CN114966226A - 一种材料介电谱快速分析的方法 - Google Patents
一种材料介电谱快速分析的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114966226A CN114966226A CN202210580972.7A CN202210580972A CN114966226A CN 114966226 A CN114966226 A CN 114966226A CN 202210580972 A CN202210580972 A CN 202210580972A CN 114966226 A CN114966226 A CN 114966226A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- sample
- dielectric spectrum
- measured
- dielectric
- epsilon
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000001453 impedance spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 147
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 48
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 25
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 84
- 239000013074 reference sample Substances 0.000 claims abstract description 74
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 27
- 238000010606 normalization Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 25
- 238000001566 impedance spectroscopy Methods 0.000 claims description 13
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 8
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 8
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims description 3
- 229910001867 inorganic solvent Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000003049 inorganic solvent Substances 0.000 claims description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 26
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 22
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 22
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 5
- 210000000601 blood cell Anatomy 0.000 description 4
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 description 4
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N Dichloromethane Chemical compound ClCCl YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N Ethyl acetate Chemical compound CCOC(C)=O XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 3
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical compound CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N Pentane Chemical compound CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N Phenol Chemical compound OC1=CC=CC=C1 ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- JUJWROOIHBZHMG-UHFFFAOYSA-N Pyridine Chemical compound C1=CC=NC=C1 JUJWROOIHBZHMG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N chlorobenzene Chemical compound ClC1=CC=CC=C1 MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- JHIVVAPYMSGYDF-UHFFFAOYSA-N cyclohexanone Chemical compound O=C1CCCCC1 JHIVVAPYMSGYDF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N methanoic acid Natural products OC=O BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 2
- OCJBOOLMMGQPQU-UHFFFAOYSA-N 1,4-dichlorobenzene Chemical compound ClC1=CC=C(Cl)C=C1 OCJBOOLMMGQPQU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XNWFRZJHXBZDAG-UHFFFAOYSA-N 2-METHOXYETHANOL Chemical compound COCCO XNWFRZJHXBZDAG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- POAOYUHQDCAZBD-UHFFFAOYSA-N 2-butoxyethanol Chemical compound CCCCOCCO POAOYUHQDCAZBD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZNQVEEAIQZEUHB-UHFFFAOYSA-N 2-ethoxyethanol Chemical compound CCOCCO ZNQVEEAIQZEUHB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SYBYTAAJFKOIEJ-UHFFFAOYSA-N 3-Methylbutan-2-one Chemical compound CC(C)C(C)=O SYBYTAAJFKOIEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 4-(3-methoxyphenyl)aniline Chemical compound COC1=CC=CC(C=2C=CC(N)=CC=2)=C1 OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N Cyclohexane Chemical compound C1CCCCC1 XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PIICEJLVQHRZGT-UHFFFAOYSA-N Ethylenediamine Chemical compound NCCN PIICEJLVQHRZGT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NTIZESTWPVYFNL-UHFFFAOYSA-N Methyl isobutyl ketone Chemical compound CC(C)CC(C)=O NTIZESTWPVYFNL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UIHCLUNTQKBZGK-UHFFFAOYSA-N Methyl isobutyl ketone Natural products CCC(C)C(C)=O UIHCLUNTQKBZGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N O-Xylene Chemical compound CC1=CC=CC=C1C CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CYTYCFOTNPOANT-UHFFFAOYSA-N Perchloroethylene Chemical group ClC(Cl)=C(Cl)Cl CYTYCFOTNPOANT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XBDQKXXYIPTUBI-UHFFFAOYSA-M Propionate Chemical compound CCC([O-])=O XBDQKXXYIPTUBI-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- GOOHAUXETOMSMM-UHFFFAOYSA-N Propylene oxide Chemical compound CC1CO1 GOOHAUXETOMSMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000779819 Syncarpia glomulifera Species 0.000 description 1
