技术领域本发明涉及一种实时监测生物分子成分和含量的太赫兹装置及其测量方法，适用于食品安全检测、生物样品检测等领域，能够批量、准确、快速、非接触式、非破坏性地实时监测生物样品的成分和含量等信息。
背景技术：
太赫兹波是一种介于微波和红外之间的辐射频率范围为0.1-10THz、波长为3mm-30um的电磁波。在电子学领域里，这种波段的电磁波被称为毫米波及亚毫米波，而在光学领域里，它则被称为远红外射线。透过物质发出的太赫兹波谱包含着非常丰富的物理和化学信息，研究物质在该波段的波谱对于物质结构的探索具有重要的意义。与传统光源相比，太赫兹波谱具有很多独特的性质，例如瞬态性、低能性、宽带性、相干性等，以及对很多极性物质的穿透力强和对极性分子有强烈的吸收性等，因此它在基础研究领域、医学领域、工业领域、军事领域及生物领域中具有非常重要的应用前景。太赫兹波谱技术是一种新兴的、高效的相干探测技术，由于许多极性大分子在振动能级间的跃迁和转动能级间的跃迁正好处于太赫兹波谱范围，甚至在太赫兹频段存在大量的DNA分子主链间的受激本征共振，因此生物分子的太赫兹波谱可以反映由分子内或分子间集体振动和晶格振动引起的低频振动模的本征特性。此外，在吸收波谱中观察的集体振动模式由整个分子的构形和构象决定，反映出分子与环境之间的相互作用，因此太赫兹波谱还可以为分子的构形和构象提供了直接的特征谱。总之，太赫兹相干辐射具有较低的光子能量，在进行样品探测时不会产生有害的光致电离，是一种行之有效的无损探测方法，可应用于生物分子构象研究、基因结构鉴定及同质异构体鉴别等方面。
技术实现要素：
针对上述现有技术，本发明提供了一种实时监测生物分子成分和含量的太赫兹装置及其测量方法，利用了生物分子的振动频率和转动频率均处在太赫兹波谱范围且与太赫兹波相互作用可产生共振反应，从而快速灵敏地监测出生物分子的成分和含量。为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种实时监测生物分子成分和含量的太赫兹装置，包括激光器、分束镜、太赫兹波谱产生装置、探测光传输装置、太赫兹波谱探测光混合装置、分光分析装置、对比光束传输装置和锁相放大器，所述激光器产生的激光通过分束镜分束，所述太赫兹波谱产生装置和探测光传输装置均与分束镜相邻，所述太赫兹波谱探测光混合装置位于太赫兹波谱产生装置和探测管传输装置之间，所述分光分析装置位于太赫兹波谱探测光混合装置之后，所述对比光束传输装置位于分光分析装置和锁相放大器之间。所述太赫兹波谱产生装置包括并列设置的斩波器、滤光镜一、汇聚透镜一和太赫兹产生晶体，所述的斩波器与分束镜相邻，所述太赫兹产生晶体的上方设有抛物面镜一和抛物面镜二，所述的抛物面镜一和抛物面镜二之间为待测生物样品。所述的探测光传输装置包括并列设置的延时器和汇聚透镜二，所述的延时器与分束镜相邻，所述的汇聚透镜二与太赫兹波谱探测光混合装置相邻。所述的太赫兹波谱探测光混合装置包括抛物面镜三，所述的抛物面镜三位于抛物面镜二的下方，且抛物面镜二和抛物面镜三之间设有滤波器。所述的分光分析装置包括并列设置的太赫兹感应晶体、1/4波片、汇聚透镜三和分光镜，所述的太赫兹感应晶体与抛物面镜三相邻。所述的对比光束传输装置包括并列设置的滤光镜二和滤光镜三，所述滤光镜二和滤光镜三均位于分光镜的一侧，所述滤光镜二的一侧设有光电探头一，所述光电探头一通过光电探头数据线一与锁相放大器连接，所述滤光镜三的一侧设有光电探头二，所述光电探头二通过光电探头数据线二与锁相放大器连接。所述的锁相放大器通过斩波器控制线与斩波器连接。所述的延时器两个角度互为直角的全反镜组成。