太赫兹近场声频调制解调纳米探针阵列系统、方法、存储介质技术方案

本发明专利技术提供了太赫兹近场声频调制解调纳米探针阵列系统、方法、存储介质。本发明专利技术基于太赫兹近场声频调制解调纳米探针阵列，将太赫兹波信号进行混频，并解调太赫兹波信号以获取生物大分子信息。本发明专利技术的太赫兹近场声频调制解调纳米探针阵列使得被测生物大分子能够快速动态显微成像。动态显微成像。动态显微成像。

【技术实现步骤摘要】
太赫兹近场声频调制解调纳米探针阵列系统、方法、存储介质


[0001]本专利技术涉及显微成像领域，具体涉及一种太赫兹近场声频调制解调纳米探针阵列系统和方法及存储介质。

技术介绍

[0002]太赫兹波凭借其具有生物大分子的指纹谱，且穿透性好、无电离损伤等优良特性，在生物医学光谱成像领域内具有巨大应用潜力，成为国内外研究热点。常规的基于传统透镜聚焦的远场太赫兹成像，由于太赫兹光斑远大于生物分子的尺寸，物理衍射极限使得尺度严重失配，远场探测所获得的是整个光斑覆盖生物分子的平均效应。目前是利用纳米探针将太赫兹波超衍射聚焦到探针尖端，形成与探针尖端曲率半径大小相当的太赫兹局域增强场，通过控制探针尖端曲率半径，使聚焦光斑尺寸达到纳米水平，获取超衍射聚焦的太赫兹波，实现纳米级成像空间分辨率，即太赫兹近场成像。
[0003]然而，目前的太赫兹近场成像相关研究都集中在静态或缓慢成像上，即使有足够的空间分辨率，也只能对生物大分子相互作用的特定状态成像，无法展现太赫兹辐射与生物体系相互作用过程所能揭示的全部信息。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种太赫兹近场声频调制解调纳米探针阵列系统和方法及存储介质，本专利技术的技术方案如下。
[0005]一种纳米探针阵列装置，包括定向耦合器、射频混频器、次谐波混频器、IQ混频器、锁相放大器、信号发生器和纳米探针阵列；
[0006]所述定向耦合器和次谐波混频器相互配合以将所述纳米探针阵列散射回来的太赫兹波信号输送至所述IQ混频器；所述射频混频器用于将振源信号输送至IQ混频器；所述IQ混频器用于将太赫兹波信号进行混频；所述锁相放大器解调太赫兹波信号以获取生物大分子信息。
[0007]优选的，第一本振源的信号经功率放大和倍频后输入所述定向耦合器，经由所述定向耦合器输出至所述纳米探针阵列；所述纳米探针阵列散射回来的太赫兹波信号经由所述定向耦合器进入所述次谐波混频器的RF端；第二本振源的信号经功率放大和倍频后进入所述次谐波混频器的LO端；
[0008]以及，第一本振源和第二本振源的信号分别输入所述射频混频器，且所述射频混频器的输出经功率放大和倍频后输入所述IQ混频器的LO端；所述IQ混频器的RF端与所述次谐波混频器的IF端相连；所述IQ混频器用于实现太赫兹波信号混频；所述IQ混频器的正交相分量和同相分量分别输入锁相放大器。
[0009]优选的，所述纳米探针阵列包括若干信号发生器，各信号发生器以不同频率发生垂直向振动调制信号。
[0010]优选的，所述锁相放大器参考输入由信号发生器提供，且锁相放大器参考输入数
量与信号发生器的数量相匹配。
[0011]优选的，所述线性阵列的每个纳米探针的探针长度和针尖曲率半径相同。
[0012]一种太赫兹近场成像系统，所述太赫兹近场动态成像系统包括上述纳米探针阵列装置。
[0013]一种基于上述纳米探针阵列装置的太赫兹近场声频调制解调方法，包括：
[0014]将连接在音叉上的纳米探针以声波或超声波频率做纳米振幅的抖动，并选定调制频率范围和频率间隔，使用纳米探针的机械振动对近场信号进行调制；
[0015]对探测到的近场信号在机械振动的基频或者高次谐波频率处进行锁相放大，以使得未被调制的从音叉和探针锥形主体散射回来的背景信号被摒弃；
[0016]以太赫兹近场探测时间周期为扫描周期同步扫描纳米探针阵列，以使得纳米探针阵列在载物台上每步进一次就读取探测器所探测到的太赫兹近场信号。
[0017]优选的，将纳米探针的空间坐标和探测到的太赫兹信号作为同一个节点数据存储，以此作为一个纳米探针阵列成像像素的太赫兹近场探测时间周期。
[0018]优选的，通过识别来自纳米探针的太赫兹近场散射信号来标记单个纳米探针以实现每个纳米探针的太赫兹散射信号的定位解调。
[0019]一种存储介质，包括计算机程序，所述计算机程序运行时执行上述太赫兹近场声频调制解调方法。