- KXKVLQRXCPHEJC-UHFFFAOYSA-N acetic acid trimethyl ester Natural products COC(C)=O KXKVLQRXCPHEJC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- -1 alicyclic hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 150000001338 aliphatic hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 150000004945 aromatic hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 229940117389 dichlorobenzene Drugs 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 description 1
- 150000002170 ethers Chemical class 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 235000019253 formic acid Nutrition 0.000 description 1
- 150000002334 glycols Chemical class 0.000 description 1
- 150000008282 halocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002576 ketones Chemical class 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- YKYONYBAUNKHLG-UHFFFAOYSA-N n-Propyl acetate Natural products CCCOC(C)=O YKYONYBAUNKHLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- TVMXDCGIABBOFY-UHFFFAOYSA-N octane Chemical compound CCCCCCCC TVMXDCGIABBOFY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001739 pinus spp. Substances 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 229940090181 propyl acetate Drugs 0.000 description 1
- UMJSCPRVCHMLSP-UHFFFAOYSA-N pyridine Natural products COC1=CC=CN=C1 UMJSCPRVCHMLSP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 229950011008 tetrachloroethylene Drugs 0.000 description 1
- 229940036248 turpentine Drugs 0.000 description 1
- NQPDZGIKBAWPEJ-UHFFFAOYSA-N valeric acid Chemical compound CCCCC(O)=O NQPDZGIKBAWPEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000008096 xylene Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
- G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
- G01R27/2617—Measuring dielectric properties, e.g. constants
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/30—Assessment of water resources
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
本发明涉及一种介电谱分析方法，用于对待测材料的介电谱进行分析，该介电谱分析方法包括下列步骤：测量待测样品的直流电导率和介电谱，其中，所述待测样品中包含待测材料组分；确定与待测样品具有相同直流电导率的基准样品的介电谱，其中，所述基准样品中不包含待测材料组分，对任一相同频段总是采用与测量待测样品的介电谱时相同的测量系统测量所述基准样品的介电谱；在整个频谱上，用基准样品的介电谱的实部对待测样品的介电谱的实部进行归一化，绘制出介电谱的实部归一化曲线；用基准样品的介电谱的虚部对待测样品的介电谱的虚部进行归一化，绘制介电谱虚部归一化曲线。
Description
技术领域
本发明涉及一种介电谱分析方法，尤其是一种介电谱归一化分析方法。
背景技术
分析材料与电磁信号之间相互作用特性的主要方法是表征材料的电容率(permittivity)，又称为介电谱(dielectric spectroscopy)，用ε＝ε’+jε”表示，其中j为虚数单位。ε’为材料的电容率实部，称为“介电常数”(dielectric constant)，描述了材料对电场的存储性能；ε”为介电谱虚部，称为“介电损耗因数”(dielectric loss factor)，描述了材料耗散电场能量的性能。类似地，描述材料与电磁场中磁场相互作用的物理量为磁导率(permeability)，实部描述材料存储磁场的性能，虚部描述了材料耗散磁场能量的性能。材料的电容率和磁导率在非静态条件下是耦合的，因此材料的电磁响应可等效为“磁导率为常实数，电容率为随频率变化的复数”的形式。在材料表征测试中，可将材料视作线性响应系统，测量材料不同频率对应的等效电容率值。测量材料的介电谱可以用于快速判定材料有无频率特异性电磁响应。
通常，测试介电谱时，将不同频率的正弦电磁信号依次施加于待测材料，测定每个频率下材料的响应电压、电流的幅度、相位之间的关系，推算出待测材料的在不同频率下的电磁场存储和损耗特性，从而推算出等效电容率值。介电谱的测试技术目前有多种成熟的方案，例如针对频率区间20Hz～30MHz的平行板电容测试法、适用于频率区间10MHz～300GHz的探头测试法等。
现有技术中的介电谱分析方法见于下列文献：
(1)Brovelli A,Cassiani G.Effective permittivity of porous media:Acritical analysis of the complex refractive index model[J].GeophysicalProspecting,2008,56(5):715-727.
(2)Liebe H J,Hufford G A,Manabe T.A model for the complexpermittivity of water at frequencies below 1THz[J].International Journal ofInfrared and Millimeter Waves,1991,12(7):659-675.
(3)Gun L,Ning D.Equivalent permittivity based on Debye model of bloodand its SAR[J].International Journal of Science,Technology and Society,2017,5(3):37-40.
(4)Said T,Varadan V V.Variation of Cole-Cole model parameters withthe complex permittivity of biological tissues[C]//2009IEEE MTT-SInternational Microwave Symposium Digest.IEEE,2009:1445-1448.
