一种基于纳米天线结构的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法技术

本发明专利技术涉及一种基于纳米天线结构的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，属于太赫兹检测应用技术领域。一种基于纳米天线结构的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，该方法包括如下步骤：步骤a、设计用于检测的纳米天线结构；步骤b、将待检测物质加载在纳米天线结构表面上，测试并记录待检测物质在纳米天线结构表面上的太赫兹透射谱；步骤c、通过分析加载待测物质前后太赫兹透射谱的透过率的变化判断目标物质是否存在。与现有指纹检测方法相比，本发明专利技术针对纳米天线结构狭缝内10

【技术实现步骤摘要】
一种基于纳米天线结构的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法
本专利技术涉及一种基于纳米天线结构的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，属于太赫兹检测应用

技术介绍
由于绝大多数的生物分子的集体振动，分子间或分子内的转动产生谐振，其吸收特征频率位于太赫兹波段，因此可以通过物质对太赫兹波的吸收光谱“指纹”来实现对各种物质的种类识别，这是当前太赫兹应用中最具有吸引力的地方之一。另外，太赫兹波具有低光子能量、弱辐射以及在绝大多数介质材料中透明等特点，从而使得太赫兹在安全检测及疾病诊断等具有得天独厚的优势。然而，由于绝大多数分子结构尺寸和吸收截面相比于太赫兹波(30-3000μm)非常小，分子与太赫兹波的相互作用强度非常弱。为了获得明显的吸收效果往往将需要较大体积或者较厚尺寸的样品，传统的以透射方式进行太赫兹指纹检测是将待检测物质碾压成粉末并压制成片状，结合太赫兹光谱仪系统对其进行观察(L.Ho,etal,Signaturesandfingerprints,Nat.Photonics,Vol.2,no.9,pp.541-543,2008.)。然而这种方式下常用的样品厚度高达几个毫米，用量比较大，这限制了太赫兹波指纹检测的应用范围。研究人员利用多种方法致力于提高太赫兹指纹检测灵敏度，比如增加电磁波与物质的相互作用面积，提高局域电场强度等。P.Weis(P.Weis,etal,Hybridizationinducedtransparencyincompositesofmetamaterialsandatomicmedia,Opt.Express,Vol.19,no.23,pp.23573-23580,2011.)等人提出了超材料和检测分子之间的EIT效应来检测目标物质，但该结构虽然简单易于加工，50μm厚度的乳糖其指纹信号仍然小于10％，灵敏度仍然不够高；J.J.Yang(J.J.Yang,etal,Broadbandmolecularsensingwithataperedspoofplasmonwaveguide,Opt.Express,Vol.23,no.7,pp.8583-8589,2015.)等人利用金属锥形波导结构增加太赫兹波与检测物质的相互作用面积以提高检测灵敏度，但是调整其结构参数适应于其他物质检测时十分复杂；XShi(X.Shi,etal,Enhancedterahertzfingerprintdetectionwithultrahighsensitivityusingthecavitydefectmodes,ScientificReports,Vol.7,no1,pp13147.)等人利用一种微腔谐振模式来提高检测灵敏度，虽然可以实现纳米量级厚度目标物质的检测，但对检测装置精确度要求高，操作难度大，且分析过程复杂。
技术实现思路
本专利技术目的是针对现有技术存在上述问题，提出一种基于纳米天线结构的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，它所要解决的技术问题是如何提高太赫兹指纹检测的灵敏度。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于纳米天线结构的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，该方法包括如下步骤：步骤a、设计用于检测的纳米天线结构；步骤b、将待检测物质加载在纳米天线结构表面上，测试并记录待检测物质在纳米天线结构表面上的太赫兹透射谱；步骤c、通过分析加载待测物质前后太赫兹透射谱的透过率的变化判断目标物质是否存在。本专利技术方法的步骤是：纳米天线结构在加载物质前是一条透射率很高的近似直线,加载物质后，透射率在加载物质的谐振频率处降低，从而识别出目标物质,并且通过透射率的下降程度来对目标物质进行定量分析。本专利技术针对纳米天线结构狭缝内105量级的电场强度对目标物质的高灵敏度，与以往的指纹检测相比，大幅度提高了检测灵敏度,实现纳米量级厚度目标物质的识别与测量，同时无需改变结构参数便可实现对多种目标物质的检测，适用于混合溶液的高灵敏度检测。本方法采用中的纳米天线结构具有高透过率及无谐振特征，结合太赫兹透过谱进行分析，可以实现纳米量级厚度混合溶液的特征指纹检测，具有检测灵敏度高及指纹检测信号增强效果明显等特点。