一种实时监测生物分子成分和含量的太赫兹装置的测量方法，包括以下步骤：（1）激光器输出的激光经分束镜分成泵浦光和探测光；（2）泵浦光经斩波器和滤光镜一后，再由汇聚透镜一汇聚到太赫兹产生晶体上，产生的太赫兹波谱经由抛物面镜一收集，然后与待测生物样品相互作用并透射，再经由抛物面镜二汇聚穿过滤波器，并由抛物面镜三收集信号，并反射汇聚到太赫兹感应晶体上；（3）探测光经过延时器和汇聚透镜二后，穿过抛物面镜三，实现与太赫兹波谱同步并共同汇聚到太赫兹感应晶体上；（4）载有生物样品信息的光信号经过太赫兹感应晶体和1/4波片的调制后，被分光镜分光并进行对比分析；（5）从分光镜输出的两路对比光束分别经由滤光镜二和滤光镜三后，被光电探头一和光电探头二分别接受，并通过光电探头数据线一和光电探头数据线二传送到锁相放大器上；（6）锁相放大器对载有生物样品信息的载波信号进行分析对比，通过提取光谱信息中的时间延迟、折射率、吸收系数和吸收峰等信息，利用这些参数信息解析出生物样品的成分和含量。本发明利用了生物分子的振动频率和转动频率均处在太赫兹波谱范围，且与太赫兹波相互作用可产生共振反应，从而快速灵敏地监测出生物分子的成分和含量。其中激光器发出的激光通过分束镜分成泵浦和探测两束激光，泵浦光通过太赫兹产生晶体产生太赫兹波谱，并与待测的生物分子样品相互作用，探测光通过延时器延时后与太赫兹波同步，并共同汇聚到太赫兹感应晶体，而光电探头可对来自太赫兹感应晶体的载波信号进行分析，并解析出其中的生物样品信息。本发明选择了高精度、大孔径和低频信号采集能力强的抛物面镜，这是因为太赫兹波谱是类似高斯光束，是一种发散的波谱，只有使用高精度、大孔径和低频信号采集能力强的抛物面反射镜才能有效收集光谱；利用斩波器和锁相放大器对信号噪声进行控制，大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比，提高了检测灵敏度，实现了弱信号的有效探测；利用滤波器对不同频域的信号进行选择性透过，祛除了繁琐庞杂的无效信号，实现了信号提取的针对性；利用滤光器对光信号强度进行选择性调制，提高了信号的对比度，实现了信号对比的有效分析。本发明可应用于食品安全检测、生物样品检测等领域，具有安全、快速、无损等特点。附图说明图1为本发明的结构示意图；图2为实施例1的结构示意图；图3为实施例1的时域波谱图；图4为实施例1分析得到的频域波谱图；其中，1为激光器、2为分束镜、3为延时器、4为汇聚透镜二、5为斩波器、6为滤光镜一、7为汇聚透镜一、8为太赫兹产生晶体、9为抛物面镜一、10为抛物面镜二、11为滤波器、12为抛物面镜三、13为太赫兹感应晶体、14为1/4波片、15为汇聚透镜三、16为分光镜、17为滤光镜二、18为滤光镜三、19为光电探头一、20为光电探头二、21为锁相放大器、22为斩波器控制线、23为光电探头数据线一、24为光电探头数据线二、25为待测生物样品、26为激光、27是泵浦光、28为探测光、29为太赫兹波谱、30为电脑、31为延时器控制线。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。如图1所示，本发明实时监测生物分子成分和含量的太赫兹装置，包括激光器1、分束镜2、太赫兹波谱产生装置、探测光传输装置、太赫兹波谱探测光混合装置、分光分析装置、对比光束传输装置和锁相放大器21，激光器1产生的激光通过分束镜2分束，太赫兹波谱产生装置和探测光传输装置均与分束镜2相邻，太赫兹波谱探测光混合装置位于太赫兹波谱产生装置和探测管传输装置之间，分光分析装置位于太赫兹波谱探测光混合装置之后，对比光束传输装置位于分光分析装置和锁相放大器21之间。本发明中的太赫兹波谱产生装置包括并列设置的斩波器5、滤光镜一6、汇聚透镜一7和太赫兹产生晶体8，斩波器5与分束镜2相邻，锁相放大器21通过斩波器控制线22与斩波器5连接，太赫兹产生晶体8的上方设有抛物面镜一9和抛物面镜二10，抛物面镜一9和抛物面镜二10之间为待测生物样品25。本发明中的探测光传输装置包括并列设置的延时器3和汇聚透镜二4，延时器3与分束镜2相邻，汇聚透镜二4与抛物面镜三12相邻，延时器3两个角度互为直角的全反镜组成，固定于直线平移台上，通过平移全反镜组沿激光传输方向的位置即可实现探测光的时间延时控制。本发明中的太赫兹波谱探测光混合装置包括抛物面镜三12，抛物面镜三12位于抛物面镜二10的下方，且抛物面镜二10和抛物面镜三12之间设有滤波器11。抛物面镜三12除了汇聚太赫兹波谱29的作用外，还有合束的作用，其正中间预留一个圆形的小通孔，以便于探测光28穿过抛物面镜三12与太赫兹波谱29合束并汇聚于太赫兹感应晶体13上。