这些相关的文献中的介电谱分析方法的分析目的与本发明相同。各文献中均使用了基于数学模型分析和参数拟合的方法，虽然使用的数学模型各异，但分析流程类似，均涉及多参数模型系统的最优参数匹配，分析过程具有较大的计算量。
现有技术中，介电谱分析通常借助数学模型的描述，如Debye模型、Cole-Cole模型等。这些方法通常用含有参数、形式简洁的数学表达式来描述材料的介电谱(包括实部和虚部)，其中参数取值因材料不同而变化。在这些模型中，材料的介电谱(ε)通常被表达为：ε＝εDC+Σi＝1 nεi+ε∞，其中，εDC为直流电导率组份贡献的电容率，εi为单个有效组份贡献的电容率项(i＝1,2,…,n)，以上两者均随频率的变化而变化。ε∞为频率趋近于无穷大时的电容率，为不随频率变化的常数。其中，εDC的测量值极易受到测量系统和测量方法的影响，不同测试系统得到的εDC也不相同。每个εi的表达式形式相似，通常包含了该组份的频率信息和幅度信息，在一些介电谱模型中也会补充提供其他的参量，补充参量因模型而异。
在上述文献(2)和(3)中采用的Debye模型中，εi的表达式为：εi＝Δεi/(1+jf/fi)，其中j为虚数单位，Δεi为该介电谱组份的幅值，fi为该组份的中心频率。例如，图1A和图1B分别示出了人全血样品的介电谱ε的实部和虚部以及介电谱在Debye模型下的各个分量εDC、εβ、εγ和ε∞，它可以表示为ε＝εDC+εβ+εγ+ε∞，其中εβ＝Δεβ/(1+jf/fβ)为血细胞贡献的电容率项，而εγ＝Δεγ/(1+jf/fγ)为水贡献的电容率项。
在上述文献(4)中采用的Cole-Cole模型中，εi的表达式为：
它在Debye模型的基础上，增加了一个弛豫系数αi，用于描述单个介电谱组份的频谱宽度特性。这些模型共性的特点，就是从测试数据中抽象出N个代表性的参数(N＝2+nk，其中n为材料介电谱的有效组分贡献项个数，正整数k为每个有效组分贡献项中所需的参数个数，例如Debye模型中k＝2，Cole-Cole模型中k＝3)，使模型曲线能够在误差允许范围内描述电容率随频率变化的趋势。
介电谱分析方法通常需要在模型表达式的参数所构成的多维空间中遍历扫描，得到与测试所得介电谱最匹配(即模拟值与测量值之间差值最小)的一组参数，作为该介电谱的特征参数。在遍历扫描时，需要为参数设置一组初始值和初始步长、各参数取值范围、步长迭代系数、参数允许误差，对参数组在多维空间的取值范围内，通过迭代扫描，找到与测量值的误差最小的点(参数允许误差内)，即得到最佳匹配参数。
因此，现有技术下的介电谱分析方法的问题在于：首先，由于需要进行参数匹配，通常需要多参数遍历和迭代，因而计算量大、速度慢，在大量样品筛查测试中成为限速步骤，不能满足快速输出的要求。其次，该方法的输出参数为一组数字，相对于介电谱的曲线不直观方便，其输出参数需要还原到图谱中才能表现出其物理意义。而且，基于模型拟合的介电谱的测试值，经常受到测量系统自身的系统误差，易包含虚假信号(即由测试系统自身引入的信号，例如平行板电容器测试的电极极化效应信号等)。在无参考样品作为标定基线的前提下，这种虚假信号很难消除，在系统误差未能正确建模的条件下，易造成对测试数据的错误解读(或分离出假信号)。
因此，本发明所要解决的技术问题是，改进现有的介电谱分析方法，以实现对于材料介电谱快速、直观、准确的分析。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种介电谱分析方法，用于对待测材料的介电谱进行分析，该介电谱分析方法包括下列步骤：首先，测量待测样品的直流电导率和介电谱，其中，所述待测样品中包含待测材料组分；其次，确定与待测样品具有相同直流电导率的基准样品的介电谱，其中，所述基准样品中不包含待测材料组分，对任一相同频段总是采用与测量待测样品的介电谱时相同的测量系统测量所述基准样品的介电谱；然后，在整个频谱上，用基准样品的介电谱的实部对待测样品的介电谱的实部进行归一化，绘制出介电谱的实部归一化曲线；用基准样品的介电谱的虚部对待测样品的介电谱的虚部进行归一化，绘制介电谱虚部归一化曲线。
待测材料组分包含在待测样品中。提供基准样品的介电谱相当于给出了一种提取待测样品中的待测材料组分的特征信号的基准工具。直流导电成分的含量不同，会导致样品呈现不同的直流电导率，而相同的直流电导率对应了相同的介电谱直流分量εDC。因此，由于作为基准工具的基准样品与待测样品具有相同的电导率，就能在介电谱归一化时，在使用相同测试系统的条件下最大程度地消除直流电导率项的影响。
本发明的介电谱分析方法的优点在于，测量过程中不涉及复杂迭代计算，能够快速简便地得到直观的介电谱的实部和虚部归一化曲线，相比仅能提供最佳匹配参数作为结果的现有技术而言，介电谱的实部和虚部归一化曲线具有更清晰的物理意义，更清楚地表征了待测材料组分的特征信号的作用。
根据本发明的介电谱分析方法的一种优选实施形式，确定与待测样品具有相同直流电导率的基准样品的介电谱的方式是：直接配制与所述待测样品具有相同直流电导率的基准样品并测量所述基准样品的介电谱。作为替代也可以考虑的是，事先在预定的直流电导率范围内配制若干不同直流电导率的基准样品，测量各基准样品的介电谱；然后选取直流电导率与待测样品相同的基准样品的介电谱作为所确定的基准样品的介电谱，当各基准样品中没有与待测样品直流电导率相同的基准样品时，则选取若干与待测样品直流电导率接近的基准样品的介电谱插值拟合出与待测样品直流电导率相同的基准样品的介电谱，以之作为所确定的基准样品的介电谱。
