CN117805327B - 同时检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片及方法 - Google Patents
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Abstract
本方案提供了同时检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片及方法，包括：介质板，其中介质板上设有单层金属谐振结构，所述单层金属谐振结构包括自外向内依次间隔设置的外环方形谐振器、内环方形谐振器以及单开口谐振器，其中外环谐振器和内环方形谐振器的为闭环结构，单开口谐振器上形成一个缺口，可构成暗‑明‑明模通道产生0.53THz和0.76THz两个不同线宽的谐振峰值，实现牛奶中的金霉素和乳糖水合物的同时检测。
Description
技术领域
本申请涉及类电磁诱导透明领域，特别是涉及一种同时检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片及方法。
背景技术
随着科技的不断发展，传感检测技术在各个领域中得到了广泛应用，其中，电磁诱导透明技术作为一种新兴的传感检测技术逐渐受到了人们的关注，这种技术具有高精度、高灵敏度、高可靠性等优点，因而被广泛应用于医疗、安全、环保等领域。
基于类电磁诱导透明的多频带传感检测装置是一种新型的电磁诱导透明技术应用装置，该装置采用多频带的电磁波进行检测，可以实现对物体的多方位、多角度、多频率的探测，具有高精度的检测能力。与传统的传感技术相比，基于类电磁诱导透明的多频带传感检测装置具有更高的灵敏度、更广的应用范围和更低的成本，被广泛应用于食品安全监控、材料检测、医疗诊断等领域。
目前的基于类电磁诱导透明的多频带传感检测装置由于材料和设计的局限性大多仅能检测单一的目标物，且检测步骤较为复杂，难以满足同时检测多种目标物的需求。虽然CN1165549116A方案提到了一种可以基于双波段类电磁诱导透明效应的液体检测传感器芯片，可通过形成两种类EIT效应检测不同特征线谱宽度的目标物（峰值分别在0.67THz和1.77THz），但是该传感器芯片检测并不能实现同时检测两种目标物的效果，这是由于该传感器芯片有一个峰值位置在1.77THz,而水在这个峰值位置有一个由水分子的振动而引起的主要吸收峰，该液体检测传感器作为液体传感器，水峰位置对传感效果的影响很大，这就意味着在该位置的电磁波有很大一部分被水吸收，传感效果会大大削弱，这也就导致了其无法实现两种目标物的同时检测，另外，参考CN1165549116A的附图3可知其在0.67THz处的峰值非常宽且不尖锐，这也就意味着其对于0.67THz位置的目标物识别灵敏度较低，进而也进一步地说明了该传感芯片无法同时检测两个目标物的检测。
而在牛奶的质量和安全性检测场景中，同时检测乳糖水合物和金霉素可以帮助确保牛奶中不含有不合格或者超标的成分，在实际的牛奶食品检测场景下有着极大的需求：当牛奶中检测到金霉素时，表明这些奶牛曾经受到过金霉素的治疗或者饲料中含有该药物，如果牛奶中金霉素的检测结果超过了国家标准，这意味着这些牛奶不适合食用，因为金霉素可能会对人体健康造成危害；乳糖是牛奶中最主要的碳水化合物成分，它具有重要的营养价值和功能，然而，一些人群（如乳糖不耐受者）可能无法消化乳糖，导致消化不良等问题。
综上所述，牛奶中金霉素和乳糖水合物的检测都具有重要的营养学和质量控制意义：检测金霉素可以确保奶制品的安全性和质量，检测乳糖水合物可以帮助消费者选择合适自己的牛奶产品的同时可以帮助奶制品生产商控制产品的质量，而目前市面上的提供的目前的基于类电磁诱导透明的多频带传感检测装置无法在牛奶产品中同时检测金霉素和乳糖水合物，限制了基于类电磁诱导透明的多频带传感检测装置在牛奶产品的质检场景下的应用。
发明内容
本申请实施例提供了一种同时检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片及方法，可以同时高灵敏地检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物，在太赫兹频段实现“以一检多”的功能和分子快速精准检测方法，在牛奶产品的质检场景下有广泛的应用场景。
第一方面，本申请实施例提供了一种同时检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片，包括：介质板，其中介质板上设有单层金属谐振结构，所述单层金属谐振结构包括自外向内依次间隔设置的外环方形谐振器、内环方形谐振器以及单开口谐振器，其中外环谐振器和内环方形谐振器的为闭环结构，单开口谐振器上形成一个缺口。
