用于太赫兹光谱测量的载样组件及太赫兹光谱测试方法与流程

本发明涉及太赫兹检测技术领域，特别是涉及用于太赫兹光谱测量的载样组件及太赫兹光谱测试方法。

背景技术：

太赫兹波是指频率在0.1-10thz范围内的电磁波，介于微波和红外之间，由于太赫兹波对有机分子的振动和转动模式敏感，物质的太赫兹光谱具有指纹性，而且太赫兹时域光谱技术可以同时获得幅值和相位信息，信息量丰富，且物质的太赫兹光谱是物质的指纹光谱，具有高透性、低能性、瞬时性、敏锐性、高信噪比等特点，这些特点使得太赫兹无损检测技术在生物医学、生物化学、化工等很多方法有很重要的应用。

目前，太赫兹技术制备样本的方法主要是粉末压片法，该方法虽然操作简单，但粉碎过筛步骤所耗时间较长，并且压片所需样本量较大，至少需要10mg样本与聚乙烯混匀压片(直径为13mm圆型薄片)，对于微量样本压片法不太适合。

用于液体样品的太赫兹技术检测方法主要是液体池法。2013年10月2日公开的，公开号为103335976a的“利用太赫兹时域光谱检测硫酸盐、硝酸盐溶液浓度的方法”专利，使用的是聚乙烯液体池，检测样品浓度为4％-18％；2014年1月1日公开的，公开号为103487399a的“一种定量检测盐酸四环素溶液的太赫兹时域光谱方法”专利，使用的是聚偏二氟乙烯薄膜，样品检测方法为聚偏二氟乙烯薄膜浸入到溶液样品中，检测样品浓度为0.01％-2％。综上可知，目前常用的太赫兹检测中制样方法局限，所需样品较多，样品耗用量大，不适用于样品较少时的检测。

技术实现要素：

基于此，有必要针对目前常用的太赫兹检测中制样方法局限，所需样品较多，样品耗用量大的问题，提供一种用于太赫兹光谱测量的载样组件及太赫兹光谱测试方法。

一种用于太赫兹光谱测量的载样组件，包括：支撑层、第一吸附层及第二吸附层；

所述支撑层夹设于所述第一吸附层与所述第二吸附层之间，使得所述第一吸附层与所述第二吸附层形成0.2mm～0.5mm的间隙；

所述第一吸附层及所述第二吸附层均为硝酸纤维素膜。

在其中一个实施方式中，所述支撑层上开设有样品孔使得所述第一吸附层与所述第二吸附层间隔设置。

在其中一个实施方式中，还包括第一固定层及第二固定层，所述第一固定层层叠于所述第一吸附层远离所述支撑层的表面，所述第二固定层层叠于所述第二吸附层远离所述支撑层的表面；

所述第一固定层上开设有第一测试窗口，所述第二固定层上开设有第二测试窗口，所述第一测试窗口与所述第二测试窗口均与所述样品孔相通。

在其中一个实施方式中，所述第一固定层及所述第二固定层的厚度分别为0.2mm～0.5mm。

在其中一个实施方式中，所述硝酸纤维素膜的孔径为0.1μm～0.65μm。

在其中一个实施方式中，所述支撑层为铜片、铁片、银片或金片。

一种太赫兹光谱测试方法，包括以下步骤：

称取样品加入到水中配制得到样品溶液；

将上述的载样组件放置于太赫兹光谱仪中，并在保护性气体的吹扫下，进行空载测试得到参考信号；

将所述样品溶液滴加到所述载样组件上；

在保护性气体的吹扫下，采用太赫兹光谱仪对滴加有样品溶液的所述载样组件进行测试得到样品信号；

通过所述参考信号及所述样品信号得到所述样品的太赫兹吸收谱。

在其中一个实施方式中，所述太赫兹光谱仪为teraview公司的型号为tps-4000的太赫兹光谱仪；太赫兹谱宽为0.06thz～4.0thz；在信号的扫描过程中，扫描范围为0～1200ps，采集速率为30scans/s，太赫兹光谱的分辨率为1.2cm^-1。

