基于太赫兹技术的溶液检测方法、设备及存储介质技术

本发明专利技术提供基于太赫兹技术的溶液检测方法、设备及存储介质，方法包括：使用太赫兹时域激光对未放置样品的太赫兹芯片进行扫描获取参考时域信号；将待检测溶液完全展开于太赫兹芯片上；使用太赫兹时域激光对待检测溶液进行扫描获取样品时域信号；对获取的参考时域信号和样品时域信号进行光学参数运算获取样品的折射率、吸收系数和介电常数；通过所述折射率、吸收系数和介电常数计算频率偏移值；通过所述频率偏移值确定对应溶液的成分。本发明专利技术结合数据处理和数学计算方法，利用超材料对电磁场的局域场增强作用以及与探测分子相互作用，提供灵敏度高、检测样本使用量少、无标记、便捷以及快速的溶液检测方法。快速的溶液检测方法。快速的溶液检测方法。

【技术实现步骤摘要】
基于太赫兹技术的溶液检测方法、设备及存储介质


[0001]本专利技术涉及太赫兹检测
，更具体地，基于太赫兹技术的溶液检测方法、设备及存储介质。

技术介绍

[0002]太赫兹(Terahertz，THz)波是指频率在0.1
‑
10THz的电磁辐射，其波段(0.03
‑
3mm)位于微波与红外之间，是宏观电子学向微观光子学的过渡区域，展现出其它波段所没有的独特性和优异性。太赫兹波段光子的能量约为1
‑
10meV，不会对生物组织产生有害的电离辐射，相较于可见光与红外光谱，其穿透能力更强，且不易受瑞利散射的影响；同时，由于太赫兹辐射具有的相干性，因此能够直接得到所测物质的振幅和相位信息从而计算所测物质的折射率与吸收系数等参数；另外，许多大分子的振动和转动频率在太赫兹频段都有特殊的响应和相互作用，因此利用太赫兹辐射可以对其进行指纹识别，从而检测物质结构的微小差异。利用太赫兹波段作为辐射源，可同时得到待测物质的光谱数据和成像数据，为深入研究所测对象提供了多方面的数据，在大分子检测分析、生物医学诊断、农业食品安全、药品检测等诸多领域展现出巨大的应用潜力和市场价值。
[0003]超材料芯片是周期排列的结构尺寸远小于入射波长的人工电磁材料，合理有效的设计可以使其实现一些奇特的光学特性，例如复折射、异常透射等。除此之外，超材料对电磁场具有良好的局域场增强作用，可与探测分子相互作用，出现强的谐振，将谐振特性用于太赫兹芯片传感，即可通过谐振峰的改变识别折射率和周围介质的变化，不仅能提高检测灵敏度，而且减少了分析物的用量。液体及水溶液在太赫兹波段有较强的吸收，常规的太赫兹光谱技术较难透射液体样本，太赫兹光谱技术与超材料芯片结合，可以极大提高检出的灵敏度，减少样本的使用量。太赫兹芯片对生物分子进行研究，还可以无标记、便捷、快速地检测生物分子在水溶液中的生理特性。太赫兹超材料表面外来物质沉积而引起的介电常数变化会导致共振频率偏移。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供基于太赫兹技术的溶液检测方法、设备及存储介质。本专利技术基于太赫兹技术，结合数据处理和数学计算方法，利用超材料对电磁场具有良好的局域场增强作用，可与探测分子相互作用，出现强的谐振，将谐振特性用于物质的检测，通过谐振峰的改变识别折射率和周围介质的变化，提供灵敏度高、检测样本使用量少、无标记、便捷以及快速的溶液检测方法。
[0005]本专利技术采用的技术方案包括：
[0006]一种基于太赫兹技术的溶液检测方法，包括：
[0007]使用太赫兹时域激光对未放置样品的太赫兹超材料芯片进行扫描获取参考时域信号；
[0008]将待检测溶液完全展开于太赫兹超材料芯片上；
[0009]使用太赫兹时域激光对待检测溶液进行扫描获取样品时域信号；
[0010]对获取的参考时域信号和样品时域信号进行光学参数运算获取样品的折射率、吸收系数和介电常数；
[0011]通过所述折射率、吸收系数和介电常数计算频率偏移值；
[0012]通过所述频率偏移值确定对应溶液的成分。
[0013]本专利技术通过增强溶液样本颗粒与太赫兹电磁波的相互作用或使样本尽量填满间隙结构，可以提高超材料太赫兹传感器的灵敏度。
[0014]本专利技术可以将获取到的太赫兹参考时域信号和样品太赫兹时域信号分别进行快速傅里叶变换，从而获得相应的参考太赫兹频域谱信号和样品太赫兹频域谱信号，之后可获得基于太赫兹芯片酶类物质的吸收系数、折射率、介电常数等多维光谱信息，进行数据统计和分析。
