芯片为基于环偶极子效应所设计的太赫兹芯片，能有效改进一般超材料激发的如Fano共振引起的不稳定光谱，所以该方法的检测检测效果更好。

此外，实施例一中的交错结构环偶极子芯片的体积小，还能够极大地提高检测的便携性。

另外，通过实施例一种的方法对石油进行检测，检测所需的样品少，检测时间短，能实现快速、准确、微量实时的光谱检测。

进一步地，实施例一中的太赫兹光谱分析系统为爱德万7400系统，其频谱分辨率可达2.1GHz，能在宽光谱范围内实现高精度的物质检测。

进一步地，通过实施例二的检测可以表明，通过实施例一的方法能够更为精确地对原油样品进行检测，所测得的光谱非常稳定，因而能够有效地对不同来源的原油进行区分。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于环偶极子效应的超材料芯片检测石油的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将太赫兹光谱分析系统的检测环境进行干燥预处理，并测得干燥条件下的频谱，将该频谱作为参考光谱；

步骤二，用移液枪将原油样品转移并均匀涂抹在超材料芯片的上表面；

步骤三，将涂抹着原油样品的所述超材料芯片放入干燥后的所述太赫兹光谱分析系统内，使所述太赫兹光谱分析系统的太赫兹脉冲信号垂直照射在芯片上进行检测，得到所述原油样品的检测光谱；

步骤四，所述检测光谱减去所述参考光谱，从而得到所述原油样品的透射光谱，

其中，所述超材料芯片为基于环偶极子效应所设计的太赫兹芯片，

所述超材料芯片由两个圆型分裂谐振环构成，两个所述圆型分裂谐振环有交叠面积，

一个所述圆型分裂谐振环的圆心在左边，并且其缺口在右边，另个所述圆型分裂谐振环的圆心在右边，并且其缺口在左边，

两个所述圆型分裂谐振环位于同一平面内，并且两个所述缺口对齐设置。

2.根据权利要求1所述的基于环偶极子效应的超材料芯片检测石油的方法，其特征在于：

其中，所述圆型分裂谐振环的内半径为35μm，外半径为40μm，

所述缺口的大小为4μm。

3.根据权利要求1所述的基于环偶极子效应的超材料芯片检测石油的方法，其特征在于：

其中，所述太赫兹光谱分析系统为爱德万7400系统，其检测方式为投射式检测。

4.根据权利要求1所述的基于环偶极子效应的超材料芯片检测石油的方法，其特征在于：

其中，所述原油样品的体积为1μL～10μL，

所述原油样品涂抹在所述超材料芯片上的厚度为1μm～3μm。

5.根据权利要求4所述的基于环偶极子效应的超材料芯片检测石油的方法，其特征在于：

其中，所述原油样品的体积为2μL，

所述原油样品涂抹在所述超材料芯片上的厚度为1μm。

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