第二方面，本申请实施例提供了一种同时检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的检测方法，包括以下步骤：将待测牛奶滴置于任一所述的同时用于检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片的表面；设置入射电磁波的电场方向同传感芯片的单开口谐振器的缺口的方向平行，发射电磁波并检测谐振峰，若检测到0.53THz产生谐振峰值则判定所述待测牛奶中含有乳糖水合物，若检测到0.76THz产生谐振峰值则判定所述待测牛奶中含有金霉素，若同时检测到0.53THz和0.76THz产生谐振峰值则判定所述待测牛奶中含有乳糖水合物和金霉。
本发明的主要贡献和创新点如下：
本申请实施例提供了一种同时检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片及方法，使用激光直写加工工艺制作可在0.53THz和0.76THz形成谐振峰的太赫兹类EIT传感器，实现对牛奶中的乳糖和金霉素的同时检测，且谐振峰完美地避开了水峰的位置以使得在牛奶中同时检测金霉素和乳糖具有可行性，不仅如此，本方案的传感芯片的两个检测峰值都非常尖锐具有优良的目标物识别灵敏度。另外，在制作工艺上，本方案提供的传感芯片的结构设计合理，使用普通的激光雕刻机器就可以实现，易于加工且不容易粘连，更易于制造和集成。
本方案的同时检测牛奶中金霉素和乳糖水合物的传感芯片的工作灵敏度最高可达110GHz/RIU，通过独特的结构设计增强了金属谐振器之间的耦合以在同样单层介质板的条件下实现了更好的灵敏度性能；针对于乳糖和金霉素的两个检测峰值的透过率都超过90%以确保信号可以稳定透射，也在一定程度上提高了传感芯片的灵敏度和测量可靠性。
本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的同时检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片的单元结构的示意图；
图2是根据本申请实施例的同时检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片的顶层金属振层尺寸图；
图3是根据本申请实施例的同时检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片在x谐振下产生的谐振曲线；
图4是根据本申请实施例的同时检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片的三个谐振器在x偏振下分别产生的谐振曲线；
图5是根据本申请实施例的同时检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片在待测物的折射率从1.0变化到1.5时产生的折射率灵敏度曲线。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本说明书一个或多个实施例相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本说明书一个或多个实施例的一些方面相一致的装置和方法的例子。
需要说明的是：在其他实施例中并不一定按照本说明书示出和描述的顺序来执行相应方法的步骤。在一些其他实施例中，其方法所包括的步骤可以比本说明书所描述的更多或更少。此外，本说明书中所描述的单个步骤，在其他实施例中可能被分解为多个步骤进行描述；而本说明书中所描述的多个步骤，在其他实施例中也可能被合并为单个步骤进行描述。
实施例一
如图1所示，本方案提供了一种同时检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片，通过结构设计在太赫兹频段实现“以一检多”的功能和分子快速精准检测，解决现有技术存在的一种类电磁诱导透明传感装置一次只能检测一种物质的问题，该同时检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片包括:介质板1，其中介质板1上设有单层金属谐振结构，所述单层金属谐振结构包括自外向内依次间隔设置的外环方形谐振器2、内环方形谐振器3以及单开口谐振器4，其中外环谐振器2和内环方形谐振器的3 为闭环结构，单开口谐振器4上形成一个缺口。
本方案的单开口谐振器4为单边形成缺口的方形结构，外环方形谐振器2和内环方形谐振器3为全包围的方形结构，外环方形谐振器2、内环方形谐振器3以及单开口谐振器4的相对边平行设置。也就是说，外环方形谐振器2和内环方形谐振器3的方形结构的四条边彼此平行设置，单开口谐振器4的方形结构的四条边也同内环方形谐振器3的四条边彼此平行设置。
在一些实施例中，单开口谐振器4的缺口朝向内环方形谐振器3的上边的中间位置设置，也就是说，单开口谐振器4的缺口朝上设置。相对的，本方案的介质板1平行于入射电磁波的方向设置，单开口谐振器4的缺口平行于入射电磁波的方向设置,以实现在x偏振的激发下实现类电磁诱导透明双峰效果。具体的，本方案之所以设定单开口谐振器4的缺口方向同入射电磁波的电场方向平行，是由于当单开口谐振器4的缺口方向同入射电磁波的电场方向平行时，内环方形谐振器3和单开口谐振器4作为明模，外环方形谐振器2作为暗模，单层金属谐振结构构成暗-明-明模通道产生两个谐振峰值。
也就是说，本方案的传感芯片通过外部入射电场激发产生了双EIT效应，可同时产生两个不同的谐振峰实现不同目标物的检测。由于外环方形谐振器2为全包围的结构，当内环方形谐振器3和单开口谐振器4被入射电场激励而产生谐振时，外环方形谐振器2受到内环方形谐振器3和单开口谐振器4的近场偶尔激励且不能被入射电场激发进而形成暗模；而内环方形谐振器3和单开口谐振器4被入射电场激励产生谐振，内环方形谐振器3和单开口谐振器4都形成明模。
具体的，单层金属谐振结构构成暗-明-明模通道产生0.53THz和0.76THz两个不同线宽的谐振峰值，其中0.53THz的谐振峰值对应于乳糖水合物的指纹峰值，0.76THz的谐振峰值对应于金霉素的指纹峰值，进而实现对金霉素和乳糖水合物的精准检测。值得一提的是，外环方形谐振器2和内环方形谐振器3之间产生0.53THz的谐振峰值，内环方形谐振器3和单开口谐振器4之间产生0.76THz的谐振峰值。
需要说明的是，本方案采用单开口谐振器4是由于其可以被设计成在特定频率范围内产生谐振，使得传感芯片对特定频率的电磁波具有高度指纹选择性，这种频率选择性对于特定应用场景的敏感性非常有用，在本方案中设定单开口谐振器4和内环方形谐振器3对0.76THz的电磁波具有高度指纹选择性；另外，单开口谐振器4还具有电磁响应调控特征，通过合理设计缺口的距离和位置可以实现不同的电磁效果，同时单开口谐振器4还能实现透明效应使得当前频率范围内的电磁波呈透明状态。
介质板1为石英,外环方形谐振器2、内环方形谐振器3和单开口谐振器4的材料为金属铜。优选的， 介质板1为相对介电常数为1.9的石英。
另外，在一些实施例中，外环方形谐振器2和内环谐振器3之间的耦合距离以及内环方形谐振器3和单开口谐振器4之间的耦合距离均为10 um。在一些实施例中，单开口谐振器4的缺口的宽度为28um。由于本方案的传感芯片的单开口谐振器4的开口较大，且不同谐振器之间的耦合距离也较大，故本方案可以使用普通的激光雕刻机器即可在介质板1上实现雕刻，具有易于加工且不容易粘连，易于制造和集成的优势。
在如图2所示的具体实施例中，如图2所示，介质板1为正方形，边长P为220um；外环方形谐振器2为正方形，边长l1为160um，宽度w为10um；内环方形谐振器3为正方形，边长l2为110um，宽度为10um；单开口谐振器4也为单开口的正方形，边长l3为56um,宽度为10um。在一些实施例中，外环方形谐振器2、内环方形谐振器3以及单开口谐振器4的深度均为0.2um。
需要说明的是，介质板设计为正方形结构，由于仿真对是由无数个相同的传感芯片排列组成的表面进行的，故本方案选择正方形的介质板的目的是可以保证每个单元之间的谐振器距离相同。
本方案设计的同时用于检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片的工作灵敏度高达110GHz/RIU，且两个谐振峰值的透过率高达90%以上，可以起到保证信号稳定透射的效果。
为了验证本方案的同时用于检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片的性能，本方案将传感芯片的单开口谐振器4的缺口平行于入射电磁波的方向设置，以测试在x偏振下产生的谐振曲线如图3所示，三个谐振器产生的谐振曲线如图4所示，从图3中可以明显地看到该传感芯片在0.76THz和0.53THz的位置形成尖锐的峰值，从图4中可以看到外环方形谐振器2的透射谱为宽开口谐振曲线，其Q值相对较低，具有低辐射损耗特性，为暗模；内环方形谐振器3和单开口谐振器4的透射谱为窄开口谐振曲线，其透射峰值较为尖锐Q值较高，具有高辐射损耗特性，均为明模，验证了明暗、明明的谐振模式。
另外，本方案在传感芯片上覆盖一层厚度为3um的待测物，改变待测物的折射率n从1.0变化到1.5，并测试对应的0.53THz的峰值灵敏度得到折射率灵敏度曲线如图5所示，可以看到该传感芯片在0.53THz处的峰值折射率灵敏度为f1=98GHz/RIU，0.76THz处的峰值折射率灵敏度为f2=110GHz/RIU。
实施例二
基于相同的构思，本方案还提供了一种同时用于检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的检测方法，包括以下步骤：
将待测牛奶滴置于实施例一制备得到的同时用于检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片的表面；
设置入射电磁波的电场方向同传感芯片的单开口谐振器的缺口的方向平行，发射电磁波并检测谐振峰，若0.53THz处的谐振峰值产生红移则判定所述待测牛奶中含有乳糖水合物，若0.76THz处的谐振峰值产生红移则判定所述待测牛奶中含有金霉素，若同时检测到0.53THz和0.76THz处谐振峰值均产生红移则判定所述待测牛奶中含有乳糖水合物和金霉素。
关于该同时用于检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片的结构设计如实施例一所示，在此不进行累赘说明。
本领域的技术人员应该明白，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.同时检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片，其特征在于，包括：介质板，其中介质板上设有单层金属谐振结构，所述单层金属谐振结构包括自外向内依次间隔设置的外环方形谐振器、内环方形谐振器以及单开口谐振器，其中外环方形谐振器和内环方形谐振器的为闭环结构，单开口谐振器上形成一个缺口, 其中单开口谐振器为单边形成缺口的方形结构，外环方形谐振器和内环方形谐振器为全包围的方形结构，外环方形谐振器、内环方形谐振器以及单开口谐振器的相对边平行设置，单开口谐振器的缺口朝向内环方形谐振器的上边的中间位置设置，介质板平行于入射电磁波的方向设置，单开口谐振器的缺口平行于入射电磁波的方向设置，内环方形谐振器和单开口谐振器作为明模，外环方形谐振器作为暗模，单层金属谐振结构构成暗-明-明模通道产生两个谐振峰值，单层金属谐振结构构成暗-明-明模通道产生0.53THz和0.76THz两个不同线宽的谐振峰值，其中0.53THz的谐振峰值对应于乳糖水合物的指纹峰值，0.76THz的谐振峰值对应于金霉素的指纹峰值。
2.根据权利要求1所述的同时检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片，其特征在于，介质板为石英,外环方形谐振器、内环方形谐振器和单开口谐振器的材料为金属铜。
3.根据权利要求1所述的同时检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片，其特征在于，外环方形谐振器和内环谐振器之间的耦合距离以及内环方形谐振器和单开口谐振器之间的耦合距离均为10um。
4.根据权利要求1所述的同时检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片，其特征在于，单开口谐振器的缺口的宽度为28um。
5.根据权利要求1所述的同时检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片，其特征在于，介质板为正方形，边长为220um；外环方形谐振器为正方形，边长为160um，宽度为10um；内环方形谐振器为正方形，边长为110um，宽度为10um；单开口谐振器也为单开口的正方形，边长为58um,宽度为10um。
6.同时检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：将待测牛奶滴置于权利要求1到5任一所述的同时检测牛奶中的金霉素和乳糖水合物的传感芯片的表面；设置入射电磁波的电场方向同传感芯片的单开口谐振器的缺口的方向平行，发射电磁波并检测谐振峰，若0.53THz处的谐振峰值产生红移则判定所述待测牛奶中含有乳糖水合物，若0.76THz处的谐振峰值产生红移则判定所述待测牛奶中含有金霉素，若同时检测到0.53THz和0.76THz处谐振峰值均产生红移则判定所述待测牛奶中含有乳糖水合物和金霉素。
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