CN113933269B - 基于太赫兹指纹谱的检测食品添加剂的超材料芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太赫兹超材料传感领域,尤其涉及基于太赫兹指纹谱的检测两种食品添加剂的超材料芯片,超材料芯片包括若干周期性排列的单元结构,单元结构包括基底层与金属层,金属层位于基底层的顶面;金属层包括第一金属超材料层、第二金属超材料层和第三金属超材料层,第一金属超材料层、第二金属超材料层和第三金属超材料层分别位于基底层的顶面中心,第一金属超材料层、第二金属超材料层和第三金属超材料层同心设置,第一金属超材料层、第二金属超材料层和第三金属超材料层的外径尺寸依次增大。本发明具有操作方便、制作简单、芯片小巧便携等优点,并且能够同时特异性检测两种食品添加剂,更加便携和实用。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹超材料传感领域,尤其涉及基于太赫兹指纹谱的检测食品添加剂的超材料芯片。
背景技术
阿斯巴甜即天门冬酰苯丙胺酸甲酯,是一种重要的甜味剂,在食品加工和药物加工中有广泛的应用,因此安全的使用阿斯巴甜是十分重要的,但阿斯巴甜在使用中有一些安全隐患,如致癌、导致免疫力低下、诱发脑瘤等,过量使用时会影响人们的生命安全。香兰素,又名香草醛,可以起到增香和定香的作用,是全球产量最大的合成香料品种之一,广泛应用于食品行业。过量的服用香兰素可导致患者头晕、头疼、恶心以及呼吸困难,严重时还会引起肝脏的损伤。因此,对二者含量的检测在实际生产生活中是十分必要的。
超材料是一种人工复合材料,是人为地在亚波长尺度范围内设计很小的结构单元并以亚波长尺度为周期进行排列,超材料具有超常的物理性质,如负折射率或负磁导率。此外,因为超材料能够把能量束缚在亚波长的局域空间,对外界环境的变化十分敏感,所以十分适合传感。
太赫兹波通常定义为频率处于0.1-10太赫兹的电磁波,位于毫米波和红外波段之间,它具有较低的能量、很好的空间相干性、良好的穿透性。除此之外,太赫兹波包含了丰富的光谱信息,大部分的物质分子,其转动能级跃迁位于太赫兹波段,由于分子组成和结构的差异,不同物质产生的太赫兹吸收峰的大小和位置都有区别,因此可以把物质的太赫兹光谱作为识别不同物质特征指纹谱。
根据杂化诱导透明效应,当等离子体结构的宽带谐振和原子系统中的窄带谐振干涉相消时,在宽带吸收曲线中将会诱导出窄带透明窗口。利用超材料担任等离子体的角色,检测的生物分子担任原子集合的角色,那么当生物分子的特征频率和超材料结构的等离子体频率范围有重合的时候,就会发生谐振耦合,在宽的透射谷中就会出现尖的透射峰。利用该原理,可以快速方便检测相应的物质分子。并且由于不同的物质分子在太赫兹波段的吸收频率位置不同,所以利用杂化诱导透明效应和精确设计的太赫兹超材料能够方便的做到特异性检测。
2020年9月4号授予的公开号为CN110044874A的发明专利——“一种基于表面增强拉曼散射测量阿斯巴甜含量的方法”中,首先配置PDMS等离子体腔基底,再把阿斯巴甜样品液加入到基底中,然后测量基底的表面增强拉曼光谱,再建立相应的线性模型,利用样品液得到的线性模型进行浓度测量。2021年4月13日授予的公开号为CN212963609U的实用新型专利——“一种香兰素检测装置”中,设计了一款包括约15种零件在内的香兰素检测装置,能够解决现有技术中称量不变的问题。上述两种检测方法都有各自的优点,但存在着前处理繁琐、操作复杂、装置组装难等问题,而本发明利用杂化诱导透明效应和太赫兹超材料结合进行阿斯巴甜和香兰素的检测,具有操作方便、制作简单、芯片小巧便携等优点,并且能够同时特异性检测两种食品添加剂,更加便携和实用。
发明内容
本发明的目的是提供基于太赫兹指纹谱的检测食品添加剂的超材料芯片,以解决上述问题。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:基于太赫兹指纹谱的检测食品添加剂的超材料芯片,包括超材料芯片,所述超材料芯片包括若干周期性排列的单元结构,所述单元结构包括基底层与金属层,所述金属层位于所述基底层的顶面;
