[發明專利]一種基于微腔諧振模式的太赫茲指紋檢測靈敏度增強方法

有效

• 申請號: 201710282296.4
• 申請日: 2017-04-26
• 公開（公告）號: CN107064052B
• 公開（公告）日: 2019-12-27
• 發明（設計）人: 韓張華;史曉梅
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01N21/3586
• 分類號: G01N21/3586
• 代理公司: 33265 嘉興永航專利代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 江程鵬

本發明公開了一種基于微腔諧振模式的太赫茲指紋檢測靈敏度增強方法，該方法的步驟為：針對某目標物質，假設其某一特征吸收頻率為f₀，首先設計一微腔諧振結構使其諧振頻率處于f₀，然后比較該微腔諧振結構在加載目標物質前后的透過率變化，通過該諧振頻率是否漂移來識別目標物質的有無，并通過其透過率下降程度來對目標物質進行定量分析。本發明針對微腔諧振模式透過率對目標物質在f₀處材料損耗的高度敏感，相比于傳統的純粹透射方式的指紋檢測方法既能保持太赫茲光譜檢測的指紋識別特性，又能大幅度提高檢測靈敏度，同時實現納米量級厚度目標物質的識別與測量，適用于不同目標物質、不同探測靈敏度及不同探測范圍的高靈敏度指紋檢測。

技術領域

本發明涉及一種采用微腔高品質因子諧振作為探測信號來實現高靈敏度太赫茲物質種類識別及定量分析的方法，屬于太赫茲檢測應用技術領域。

背景技術

通過折射率測量可以實現物質的溶度、厚度等的定量測量，但不能實現物質的種類識別。由于絕大多數的生物分子的集體振動，分子間或分子內的轉動產生諧振，其吸收特征頻域位于太赫茲波段，因此可以通過物質對太赫茲波的吸收光譜“指紋”來實現對各種物質的種類識別，這是當前太赫茲應用中最具有吸引力的地方。另外，太赫茲波具有低光子能量、弱輻射以及在絕大多數介質材料中透明等特點，從而使得太赫茲在安全檢測及疾病診斷等具有得天獨厚的優勢。然而，由于絕大多數分子結構尺寸和吸收截面相比于太赫茲波長(30-3000μm)非常小，分子與太赫茲波的相互作用強度非常弱。為了獲得明顯的吸收效果往往需要較大體積或者較厚尺寸的樣品，傳統的以透射方式進行太赫茲指紋檢測是將待檢測物質碾壓成粉末并壓制成片狀，結合太赫茲光譜儀系統對其進行透射譜觀察(L.Ho，etall，Signatures and fingerprints，Nat.Photonics，Vol.2，no.9，pp.541-543，2008.)。然而這種方式下常用的樣品壓片厚度高達幾個毫米，這嚴重限制了太赫茲指紋檢測的應用范圍。研究人員采用多種手段致力于提高局域場強或者增加電磁波與物質的相互作用長度，來提升太赫茲指紋檢測靈敏度，但效果都不是很理想。例如，D.K.Lee等人(D.K.Lee,etall,Highly sensitive and selective sugar detection by terahertz nao-antennas,Sci.Rep.,Vol.5,2015.)利用太赫茲納米狹縫天線增強局域場強，對低濃度各類糖類溶液(糖類固體含量大約幾百毫克每升)進行特征挑選，雖然可以有效地區分不同的糖類，但透射譜中指紋信號仍然很弱，很難在實際操作中得到放大的指紋信號；T.S.Bui等人(T.S.Bui,et all,Metamaterial-enhanced vibrational absorption spectroscopy forthe detection of protein molecules,Sci.Rep.Vol.6,2016.)試圖通過超材料結構對薄膜蛋白質指紋吸收信號進行放大，但超材料結構加載蛋白質的透射譜對超材料結構本身的透射譜做了歸一處理，至于該超材料結構對蛋白質指紋信號的放大能力并不明確。利用天線結構或者超材料結構增強局域場強，增加生物分子的吸收橫截面其效果目前并不理想。因此J.J.Yang等人(J.J.Yang,et all,Broadband molecular sensing with a taperedspoof plasmon waveguide,Opt.Express,Vol.23,no.7,pp.8583-8589,2015.)利用金屬錐形波導結構增加太赫茲波與檢測物質的相互作用長度以提高檢測靈敏度，但是該金屬錐形波導是二維結構，不僅生物用量不明確而且調節該結構參數適用于其它生物分子特征指紋檢測非常復雜。除此之外，P.Weis等人(P.Weis,et all,Hybridization inducedtransparency in composites of metamaterials and atomic media,Opt.Express,Vol.19,no.23,pp.23573-23580,2011.)等人提出了一種新的方法，利用超材料諧振模式與生物分子指紋吸收峰雜化形成誘導透射峰，該結構雖然簡單易于加工，但50m厚度的-乳糖其指紋信號仍然小于10％，靈敏度仍然不夠高。