在上述方法中，由于采用与测量待测样品的介电谱时相同的测量系统，因此介电谱直流分量εDC能够在归一化过程中基本抵消，使介电谱归一化曲线中突出了待测材料组分的特征信号。
由于测试系统的频带宽度限制，在宽频介电谱的测试中，经常需要使用多个测试系统在不同频段分别测试，再将不同频段的测试结果拼接起来。为了保证测试数据拼接效果，通常不同系统的频率范围可以有部分重合，便于将不同测试系统的介电谱以插值的方式拼接起来。因此，根据本发明的介电谱分析方法的一种优选实施形式，对整个频谱内的各个频段分别采用相同的或不同的测试系统测量该频段的待测样品的介电谱以及基准样品的介电谱，不同频段之间具有重叠，以插值方式拼接成整个频谱上的待测样品的介电谱以及基准样品的介电谱。应当理解，此处的采用不同测试系统是指对不同频段材料不同的测试系统，而用于相互比较、在归一化过程中抵消介电谱直流分量的待测样品和基准样品的介电谱在同一频段内总是用相同的测试系统进行测量，这才能达到抵消介电谱直流分量的效果。
尽管实践中通常以离子溶液携载待测材料组分，但显然应当理解，本发明的介电谱分析方法并不局限于此。待测样品与基准样品均为可完全电离的离子溶液，并且离子溶液的溶质和溶剂优选是非挥发性的，例如NaCl、KCl的水溶液。但是，如果在测量基准样品的介电谱的过程中，使基准样品保持配制时的蒸气压，则也可以考虑采用挥发性的溶质和溶剂。
待测样品与基准样品的溶剂不限于水也可以是其它无机溶剂(例如乙二胺、甲酸、硫酸等)或有机溶剂，例如芳烃类溶剂(苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯等)、脂肪烃类(戊烷、己烷、辛烷等)、脂环烃类(环己烷、环己酮、甲苯环己酮等)、卤化烃类(氯苯、二氯苯、二氯甲烷、四氯乙烯等)、醇类(甲醇、乙醇、异丙醇等)、醚类(乙醚、环氧丙烷等)、酯类(醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丙酯等)、酮类(丙酮、甲基丁酮、甲基异丁酮等)、二醇衍生物(乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚等)、及其它有机溶剂(乙腈、吡啶、苯酚、松节油、二甲基亚砜等)。对于水以外的其他溶剂的溶液体系，基准样品可以用与待测样品相同的溶剂配制。
优选的是，在执行所述介电谱分析方法的过程中，待测样品(A)和基准样品(B)的温度保持一致。
替代的是，待测样品也可以是气体或固体。或者，待测样品与所述基准样品均为气体，所述基准样品由所述待测样品中除待测材料组分以外的其它所有气体成分组成，并保持所述待测样品中各气体组分的分压条件；或者，待测样品与所述基准样品均为固体，基准样品由待测样品中除待测材料组份以外的其他所有固体成分组成，并保持待测样品中各固体成分的质量分数。无论基准样品是液体、气体还是固体，基准样品的核心特点是与待测样品除待测材料组分以外所有其它组分的状态(包括但不限于温度、浓度、电离状态等)一致。
本发明通过提供基准样品的实验方法抵消了介电谱直流分量，避免了复杂的数值计算，同时，本发明的介电谱分析方法可消除或有效抑制测试仪器系统误差或模型偏差引入的假信号，最大程度降低来自非待测组分贡献的介电谱特征，突出显示待测材料组分的特征信号，因此可帮助测试者快速聚焦有效成分的介电谱特征信号。
附图说明
下面结合附图详细解释本发明的实施方式。在附图中：
图1A示出了人血样品介电谱的实部分量；
图1B示出了人血样品介电谱的虚部分量；
图2A示出了人血样品及其基准样品(离子溶液)的介电谱的实部；
图2B示出了由基准样品(离子溶液)介电谱实部归一化的人血样品介电谱的实部；
图2C示出了人全血细胞和基准样品(离子溶液)介电谱的虚部；
图2D示出了为由基准样品(离子溶液)介电谱虚部归一化的人血样品介电谱虚部。
附图用于解释本申请技术方案并构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
具体实施方式
图1A和图1B分别示出了人血样品介电谱的实部和虚部分量，其中以实线示出了测量数据对应的介电谱，虚线则对应于Debye模型的各个分量。人全血细胞介电谱ε＝εDC+εβ+εγ+ε∞，介电谱的实部分量ε’＝ε’DC+ε’β+ε’γ+ε∞，虚部分量ε”＝ε”DC+ε”β+ε”γ。介电谱的实部和虚部的各分量的物理意义并不直观。
下文中以人血样本作为待测样品、以离子溶液作为基准样品来详细说明根据本发明的介电谱分析方法：
首先，测量人血样品的直流电导率(待测样品A)和介电谱εA。然后，根据所测得的人血样品的直流电导率配制具有相同直流电导率的KCl溶液(基准样品B)的介电谱εB。采用与测量人血样品的介电谱εA时相同的测量系统测量KCl溶液的介电谱εB。然后，在整个频谱上，用KCl溶液的介电谱εB的实部ε’B对人血样品的介电谱εA的实部ε’A进行归一化，绘制出介电谱的实部归一化曲线ε’A/ε’B；用KCl溶液的介电谱εB的虚部ε”B对人血样品的介电谱εA的虚部ε”A进行归一化，绘制介电谱虚部归一化曲线ε”A/ε”B。