[0020]相对于现有技术，本专利技术的有益技术效果在于：本专利技术基于太赫兹近场声频调制解调纳米探针阵列，在突破衍射极限具有纳米级空间分辨率的基础上，提高了成像速度，实现被测生物大分子的快速动态显微成像。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0022]图1为基于纳米探针阵列的太赫兹近场成像系统示意图。
[0023]图2为纳米探针阵列结构示意图。
[0024]图3为探针阵列排布扫描示意图。
[0025]图4为探针信号解调过程示意图。
[0026]图5为信号锁相放大示意图。
具体实施方式
[0027]为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0028]如图1所示，本实施例提供了一种太赫兹近场声频调制解调纳米探针阵列系统及其成像系统，包括本振源、分束器、功率放大器、若干倍频器、定向耦合器、喇叭天线、离轴抛物镜、射频混频器、次谐波混频器、IO混频器、锁相放大器、信号发生器。
[0029]本振源S1、S2均采用锁相源作为低频发射信号。示例性的，锁相源S1的信号频率为27.5GHz，为了得到较高的输出功率，在进行倍频之前，利用高增益的功率放大器将信号源发射功率放大；其发射的信号经过一个四倍频和一个二倍频器后频率变为220GHz点频信号作为系统的射频(RF)信号，经由定向耦合器、喇叭天线和离轴抛物镜最后由纳米探针阵列发射出来，纳米探针阵列散射回来携带生物大分子信息的太赫兹波信号经定向耦合器进入次谐波混频器的射频输入端。锁相源S2作为系统本振信号发生器，频率为27.475GHz，其经过功放后经过一个四倍频作为本振信号进入次谐波混频器。
[0030]纳米探针阵列结构示意图如图2所示。所述线性阵列结构的每个纳米探针长度和针尖曲率半径相同。示例性的，针尖曲率半径在10nm左右，相邻两个纳米探针之间间距控制在20
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60nm范围。采用聚焦离子束修饰探针的结构或者曲率半径，获得曲率半径约为100nm的探针针尖；再采用真空镀膜或者热蒸镀金属化处理针尖，制备曲率半径约为10nm的探针阵列，以实现单分子水平的太赫兹近场成像。
[0031]两锁相源输出的一部分分别进入射频混频器的两个射频端，其中频输出经功率放大器后，被一个四倍频和一个二倍频器后频率变为219.8GHz，然后进入I
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Q混频器的本振输入端，与纳米探针阵列散射回来的太赫兹波信号进行混频。
[0032]示例性的，纳米探针阵列被设置成八个，由本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米探针阵列装置，其特征在于，包括定向耦合器、射频混频器、次谐波混频器、IQ混频器、锁相放大器、信号发生器和纳米探针阵列；所述定向耦合器和次谐波混频器相互配合以将所述纳米探针阵列散射回来的太赫兹波信号输送至所述IQ混频器；所述射频混频器用于将振源信号输送至IQ混频器；所述IQ混频器用于将太赫兹波信号进行混频；所述锁相放大器解调太赫兹波信号以获取生物大分子信息。2.根据权利要求1所述的纳米探针阵列装置，其特征在于，第一本振源的信号经功率放大和倍频后输入所述定向耦合器，经由所述定向耦合器输出至所述纳米探针阵列；所述纳米探针阵列散射回来的太赫兹波信号经由所述定向耦合器进入所述次谐波混频器的RF端；第二本振源的信号经功率放大和倍频后进入所述次谐波混频器的LO端；以及，第一本振源和第二本振源的信号分别输入所述射频混频器，且所述射频混频器的输出经功率放大和倍频后输入所述IQ混频器的LO端；所述IQ混频器的RF端与所述次谐波混频器的IF端相连；所述IQ混频器用于实现太赫兹波信号混频；所述IQ混频器的正交相分量和同相分量分别输入锁相放大器。3.根据权利要求2所述的纳米探针阵列装置，其特征在于，所述纳米探针阵列包括若干信号发生器，各信号发生器以不同频率发生垂直向振动调制信号。4.根据权利要求3所述的纳米探针阵列装置，其特征在于，所述锁相放大器参考输入由信号发生器提供，且锁相放大器的参考输入数量与信号发生器的数量相匹配。5.根据权利要求4所述的纳米探...

【专利技术属性】
技术研发人员：常天英，魏东山，崔洪亮，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：