所述金属层包括第一金属超材料层、第二金属超材料层和第三金属超材料层,所述第一金属超材料层、第二金属超材料层和所述第三金属超材料层分别位于所述基底层的顶面中心,所述第一金属超材料层、第二金属超材料层和所述第三金属超材料层同心设置,所述第一金属超材料层、第二金属超材料层和所述第三金属超材料层的外径尺寸依次增大。
优选的,所述基底层为方形结构。
优选的,所述基底层长宽高为:200μm*200μm*10μm。
优选的,所述第一金属超材料层、第二金属超材料层和所述第三金属超材料层分别为环形结构。
优选的,所述第一金属超材料层外径尺寸为18-22μm,径向宽度为4-6μm,厚度为0.1-0.3μm。
优选的,所述第二金属超材料层外径尺寸为64-68μm,径向宽度为4-6μm,厚度为0.1-0.3μm。
优选的,所述第三金属超材料层外径尺寸为84-88μm,径向宽度为4-6μm,厚度为0.1-0.3μm。
优选的,所述第一金属超材料层、第二金属超材料层和所述第三金属超材料层的材料分别为铝。
优选的,所述基底层的材料为聚酰亚胺。
本发明具有如下技术效果:
1.本发明超材料芯片能够同时检测两种食品添加剂阿斯巴甜和香兰素。
2.本发明超材料芯片灵敏度高,能够检测微量的食品添加剂。
3.本发明超材料芯片单元周期尺寸在微米级别,整体芯片大小仅数毫米,小巧便携。
4.本发明超材料芯片检测操作简单,能够做到快速检测。
5.本发明超材料芯片检测无需标记物,并且能够做到特异性检测。
6.本发明超材料芯片原材料价格低廉且制作仅需传统的光刻方法,易于大规模生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明超材料芯片三维结构图;
图2为本发明单元结构三维图;
图3为本发明超材料芯片的透射光谱图;
图4为本发明超材料芯片覆盖阿斯巴甜后的透射光谱图;
图5为本发明超材料芯片覆盖香兰素后的透射光谱图;
图6为本发明超材料芯片覆盖不同厚度阿斯巴甜后的透射光谱图;
图7为图6中频率0.35-0.42段的放大图;
图8为本发明超材料芯片覆盖不同厚度香兰素后的透射光谱图;
图9为图8中频率0.58-0.66段的放大图;
图10为透射强度增量随阿斯巴甜厚度的变化图;
图11为透射强度增量随香兰素厚度的变化图;
其中,1、基底层;2、第一金属超材料层;3、第二金属超材料层;4、第三金属超材料层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-11所示,本发明提供了基于太赫兹指纹谱的检测食品添加剂的超材料芯片,包括超材料芯片,超材料芯片包括若干周期性排列的单元结构,单元结构包括基底层1与金属层,金属层位于基底层1的顶面;
金属层包括第一金属超材料层2、第二金属超材料层3和第三金属超材料层4,第一金属超材料层2、第二金属超材料层3和第三金属超材料层4分别位于基底层1的顶面中心,第一金属超材料层2、第二金属超材料层3和第三金属超材料层4同心设置,第一金属超材料层2、第二金属超材料层3和第三金属超材料层4的外径尺寸依次增大。
进一步优化方案,基底层1为方形结构。
进一步优化方案,基底层1长宽高为:200μm*200μm*10μm。
进一步优化方案,第一金属超材料层2、第二金属超材料层3和第三金属超材料层4分别为环形结构。
进一步优化方案,第一金属超材料层2外径尺寸为20μm,径向宽度为5μm,厚度为0.2μm。
进一步优化方案,第二金属超材料层3外径尺寸为66μm,径向宽度为5μm,厚度为0.2μm。
进一步优化方案,第三金属超材料层4外径尺寸为86μm,径向宽度为5μm,厚度为0.2μm。
进一步优化方案,第一金属超材料层2、第二金属超材料层3和第三金属超材料层4的材料分别为铝,电导率为3.56×107。
进一步优化方案,基底层1的材料为聚酰亚胺,介电常数为2.98。
进一步优化方案,检测物质位于第一金属超材料层2、第二金属超材料层3和第三金属超材料层4的表面,检测物质为阿斯巴甜和香兰素,阿斯巴甜和香兰素在太赫兹频段的特征吸收峰位置为0.38和0.61太赫兹;当太赫兹波垂直入射到超材料芯片表面后,会在0.38太赫兹和0.61太赫兹处产生谐振谷,由于杂化诱导透明效应,加入阿斯巴甜和香兰素后,谐振谷的位置会产生透射峰,该透射峰的幅值随两种添加剂的浓度而改变,由此达到检测目的。