图2A示出了人血样品及其基准样品(离子溶液)的介电谱的实部；图2B示出了由基准样品(离子溶液)介电谱实部归一化的人血样品介电谱的实部；图2C示出了人全血细胞和基准样品(离子溶液)介电谱的虚部；图2D示出了为由基准样品(离子溶液)介电谱虚部归一化的人血样品介电谱虚部。
比较图1A-图1B和图2A-图2B可知，在根据本发明的介电谱分析方法中经过以基准样品进行的归一化之后，待测材料组分的特征信号被明显提取出，得到更加直观的表现。例如，从图2B中明显可见归一化后的介电谱在中间位置形成的峰值。图2B和图2D中有多条实线，说明进行了多次测量。
在上述方法中，也可以在预定的直流电导率范围内配制若干不同直流电导率的KCl溶液，测量各KCl溶液的介电谱εB1,εB2,....,εBn。然后，选取直流电导率与人血样品相同的KCl溶液的介电谱作为所确定的KCl溶液的介电谱εB，在没有与人血样品直流电导率相同的KCl溶液时，选取若干与人血样品直流电导率接近的KCl溶液的介电谱εBi,εBj插值拟合出与人血样品直流电导率相同的KCl溶液的介电谱，作为所确定的KCl溶液的介电谱εB。这样做的优点是，事先就提供了不同直流电导率的KCl溶液，不必在每次测量人血样品时都耗费时间地配制KCl溶液。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，但是本领域的普通技术人员可以理解：在不背离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换、变型以及任意组合，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (11)
1.一种介电谱分析方法，用于对待测材料的介电谱进行分析，该介电谱分析方法包括下列步骤：
测量待测样品(A)的直流电导率和介电谱(εA)，其中，所述待测样品(A)中包含待测材料组分；
确定与待测样品(A)具有相同直流电导率的基准样品(B)的介电谱(εB)，其中，所述基准样品(B)中不包含待测材料组分，对任一相同频段总是采用与测量待测样品(A)的介电谱(εA)时相同的测量系统测量所述基准样品(B)的介电谱(εB)；
在整个频谱上，用基准样品(B)的介电谱(εB)的实部(ε’B)对待测样品(A)的介电谱(εA)的实部(ε’A)进行归一化，绘制出介电谱的实部归一化曲线(ε’A/ε’B)；用基准样品(B)的介电谱(εB)的虚部(ε”B)对待测样品(A)的介电谱(εA)的虚部(ε”A)进行归一化，绘制介电谱虚部归一化曲线(ε”A/ε”B)。
2.根据权利要求1所述的介电谱分析方法，其特征在于，确定与待测样品(A)具有相同直流电导率的基准样品(B)的介电谱(εB)的方式是：配制与所述待测样品(A)具有相同直流电导率的基准样品(B)并测量所述基准样品(B)的介电谱(εB)。
3.根据权利要求1所述的介电谱分析方法，其特征在于，确定与待测样品(A)具有相同直流电导率的基准样品(B)的介电谱(εB)的方式是：
在预定的直流电导率范围内配制若干不同直流电导率的基准样品，测量各基准样品的介电谱(εB1,εB2,……εBn)；
选取直流电导率与待测样品(A)相同的基准样品的介电谱作为所确定的基准样品(B)的介电谱(εB)；
当各基准样品中没有与待测样品(A)直流电导率相同的基准样品(B)时，选取若干与待测样品(A)直流电导率接近的基准样品的介电谱(εBi,εBj)插值拟合出与待测样品(A)直流电导率相同的基准样品的介电谱，作为所确定的基准样品(B)的介电谱(εB)。
4.根据权利要求2或3所述的介电谱分析方法，其特征在于，对整个频谱内的各个频段分别采用相同的或不同的测试系统测量该频段的待测样品(A)的介电谱(εA)以及基准样品(B)的介电谱(εB)，不同频段之间具有重叠，以插值方式拼接成整个频谱上的待测样品(A)的介电谱(εA)以及基准样品(B)的介电谱(εB)。
5.根据权利要求2或3所述的介电谱分析方法，其特征在于，所述待测样品(A)与所述基准样品(B)均为可完全电离的离子溶液。
6.根据权利要求5所述的介电谱分析方法，其特征在于，所述离子溶液的溶质和溶剂是非挥发性的。
7.根据权利要求5所述的介电谱分析方法，其特征在于，在测量基准样品(B)的介电谱(εB)的过程中，所述基准样品(B)保持配制时的蒸气压。
8.根据权利要求5所述的介电谱分析方法，其特征在于，所述待测样品(A)与所述基准样品(B)的溶剂为水、其它无机溶剂或有机溶剂。
9.根据权利要求2或3所述的介电谱分析方法，其特征在于，所述待测样品(A)与所述基准样品(B)均为气体，所述基准样品(B)由所述待测样品(A)中除待测材料组分以外的其它所有气体成分组成，并保持所述待测样品(A)中各气体组分的分压条件。
10.根据权利要求2或3所述的介电谱分析方法，其特征在于，所述待测样品(A)与所述基准样品(B)均为固体，基准样品(B)由所述待测样品(A)中除待测材料组份以外的其他所有固体成分组成，并保持所述待测样品(A)中各固体成分的质量分数。