作为优选，所述步骤a中的纳米天线结构为在金属薄膜上的一维周期性狭缝结构。所述的金属可以是任何种类的金属。在太赫兹波段，任何的金属都近似于完美电导体。作为优选，所述狭缝结构是长宽比为104量级的凹糟，所述凹槽区域内在太赫兹入射时具有105量级的电场强度。其狭缝区域具有电场强度高特征，可实现纳米量级厚度的特征指纹检测。进一步优选，所述狭缝结构的狭缝宽度d为100nm，金属厚度t为50nm，一维周期为10μm。所述狭缝结构的狭缝宽度越小，一维周期越大，金属厚度越大，凹槽内的电场越强。作为优选，所述步骤a中的天线结构放置在石英衬底或硅衬底上。衬底对太赫兹波有吸收作用，但对天线结构起支撑作用并有利于加载检测物质。作为优选，所述步骤b中，首先检测并记录纳米天线结构在加载待检测物质前后的太赫兹透射谱；所述步骤c中通过比较加载待测物质前后纳米天线结构透射谱的变化来识别目标物质的有无。作为优选，所述步骤c中，当太赫兹透射谱中，透射率在目标物质谐振频率处出现明显下降时，说明目标物质存在；当透射率无明显下降时，说明待检测物质并非目标物质。作为优选，所述步骤c中判断目标物质存在后，通过计算透射谱在目标物质谐振频率处的透射下降量计算目标物质的加载量。透射下降量和目标物质的加载量相关，本方法在实现加载物质的种类识别同时，还能在加载物质与目标物质一致时实现对其定量分析。本专利技术的有益效果是：与现有指纹检测方法相比，本专利技术针对纳米天线结构狭缝内105量级的电场强度及全波段高透过率这两大特点，大幅度提高了检测灵敏度,实现纳米量级厚度目标物质的识别与测量，同时无需改变结构参数便可实现对多种目标物质的检测，适用于混合溶液的高灵敏度检测。附图说明图1是纳米天线结构示意图，其中，PEC完美电导体，t金属厚度，d狭缝宽度，E电场方向，H磁场方向，k入射太赫兹波的方向；图2中a)纳米天线结构本身太赫兹透过率；b)纳米天线结构在表面加载不同厚度α-乳糖时的透过率；c)不同厚度的α-乳糖本身透过率；d)纳米天线加载不同厚度的α-乳糖时有和没有纳米天线结构时的透过差与α-乳糖厚度的线性拟合关系；图3是纳米天线结构加载谐振频率分别在0.529和0.7THz的两种物质的混合溶液时的透过率。具体实施方式下面通过具体实施例，并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本专利技术的实施并不局限于下面的实施例，对本专利技术所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本专利技术保护范围。在本专利技术中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。实施例：一种基于纳米天线结构的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，具体步骤如下：步骤a、设计用于检测的纳米天线结构；步骤b、将待检测物质加载在纳米天线结构表面上，测试并记录待检测物质在纳米天线结构表面上的太赫兹透射谱；步骤c、通过分析太赫兹透射谱的透过率判断目标物质是否存在。该纳米天线结构为在金属薄膜上的一维周期性狭缝结构。所述狭缝结构为长宽比为104量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于纳米天线结构的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，其特征在于该方法包括如下步骤：步骤a、设计用于检测的纳米天线结构；步骤b、将待检测物质加载在纳米天线结构表面上，测试并记录待检测物质在纳米天线结构表面上的太赫兹透射谱；步骤c、通过分析加载待测物质前后太赫兹透射谱的透过率变化判断目标物质是否存在。

【技术特征摘要】
1.一种基于纳米天线结构的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，其特征在于该方法包括如下步骤：步骤a、设计用于检测的纳米天线结构；步骤b、将待检测物质加载在纳米天线结构表面上，测试并记录待检测物质在纳米天线结构表面上的太赫兹透射谱；步骤c、通过分析加载待测物质前后太赫兹透射谱的透过率变化判断目标物质是否存在。2.根据权利要求1所述的基于纳米天线结构的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，其特征在于：所述步骤a中的纳米天线结构为在金属薄膜上的一维周期性狭缝结构。3.根据权利要求2所述的基于纳米天线结构的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，其特征在于：所述狭缝结构为长宽比为104量级的凹糟，所述凹槽区域内在太赫兹入射时具有105量级的电场强度。4.根据权利要求3所述的基于纳米天线结构的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，其特征在于：所述狭缝结构的狭缝宽度d为100nm，金属厚度t为50nm，一维周期为10μ...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦坚源，韩宝娟，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33