一種基于圓盤周期結(jié)構(gòu)的太赫茲波有機物檢測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太赫茲波檢測領(lǐng)域，具體涉及一種基于圓盤周期結(jié)構(gòu)的太赫茲波有機物檢測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲(THz)波是位于微波和遠紅外線之間的電磁波，在生物醫(yī)學(xué)、安全監(jiān)測、無損傷探測、天文學(xué)、光譜與成像技術(shù)以及信息科學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在可見光波段，基于表面等離子體激元傳感器已經(jīng)在生物和醫(yī)學(xué)研究中廣泛使用。
[0003]表面等離子體激元共振，是存在于金屬和電介質(zhì)界面的一種電荷密度振蕩本征模式。它可以通過入射光經(jīng)棱鏡耦合、光柵耦合或波導(dǎo)耦合來激發(fā)產(chǎn)生。其原理是:入射光激發(fā)金屬薄膜和電介質(zhì)界面產(chǎn)生表面等離子體激元。
[0004]雖然波導(dǎo)耦合的表面等離子體激元共振傳感器和高保線結(jié)構(gòu)在可見光波段已是一項很成熟的技術(shù)，但工作在太赫茲波段的相應(yīng)器件還很少報道，尤其是高保線和諧振環(huán)構(gòu)成的高靈敏度太赫茲有機物檢測的傳感器裝置還未曾涉及。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是為解決上述問題而進行的，通過提供一種基于圓盤周期結(jié)構(gòu)的太赫茲波有機物檢測裝置，進一步提高諧振環(huán)傳感器在生物醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域的靈敏度。
[0006]本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明提供的基于圓盤周期結(jié)構(gòu)的太赫茲波有機物檢測裝置具有這樣的技術(shù)特征，具有:襯底；以及，設(shè)置于襯底的上表面上的金屬層，用于獲取太赫茲波并對有機物進行檢測。
[0008]其中，金屬層包括:信號獲取部，為共面波導(dǎo)，用于從上位裝置獲取太赫茲波，并將其轉(zhuǎn)化為準準TEM波模式；第一模式轉(zhuǎn)換部，與信號獲取部連接，包括Vivaldi天線以及第一金屬波導(dǎo)，Vivaldi天線用于和信號獲取部的阻抗相匹配，第一金屬波導(dǎo)上設(shè)置有復(fù)數(shù)個槽深逐漸增大的凹槽，用于激發(fā)表面等離子激元，將太赫茲波由準準TEM波模式轉(zhuǎn)化為表面波模式；傳導(dǎo)檢測部，與第一模式轉(zhuǎn)換部連接，用于讓表面波傳導(dǎo)并穿過待檢樣品從而對有機物進行檢測，包括與第一金屬波導(dǎo)連接第二金屬波導(dǎo)，以及與第二金屬波導(dǎo)間隔一定間距的諧振環(huán)，待檢樣品被放置于所述諧振環(huán)上，第二金屬波導(dǎo)上設(shè)置有復(fù)數(shù)個固定槽深的凹槽，固定槽深與第一金屬波導(dǎo)中最大的槽深相同，諧振環(huán)為設(shè)置有周期性溝槽結(jié)構(gòu)的圓盤，相鄰兩個溝槽結(jié)構(gòu)之間為齒，齒與凹槽之間的波導(dǎo)相對；第二模式轉(zhuǎn)換部，與第一模式轉(zhuǎn)換部沿傳導(dǎo)檢測部的中心線相對稱，用于將太赫茲波由表面波模式轉(zhuǎn)換為準準TEM波模式；以及信號輸出部，和第二模式轉(zhuǎn)換部連接，用于將太赫茲波傳輸給下位分析設(shè)備。
[0009]本發(fā)明提供的基于圓盤周期結(jié)構(gòu)的太赫茲波有機物檢測裝置，還可以具有這樣的特征，還包括:矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，通過兩個探針分別和信號獲取部以及信號輸出部連接，用于發(fā)射和探測太赫茲波信號。
[0010]本發(fā)明提供的基于圓盤周期結(jié)構(gòu)的太赫茲波有機物檢測裝置，還可以具有這樣的特征:共面波導(dǎo)包括中心帶以及位于中心帶兩側(cè)且與中心帶間隔一定間距的接地帶，中心帶和接地帶之間的兩個槽口分別作為信號獲取部以及信號接受部的能量傳輸端口，和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的探針連接。
[0011]本發(fā)明提供的基于圓盤周期結(jié)構(gòu)的太赫茲波有機物檢測裝置，還可以具有這樣的特征=Vivaldi天線包括開路腔、槽線以及指數(shù)線，第一金屬波導(dǎo)沿槽線向所述第二金屬波導(dǎo)處延伸。
[0012]本發(fā)明提供的基于圓盤周期結(jié)構(gòu)的太赫茲波有機物檢測裝置，還可以具有這樣的特征:諧振環(huán)和金屬波導(dǎo)之間的所述間距為0.5?1.5 μ m。
[0013]本發(fā)明提供的基于圓盤周期結(jié)構(gòu)的太赫茲波有機物檢測裝置，還可以具有這樣的特征:諧振環(huán)的溝槽結(jié)構(gòu)的周期個數(shù)為20?60，待檢樣品被放置于溝槽中。
[0014]本發(fā)明提供的基于圓盤周期結(jié)構(gòu)的太赫茲波有機物檢測裝置，還可以具有這樣的特征:諧振環(huán)的內(nèi)外層半徑比為0.2?I。
[0015]本發(fā)明提供的基于圓盤周期結(jié)構(gòu)的太赫茲波有機物檢測裝置，還可以具有這樣的特征:襯底由石英、聚苯二甲酸乙二醇酯以及聚酰亞胺中的任意一種材料制成。
[0016]本發(fā)明提供的基于圓盤周期結(jié)構(gòu)的太赫茲波有機物檢測裝置，還可以具有這樣的特征:待檢樣本被制成薄片狀，置于對太赫茲波透明的聚苯二甲酸乙二醇酯材料上。