11.根据权利要求1所述的介电谱分析方法，其特征在于，在执行所述介电谱分析方法的过程中，待测样品(A)和基准样品(B)的温度保持一致。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210580972.7A CN114966226B (zh) | 2022-05-25 | 一种材料介电谱快速分析的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210580972.7A CN114966226B (zh) | 2022-05-25 | 一种材料介电谱快速分析的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114966226A true CN114966226A (zh) | 2022-08-30 |
| CN114966226B CN114966226B (zh) | 2024-07-02 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150025807A1 (en) * | 2009-04-02 | 2015-01-22 | Schlumberger Technology Corporation | Methods for Determining Dielectric Permittivity Spectrum of Underground Rock Formations |
| CN107860944A (zh) * | 2013-03-15 | 2018-03-30 | 布鲁克纳米股份有限公司 | 使用归一化近场光谱对样品的化学纳米识别 |
| CN108802806A (zh) * | 2018-06-12 | 2018-11-13 | 中国地震局地壳应力研究所 | 一种大地介电谱检测方法 |
| CN109507545A (zh) * | 2018-10-23 | 2019-03-22 | 广西电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种温度对频域介电谱的影响的测试方法 |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150025807A1 (en) * | 2009-04-02 | 2015-01-22 | Schlumberger Technology Corporation | Methods for Determining Dielectric Permittivity Spectrum of Underground Rock Formations |
| CN107860944A (zh) * | 2013-03-15 | 2018-03-30 | 布鲁克纳米股份有限公司 | 使用归一化近场光谱对样品的化学纳米识别 |
| CN108802806A (zh) * | 2018-06-12 | 2018-11-13 | 中国地震局地壳应力研究所 | 一种大地介电谱检测方法 |
| CN109507545A (zh) * | 2018-10-23 | 2019-03-22 | 广西电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种温度对频域介电谱的影响的测试方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 符史流 等: "时域测量技术及其应用", 汕头大学学报(自然科学版), vol. 18, no. 03, 31 August 2003 (2003-08-31), pages 72 - 76 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20040098208A1 (en) | Methods, systems and computer programs for deconvolving the spectral contribution of chemical constituents with overlapping signals | |
| Martineau et al. | Fast quantitative 2D NMR for metabolomics and lipidomics: A tutorial | |
| Ozturk et al. | Development of measurement and extraction technique of complex permittivity using transmission parameter s 21 for millimeter wave frequencies | |
| SE512540C2 (sv) | Metod och anordning för kalibrering av indata | |
| Gorriti et al. | A new tool for accurate S-parameters measurements and permittivity reconstruction | |
| Hyde et al. | A broadband, nondestructive microwave sensor for characterizing magnetic sheet materials | |