[0015]当太赫兹超材料芯片表面覆盖不同的浓度溶液样本时，太赫兹吸收系数谱的变化呈现出一定的规律，变化主要表现在中心谐振峰的红移，芯片谐振峰频率逐渐降低。这是由于当超材料芯片表面覆盖溶液样本时，等效增加了整体结构中所有间隙gap处的介电常数，从而增大了等效电容，降低了中心频率，使谐振峰向低频移动，产生了红移。进而利用这个特性，可以对溶剂成分进行确定。
[0016]进一步，样品时域信号的光谱响应函数为：
[0017]其中E
ref
(ω)为参考时域信号，E
sam
(ω)为样品时域信号，d为待检测溶液的厚度，A(ω)为样品时域信号与参考时域信号的振幅比，为样品时域信号与参考时域信号的相位差，ω为太赫兹激光的角频率，α为样本的吸收系数，i为虚数单位，c为电磁波在真空中的传播速度，n为待检测溶液的折射率。
[0018]进一步，所述折射率
[0019][0020]所述吸收系数
[0021]所述介电常数
[0022]进一步，所述通过所述频率偏移值确定对应溶液的成分具体包括：
[0023]构建光谱数据库；
[0024]所述光谱数据库包括已知类型的溶液的太赫兹光谱数据；
[0025]根据所述光谱数据库对待检测溶液进行对比，确定对应溶液的成分。
[0026]根据不同类型物质在太赫兹光谱信息上的差异性，可以构建光谱数据库，可用于鉴别不同性质的溶剂。根据已建立的光谱数据库，实现溶剂的自动辨识与鉴定，从而为溶液的检测与鉴定提供一种精准、高效、灵敏的检测手段。
[0027]进一步，通过所述折射率、吸收系数和介电常数计算频率偏移值包括：
[0028]通过信号处理和数据分析对原始光谱进行处理；
[0029]获取待检测溶液的频移光谱和吸收系数；
[0030]对频移光谱进行平滑化；
[0031]根据平滑化的频移光谱获取待检测溶液的频率偏移值。
[0032]进一步，所述对频移光谱进行平滑化包括数据拟合和/或数据平滑和/或数据去野点。
[0033]太赫兹芯片厚度较薄约0.50mm，太赫兹时域信号穿透样本时，时域谱图有较多的回波及干涉影响，对后续提取吸收系数有一定的干扰，本方案可以采用信号处理和数据分析方法对原始光谱进行处理，获取样本的频移光谱以及吸收系数，通过加权多元多次数据拟合和频谱分析模拟分解数学原理，对吸收谱通过数据拟合、数据平滑、数据去野点等方法，获取较为平滑的曲线。
[0034]进一步，使用太赫兹时域激光对未放置样品的太赫兹超材料芯片进行扫描获取参考时域信号包括：
[0035]向样品仓内通入向样品仓内通入流量大小为10
‑
20L/min的氮气；
[0036]排除水汽后进行扫描获取参考时域信号。
[0037]进一步，所述太赫兹时域激光谱宽为0.06
‑
4.5THz。
[0038]基于同样的专利技术构思，本专利技术还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的基于太赫兹技术的溶液检测方法。
[0039]基于同样的专利技术构思，本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于太赫本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于太赫兹技术的溶液检测方法，其特征在于，包括：使用太赫兹时域激光对未放置样品的太赫兹超材料芯片进行扫描获取参考时域信号；将待检测溶液完全展开于太赫兹超材料芯片上；使用太赫兹时域激光对待检测溶液进行扫描获取样品时域信号；对获取的参考时域信号和样品时域信号进行光学参数运算获取样品的折射率、吸收系数和介电常数；通过所述折射率、吸收系数和介电常数计算频率偏移值；通过所述频率偏移值确定对应溶液的成分。2.根据权利要求1所述的基于太赫兹技术的溶液检测方法，其特征在于，样品时域信号的光谱响应函数为：其中E
ref
(ω)为参考时域信号，E
sam
(ω)为样品时域信号，d为待检测溶液的厚度，A(ω)为样品时域信号与参考时域信号的振幅比，为样品时域信号与参考时域信号的相位差，ω为太赫兹激光的角频率，α为样本的吸收系数，i为虚数单位，c为电磁波在真空中的传播速度，n为待检测溶液的折射率。3.根据权利要求2所述的基于太赫兹技术的溶液检测方法，其特征在于，所述折射率所述吸收系数所述介电常数4.根据权利要求1所述的基于太赫兹技术的溶液检测方法，其特征在于，所述通过所述频率偏移值确定对应溶液的成分具体包括：构建光谱数据库；所述光谱数据库包括已知类型的溶液的太赫兹光谱数据；根据所述光谱数据库对待检测溶液进行对比，确定对...

【专利技术属性】
技术研发人员：李茜，
申请(专利权)人：江门市华讯方舟科技有限公司，
类型：发明
国别省市：