本发明中的分光分析装置包括并列设置的太赫兹感应晶体13、1/4波片14、汇聚透镜三15和分光镜16，太赫兹感应晶体13与抛物面镜三12相邻。本发明中的对比光束传输装置包括并列设置的滤光镜二17和滤光镜三18，滤光镜二17和滤光镜三18均位于分光镜16的一侧，滤光镜二17的一侧设有光电探头一19，光电探头一19通过光电探头数据线一24与锁相放大器21连接，滤光镜三18的一侧设有光电探头二20，光电探头二20通过光电探头数据线二23与锁相放大器21连接。本发明实时监测生物分子成分和含量的太赫兹装置的测量方法，包括以下步骤：（1）激光器1输出的激光26经分束镜2分成泵浦光27和探测光28；（2）泵浦光27经斩波器5和滤光镜一6后，再由汇聚透镜一7汇聚到太赫兹产生晶体8上，产生的太赫兹波谱29经由抛物面镜一9收集，然后与待测生物样品25相互作用并透射，再经由抛物面镜二10汇聚穿过滤波器11，并由抛物面镜三12收集信号，并反射汇聚到太赫兹感应晶体13上；（3）探测光28经过延时器3和汇聚透镜二4后，穿过抛物面镜三12，实现与太赫兹波谱29同步并共同汇聚到太赫兹感应晶体13上；（4）载有生物样品信息的光信号经过太赫兹感应晶体13和1/4波片14的调制后，被分光镜16分光并进行对比分析；（5）从分光镜16输出的两路对比光束分别经由滤光镜二17和滤光镜三18后，被光电探头一19和光电探头二20分别接受，并通过光电探头数据线一24和光电探头数据线二23传送到锁相放大器21上；（6）锁相放大器21对载有生物样品信息的载波信号进行分析对比，通过提取光谱信息中的时间延迟、折射率、吸收系数和吸收峰等信息，利用这些参数信息解析出生物样品的成分和含量。实施例1如图2所示，本实施例1应用于食用油中油脂成分和含量的监测与对比：激光器1为蓝宝石飞秒激光器，输出激光波长为780nm、重复频率为50MHz、脉宽为100fs、功率为500mW；分束镜2的能量分束比为2：1；延时器3由两个互为直角的780nm全反镜组成，固定于电动平移台上；汇聚透镜二4的焦距为800mm；斩波器5的斩波频率为3kHz；滤光镜一6、滤光镜二17和滤光镜三18均为圆盘旋转式滤光镜，可调节激光能量；汇聚透镜一7的焦距为500mm；太赫兹产生晶体8为砷化镓晶体，两端需加电压，以提高太赫兹转化效率；抛物面镜一9和抛物面镜二10的焦距均为150mm；滤波器11为中间挖孔的光屏挡板，位置可移；抛物面镜三12中间挖孔，焦距200mm；太赫兹感应晶体13采用碲化锌晶体；汇聚透镜三15的焦距为300mm；分光镜16采用沃斯棱镜；光电探头一19和光电探头二20均为高速光电探头，能将光信号转换为电信号；锁相放大器21可控制斩波器5，并接受来自光电探头一19和光电探头二20的信号；待测生物样品25为待测食用油；激光26为激光器1输出的780nm激光；电脑30分别用于控制延时器3的扫描速度和接受来自锁相放大器21的采集数据；本实施例1中，780nm飞秒激光26经过分束镜2分为泵浦光27和探测光28，泵浦光27经过透镜聚焦于砷化镓晶体并产生太赫兹脉冲；太赫兹波经过抛物面镜收集并辐照于食用油样品上，然后载有样品信息的太赫兹波与探测光28共聚于碲化锌晶体上进行相互作用并被光电探头探测感知；电脑30控制延时器调节泵浦光27与探测光28之间的时间延迟，可扫描出太赫兹脉冲的时域波形，然后信号经过锁相放大器提取并传送给电脑。扫描得到的空样品槽、豆油、菜籽油、玉米油、调和油、芝麻油和地沟油的时域波谱图如图3所示，将时域信号经过傅里叶变换，得到的频域波谱图如图4所示。从时域图和频域图可看出，不同油样品的振幅强度与吸收峰位置等存在差异，不同吸收峰位置代表不同的生物成分，而不同的振幅强度代表不同的含量，从而有效监测和鉴别出不同食用油的成分和含量等信息。本发明利用了生物分子的振动频率和转动频率均处在太赫兹波谱范围且与太赫兹波相互作用可产生共振反应，从而快速灵敏地监测出生物分子的成分和含量。上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。