本实施例的工作过程如下:
将一束太赫兹光波垂直入射到超材料芯片上,会使超材料芯片产生宽带谐振,如图3所示,该超材料芯片在0.38太赫兹和0.61太赫兹处产生宽带谐振谷,而这两个频率分别对应阿斯巴甜和香兰素在太赫兹波段的特征吸收峰位置。
在超材料芯片表面滴加一定浓度的阿斯巴甜或香兰素,烘干后留下一定厚度的相应待测物,再将太赫兹光波入射到芯片上,由于杂化诱导透明效应,如图4所示,加入阿斯巴甜后,在0.38太赫兹处的宽带谐振谷中,出现了一窄带透射峰;如图5所示,加入香兰素后,在0.61处的宽带谐振谷中,也出现了窄带透射峰。此外,对比图4和图5可以看出,加入阿斯巴甜后并不会对0.61太赫兹处的谐振谷产生影响,而加入香兰素后同样不会对0.38太赫兹处的宽带谐振谷产生影响,由此可见本超材料芯片具有检测特异性。
在超材料芯片表面滴加不同浓度的阿斯巴甜或香兰素,进行烘干后留下不同厚度的相应待测物,再将太赫兹光波入射到芯片上,如图6和图7所示,随着加入阿斯巴甜的厚度逐渐增大,0.38太赫兹处的窄带透射峰强度也逐渐增大,如图8和图9所示,随着加入香兰素的厚度逐渐增大,0.61太赫兹处的窄带透射峰强度逐渐增大;图10为0.38太赫兹处的透射峰强度值改变量随阿斯巴甜厚度的变化图;图11为0.61太赫兹处的透射峰强度值改变量随香兰素厚度的变化图,其中透射峰强度改变量定义为加入相应食品添加剂后的透射峰强度和未加入时的透射峰强度之间的差值,那么当已知待测阿斯巴甜或香兰素产生的透射峰强度的变化量后,就可以方便的求出相应食品添加剂的厚度及浓度。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.基于太赫兹指纹谱的检测食品添加剂的超材料芯片,包括超材料芯片,所述超材料芯片包括若干周期性排列的单元结构,其特征在于:所述单元结构包括基底层(1)与金属层,所述金属层位于所述基底层(1)的顶面;
所述金属层包括第一金属超材料层(2)、第二金属超材料层(3)和第三金属超材料层(4),所述第一金属超材料层(2)、第二金属超材料层(3)和所述第三金属超材料层(4)分别位于所述基底层(1)的顶面中心,所述第一金属超材料层(2)、第二金属超材料层(3)和所述第三金属超材料层(4)同心设置,所述第一金属超材料层(2)、第二金属超材料层(3)和所述第三金属超材料层(4)的外径尺寸依次增大;
所述第一金属超材料层(2)、第二金属超材料层(3)和所述第三金属超材料层(4)分别为环形结构;
其中,所述食品添加剂为阿斯巴甜或香兰素中的一种。
2.根据权利要求1所述的基于太赫兹指纹谱的检测食品添加剂的超材料芯片,其特征在于:所述基底层(1)为方形结构。
3.根据权利要求2所述的基于太赫兹指纹谱的检测食品添加剂的超材料芯片,其特征在于:所述基底层(1)长宽高为:200μm*200μm*10μm。
4.根据权利要求1所述的基于太赫兹指纹谱的检测食品添加剂的超材料芯片,其特征在于:所述第一金属超材料层(2)外径尺寸为18-22μm,径向宽度为4-6μm,厚度为0.1-0.3μm。
5.根据权利要求1所述的基于太赫兹指纹谱的检测食品添加剂的超材料芯片,其特征在于:所述第二金属超材料层(3)外径尺寸为64-68μm,径向宽度为4-6μm,厚度为0.1-0.3μm。
6.根据权利要求1所述的基于太赫兹指纹谱的检测食品添加剂的超材料芯片,其特征在于:所述第三金属超材料层(4)外径尺寸为84-88μm,径向宽度为4-6μm,厚度为0.1-0.3μm。
7.根据权利要求1所述的基于太赫兹指纹谱的检测食品添加剂的超材料芯片,其特征在于:所述第一金属超材料层(2)、第二金属超材料层(3)和所述第三金属超材料层(4)的材料分别为铝。
8.根据权利要求1所述的基于太赫兹指纹谱的检测食品添加剂的超材料芯片,其特征在于:所述基底层(1)的材料为聚酰亚胺。
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