| Gabriel et al. | Use of time domain spectroscopy for measuring dielectric properties with a coaxial probe | |
| CN115667862A (zh) | 多个结构相同的光谱仪和其校准方法 | |
| Scott et al. | Permittivity and permeability determination for high index specimens using partially filled shorted rectangular waveguides | |
| Ma et al. | Assessing the impact of data filtering techniques on material characterization at millimeter-wave frequencies | |
| Khalid et al. | Evaluation of a VNA-based material characterization kit at frequencies from 0.75 THz to 1.1 THz | |
| Gorriti et al. | Comparison of the different reconstruction techniques of permittivity from S-parameters | |
| CN114966226B (zh) | 一种材料介电谱快速分析的方法 | |
| CN114966226A (zh) | 一种材料介电谱快速分析的方法 | |
| US11815484B2 (en) | Device for measuring complex dielectric permittivity of a material-under-test, measuring device for multiple reflections of time-domain signals of a complex dielectric and measuring method thereof | |
| Shibata | S 11 Calibration of Cut-Off Circular Waveguide with Three Materials and Related Application to Dielectric Measurement for Liquids | |
| Schultz | A new dielectric analyzer for rapid measurement of microwave substrates up to 6 GHz | |
| Jadav et al. | Dielectric response of transformer insulation-comparison of time domain and frequency domain measurements | |
| Hasar | Determination of full S-parameters of a low-loss two-port device from uncalibrated measurements | |
| EP2646811B1 (en) | Method for automatic peak finding in calorimetric data | |
| CN115144361A (zh) | 一种基于二阶导数谱的物质太赫兹特征峰识别方法 | |
| Farhat et al. | Preliminary experimental measurements of the dielectric and magnetic properties of a material with a coaxial TDR probe in reflection mode | |
| Ayoub et al. | Combination of two measurement techniques to expand the measurements frequency range of the dielectric permittivity | |
| Hasar et al. | A microwave method for unique and non-ambiguous permittivity determination of liquid materials from measured uncalibrated scattering parameters | |
| Hasar et al. | Effect of sample deformation in longitudinal axis on material parameter extraction by waveguides |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |