CN219777489U - 基于像素化超表面多目标检测背向反射式光谱检测*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于像素化超表面多目标检测背向反射式光谱检测***，涉及生物医学检测领域，包括：基底；像素化超表面阵列结构，集成在基底表面；待测生物样品设于像素化超表面阵列结构上侧；太赫兹信号发生器，设于基底下侧；太赫兹接收器，用于接收反射回的太赫兹信号，进行太赫兹时域光谱分析。本实用新型能够实现对极性溶液的多目标检测，包括对某一目分析物实现精确定量检测并获取较为精确的指纹谱，使得太赫兹光谱技术在生物医学分析中发挥更重要的作用。
Description
技术领域
本实用新型涉及生物医学检测领域，具体而言，涉及基于像素化超表面多目标检测背向反射式光谱检测***。
背景技术
太赫兹波位于毫米波段和红外波段之间，兼具了光子学与电子学特性，具有非电离、无损伤、高穿透、高分辨率和光谱指纹等特点，使其成为生物医学领域的常用工具。太赫兹物质检测技术在起步阶段的研究重点主要是将太赫兹光谱与样品直接相互作用，从样品的透、反射响应中进行分子振动模式识别以及样品厚度、复折射率等物理信息分析。然而，太赫兹波辐射的光子能量低，与样品的弱相互作用在一定程度上限制了太赫兹光谱技术的高灵敏度传感应用。在太赫兹波段，自然界中存在最普遍的极性水对其的吸收率非常强，造成了对太赫兹波的天然屏障。因此在研究以极性溶液为对象的分析物时，只能采用将溶液中的水分蒸干，在干燥状态下对样品进行检测分析，阻碍了太赫兹传感技术在实践中的广泛应用。为了进一步促进太赫兹在传感检测中的实际应用，研究者结合微流控、衰减全反射等技术实现对微量水溶液的直接检测。这些设计不仅实验操作流程复杂，而且对制造精度的要求也很严格。因此，要充分发挥太赫兹波的传感能力，拓展其在检测领域的实际应用，还需要进一步研究基于太赫兹光谱的快速、简便的水溶液分析方法。目前基于超材料的太赫兹传感用于溶液的快速检测和分析受到越来越多人的关注。但主要集中于对分析物单一指纹检测，或灵敏度较差的定量检测，很难实现在极性环境中对分析物进行多目标检测，也无法对某一目标物质实现精确检测并获取较为精确的指纹谱。
因此，如何对极性溶液中的待分析物进行指纹谱以及定量多目标检测成为需要解决的技术问题。
实用新型内容
本实用新型旨在至少解决上述现有技术或相关技术中存在的技术问题之一，提供了一种基于像素化超表面多目标检测背向反射式光谱检测***，实现了对痕量生物样品的超高灵敏度鉴别和定量探测。
本实用新型提供了一种基于像素化超表面多目标检测背向反射式光谱检测***，包括：由对太赫兹波高透过性材料制成的基底；像素化超表面阵列结构，集成在基底的表面；待测生物样品设于像素化超表面阵列结构上侧；太赫兹信号发生器，设于基底下侧，以便于太赫兹脉冲以一定角度入射基底的下表面；太赫兹接收器，用于接收反射回的太赫兹波，进行太赫兹时域光谱分析。
根据本实用新型提供的基于像素化超表面多目标检测背向反射式光谱检测***，优选地，像素化超表面阵列结构包括多种尺寸的谐振单元，以扩宽响应的光谱范围；其中，每一种尺寸的谐振单元的阵列组成一个探测区，多种尺寸的谐振单元的多个阵列形成多个探测区，以使像素化超表面阵列结构支持宽频段的太赫兹波光谱响应。
根据本实用新型提供的基于像素化超表面多目标检测背向反射式光谱检测***，优选地，基底的材质为对太赫兹波高透过率的环烯烃类共聚物(COC)或者高阻硅材料。
根据本实用新型提供的基于像素化超表面多目标检测背向反射式光谱检测***，优选地，探测的过程具体包括：每次探测前采集只有超构表面的反射信号作为参考；记录带有分析物的信号，采用快速傅里叶变换得到太赫兹反射频域信号。
根据本实用新型提供的基于像素化超表面多目标检测背向反射式光谱检测***，优选地，太赫兹信号以10°的固定入射角照射在像素化超表面物质检测芯片的下表面；利用调相双激光同步控制技术控制信号发射和接收，以高速获得携带样品信息的时域波形。
根据本实用新型提供的基于像素化超表面多目标检测背向反射式光谱检测***，优选地，用干燥空气填充太赫兹光路所处环境，相对湿度小于3％。
根据本实用新型提供的基于像素化超表面多目标检测背向反射式光谱检测***，优选地，将像素化超表面物质检测芯片作为载物台，将载物台安装在三维平移台上，以确保在所需的方位角处获得稳定的光谱采集。
根据上述技术方案，本实用新型的有益效果至少包括：基于像素化超表面支持多目标检测，不但能够提高检测精度还能够简化操作流程；利用像素化超表面增强目标物质与电场的相互作用，提高检测精度以获取较为精确的目标物指纹谱；基于背向反射法能够直接对水溶液中的目标物质进行高效检测，大大扩宽本实用新型的应用场景。
附图说明
图1示出了根据本实用新型实施例的基于像素化超表面多目标检测背向反射式光谱检测***的整体结构示意图。
图2示出了根据本实用新型实施例的基于像素化超表面多目标检测背向反射式光谱检测***的像素化超表面的平面结构示意图。
图3示出了根据本实用新型实施例的基于像素化超表面多目标检测背向反射式光谱检测***的像素化超表面的侧视示意图。
图4示出了根据本实用新型实施例的基于像素化超表面多目标检测背向反射式光谱检测***的超表面结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本实用新型省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本实用新型。
如图1所示，根据本实用新型的实施例之一公开了基于像素化超表面多目标检测的背向反射式光谱检测方法，包括：设计像素化超表面物质检测芯片；配制待测物质溶液；将待测物质溶液转移至像素化超表面物质检测芯片上方；利用太赫兹时域光谱***对覆盖了待测分析物超表面的反射信号进行探测，期间获取的太赫兹时域波形均在斜反射模式下采集。探测的过程具体包括：每次探测前采集只有超构表面的反射信号作为参考；记录带有分析物的信号，采用快速傅里叶变换得到太赫兹反射频域信号。
在该实施例中，太赫兹时域波形由太赫兹时域光谱***在斜反射模式下采集，光谱范围为0.5-7.0THz。使用两个脉冲时间小于50fs的1550nm光纤激光器(图中所示激光器1)作为太赫兹信号泵浦源和探测源，重复频率为50MHz。采用带超半球形硅透镜(图中所示第一透镜3、第二透镜4)的光导天线方法进行太赫兹的产生和接收，其中，第一透镜3作为辐射源，第二透镜4作为探测器。发射的太赫兹信号经过抛物面镜7以θ＝10°的固定入射角照射在像素化超表面6的下表面。利用调相同步控制技术控制信号的发射和接收，再通过数控设备5高速获得携带样品信息的时域波形。所有测量均在室温下进行，为避免水蒸气的影响，用干燥空气填充太赫兹光路所处环境，相对湿度小于3％。
如图3所示，在该实施例中，将像素化超表面物质检测芯片作为载物台，将载物台安装在三维平移台上，以确保在所需的方位角处获得稳定的光谱采集。
根据本实用新型的又一个实施例，还公开了一种基于像素化超表面多目标检测背向反射式光谱检测***，包括：由对太赫兹波高透过性材料制成的基底；像素化超表面阵列结构，集成在基底的表面；待测生物样品设于像素化超表面阵列结构上侧；太赫兹信号发生器，设于基底下侧，以便于太赫兹脉冲以一定角度入射基底的下表面；太赫兹接收器，用于接收反射回的太赫兹波，进行太赫兹时域光谱分析。
如图1和图2所示，在该实施例中，像素化超表面6具体包括基底201和像素化超表面阵列结构202，待测生物样品203设于超表面阵列结构上侧。第一激光器1和第一透镜3作为太赫兹信号发生器，第二激光器2和第二透镜4作为太赫兹接收器，数控设备5进行太赫兹时域光谱分析。
根据上述实施例，优选地，像素化超表面阵列结构包括多种尺寸的谐振单元，以扩宽响应的光谱范围；其中，每一种尺寸的谐振单元的阵列组成一个探测区，多种尺寸的谐振单元的多个阵列形成多个探测区，以使像素化超表面阵列结构支持宽频段的太赫兹波光谱响应。
如图4所示，在该实施例中，谐振单元的边长为P，每一个谐振单元包括一对背向设置的带有缺口的矩形金属框，一侧金属框的缺口设置在框体外侧中部，另一侧金属框的缺口设置在框体外侧的上部，缺口中心与金属框中线的距离为δ，金属框高度为L，金属框之间间距为d，缺口宽度为g，金属框线的宽度宽为w。优选地，P＝54μm，L＝40μm，g＝30μm，d＝4μm，w＝4μm，δ＝8μm。其它区域的不同尺寸谐振单元以此为基准进行等比例放大或缩小。
根据上述实施例，优选地，基底的材质为对太赫兹波高透过率的环烯烃类共聚物(COC)，厚度为12μm，折射率为1.53。
根据上述实施例，优选地，基底的材质为高阻硅材料。
综上所述，本实用新型提出了一种像素化超表面多目标检测的背向反射式光谱检测方法和***，用于极性溶液的快速、方便检测。本实用新型基于像素化超表面支持多目标检测，不但能够提高检测精度还能够简化操作流程；利用像素化超构表面增强目标物质与光场的相互作用，提高检测精度以获取较为精确的目标物指纹谱；基于背向反射法能够直接对极性溶液中的目标物质进行高效检测。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于像素化超表面多目标检测背向反射式光谱检测***，其特征在于，包括：
由对太赫兹波高透过性材料制成的基底；
像素化超表面阵列结构，集成在所述基底的表面；
待测生物样品设于所述像素化超表面阵列结构上侧；
太赫兹信号发生器，设于所述基底下侧，以便于太赫兹脉冲以一定角度入射基底的下表面；
太赫兹接收器，用于接收反射回的太赫兹信号，进行太赫兹时域光谱分析。
2.根据权利要求1所述的基于像素化超表面多目标检测背向反射式光谱检测***，其特征在于，所述像素化超表面阵列结构包括多种尺寸的谐振单元，实现频谱与空间对应，以扩宽响应的光谱范围；其中，每一种尺寸的谐振单元的阵列组成一个探测区，多种尺寸的谐振单元的多个阵列形成多个探测区，以使所述像素化超表面阵列结构支持宽频段的太赫兹波光谱响应。
3.根据权利要求1所述的基于像素化超表面多目标检测背向反射式光谱检测***，其特征在于，所述基底的材质为对太赫兹波高透过率的环烯烃类共聚物或者高阻硅材料。
4.根据权利要求1所述的基于像素化超表面多目标检测背向反射式光谱检测***，其特征在于，太赫兹信号以10°的固定入射角照射在像素化超表面物质检测芯片的下表面。
5.根据权利要求1所述的基于像素化超表面多目标检测背向反射式光谱检测***，其特征在于，太赫兹光路所处环境填充有干燥空气。
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