[0017]本發(fā)明提供的基于圓盤周期結(jié)構(gòu)的太赫茲波有機物檢測裝置，還可以具有這樣的特征:用于檢測的有機物的范圍涵蓋液體和固體有機物，液體有機物優(yōu)選細胞液，固體有機物優(yōu)選癌細胞。
[0018]進一步的，本發(fā)明還提供了基于圓盤周期結(jié)構(gòu)的太赫茲有機物檢測裝置檢測有機物的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0019]步驟一，待檢樣本被制成薄片狀后，放置于諧振環(huán)上的凹槽結(jié)構(gòu)中；步驟二，采用共面波導(dǎo)從上位裝置獲取太赫茲波，將其轉(zhuǎn)化為準準TEM波模式，并將準TEM波傳輸給第一模式轉(zhuǎn)化部；步驟三，采用第一模式轉(zhuǎn)換部中的第二金屬波導(dǎo)將TEM波轉(zhuǎn)化為表面波，表面波在金屬波導(dǎo)的凹槽陣列中傳輸；步驟四，采用諧振環(huán)和第二金屬波導(dǎo)相耦合，形成諧振峰；步驟五，諧振峰穿過待檢樣本發(fā)生漂移后采用第二模式轉(zhuǎn)換部將其轉(zhuǎn)換為TEM波；步驟六，采用信號輸出部將TEM波傳輸給下位檢測設(shè)備進行數(shù)據(jù)分析。
[0020]發(fā)明作用與效果
[0021]根據(jù)本發(fā)明提供的基于圓盤周期結(jié)構(gòu)的太赫茲波有機物檢測裝置，由于金屬波導(dǎo)可和諧振環(huán)耦合產(chǎn)生高Q值(200?300)的諧振峰，對待檢樣品進行檢測，提高了太赫茲波檢測有機物的靈敏度，為解決快速檢測有機物的科學(xué)難題提供了一種參考。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明的基于圓盤周期結(jié)構(gòu)的太赫茲波有機物檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是本發(fā)明的基于圓盤周期結(jié)構(gòu)的太赫茲波有機物檢測芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3是本發(fā)明的檢測芯片的金屬層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4是本發(fā)明的基于圓盤周期結(jié)構(gòu)的太赫茲波有機物檢測裝置檢測有機物樣品的流程圖；
[0026]圖5是本發(fā)明的檢測裝置檢測大分子生物有機物(癌細胞)的結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0027]以下結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0028]圖1是本實施例的基于圓盤周期結(jié)構(gòu)的太赫茲波有機物檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]如圖1所示，檢測裝置100包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀200以及檢測芯片300。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀200通過探針201和探針202分別和檢測芯片300的能量傳輸端口連接，用于發(fā)射和探測太赫茲波信號。待檢有機物樣品被放置于檢測芯片300上。
[0030]圖2是本實施例的基于圓盤周期結(jié)構(gòu)的太赫茲波有機物檢測芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]如圖2所示，檢測芯片300由襯底10和金屬層20組成。金屬層20通過光刻和鍍膜附著在襯底10上。
[0032]本實施例中，金屬層20的材質(zhì)為金，厚度山為500nm。襯底10由襯底由石英、聚苯二甲酸乙二醇酯(PEN)以及聚酰亞胺中的任意一種材料制成，厚度(12為200 μm。
[0033]圖3是本實施例的檢測芯片的金屬層的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]如圖3所示，金屬層20包括順序連接的信號獲取部1、第一模式轉(zhuǎn)換部2、傳導(dǎo)檢測部3、第二模式轉(zhuǎn)換部4以及信號輸出部5。信號獲取部I用于從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀200處獲取輸入太赫茲波信號，并將其轉(zhuǎn)化為準TEM波模式；第一模式轉(zhuǎn)換部2用于激發(fā)表面等離子激元，將太赫茲波由準TEM波模式轉(zhuǎn)化為表面波模式；傳導(dǎo)檢測部3用于傳導(dǎo)表面波并使其穿過待檢樣品，對有機物進行檢測；第二模式轉(zhuǎn)換部4用于將太赫茲波由表面波模式轉(zhuǎn)換為準TEM波模式；信號輸出部5通過探針202和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀200連接，并將太赫茲波傳輸給矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀200。
[0035]圖2為圖3的側(cè)視圖，如圖1?圖3所示，信號獲取部I以及信號輸出部5均為共面波導(dǎo)，包括中心帶11以及位于中心帶11兩側(cè)且與中心帶11間隔一定間距&的兩個接地帶12。
[0036]中心帶11和接地帶12之間的兩個槽口分別作為信號獲取部I以及信號輸出部5的能量傳輸端口，和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的探針201以及探針202連接。信號獲取部I通過探針201和SMA連接器連接，進而通過SMA連接器從同軸電纜處獲取輸入信；信號輸出部5通過探針202將檢測完畢的太赫茲波信號傳輸給矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀200，進行結(jié)果分析。
[0037]本實施例中，能量