在其中一个实施方式中，所述通过所述参考信号及所述样品信号得到所述样品的太赫兹吸收谱的步骤包括：

将所述参考信号及所述样品信号的时域谱进行快速傅里叶变换得到所述参考信号及所述样品信号的频域谱，进行所述快速傅里叶变换的公式为：

er(ω)＝ar(ω)exp[-iφr(ω)]＝∫er(t)exp(-iωt)dt；

es(ω)＝as(ω)exp[-iφs(ω)]＝∫es(t)exp(-iωt)dt；

其中，ω为电磁波频率，t为时间，i为虚数单位；er(t)为参考信号的时域信号，es(t)为样品信号的时域信号；er(ω)为参考信号的频域信号，es(ω)为样品信号的频域信号；ar(ω)为参考信号电场的振幅，as(ω)为样品信号电场的振幅；φr(ω)为参考信号电场的相位，φs(ω)为样品信号电场的相位；

再采用基于菲涅尔公式的数据处理模型提取样品的折射率n(ω)和吸收系数α(ω)，所述基于菲涅尔公式的数据处理模型的公式为：

其中，ρ(ω)为样品信号和参考信号的振幅的比值，φ(ω)为样品信号和参考信号的相位差，d为样品的厚度，c为电磁波在真空中的传播速度。

在其中一个实施方式中，所述样品溶液的浓度为0.1g/ml～2g/ml。

上述用于太赫兹光谱测量的载样组件及太赫兹光谱测试方法采用两层相互间隔设置的硝酸纤维素膜用于吸附测试样品，由于硝酸纤维素膜的吸收系数与聚乙烯材料的吸收系数相近，完全可以适用于太赫兹光谱测量，且采用两层间距为0.2mm～0.5mm的硝酸纤维素膜组合形成吸附层只需在吸附层上滴加少量样品溶液，样品溶液即可层析到硝酸纤维素膜的孔隙之间或两层硝酸纤维素膜的间隙之间，即可进行测试，即使样品溶液的浓度或样品量较少，也能准确进行测试，并避免了使用聚乙烯粉末压片法或者聚偏二氟乙烯薄膜浸渍样品溶液的制样方法，所需样品量少，样品耗用小，可以适用于较少样品时的检测。

附图说明

图1为一实施方式的用于太赫兹光谱测量的载样组件的剖视图；

图2为图1所示的用于太赫兹光谱测量的载样组件的分解示意图；

图3为一实施方式的太赫兹光谱测试方法的流程图；

图4为样品组件a、样品组件b、样品组件c及样品组件d的太赫兹吸收谱；

图5为样品组件e、样品组件f、样品组件g、样品组件h及样品组件i的太赫兹吸收谱；

图6为样品组件j、样品组件k、样品组件l、样品组件m及样品组件n的太赫兹吸收谱。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式及附图对用于太赫兹光谱测量的载样组件及太赫兹光谱测试方法做进一步的详细说明。

请参阅图1及图2，一实施方式的用于太赫兹光谱测量的载样组件100包括第一吸附层110、第二吸附层120、支撑层130、第一固定层140及第二固定层150。

在图示的实施方式中，第一吸附层110与第二吸附层120分别为片状结构。第一吸附层110及第二吸附层120均为硝酸纤维素膜(nitrocellulosefiltermembrane，简称nc膜)。

硝酸纤维素膜是人们最早开始研究的一种微滤膜。nc膜具有一定亲水性但却不溶于水，可溶于一些比较常见的有机溶剂(丙酮等)，并微溶于醇类。成膜后其具有良好的性能，nc膜具有快速层析的特性。

在其中一个实施方式中，硝酸纤维素膜选自ge医疗生命科学的whatman品牌的无菌型硝酸纤维素膜或非无菌型硝酸纤维素膜。

在其中一个实施方式中，第一吸附层110的厚度为100μm～110μm，优选的，第一吸附层110的厚度为100μm。第一吸附层110的孔径为0.1μm～0.65μm。优选的，第一吸附层110的孔径为0.1μm、0.2μm、0.45μm或0.65μm。更优选的，第一吸附层110的孔径为0.2μm或0.45μm。

在其中一个实施方式中，第二吸附层120的厚度为100μm～110μm，优选的，第二吸附层120的厚度为100μm。第二吸附层120的孔径为0.1μm～0.65μm。优选的，第二吸附层120的孔径为0.1μm、0.2μm、0.45μm或0.65μm。更优选的，第二吸附层120的孔径为0.2μm或0.45μm。

在图示的实施方式中，第一吸附层110与第二吸附层120之间夹设有支撑层130，从而使得第一吸附层110与第二吸附层120正对且间隔设置。

进一步的，在图示的实施方式中，支撑层130也为片状结构，在支撑层130上设有样品孔131，样品孔131贯穿支撑层130使得第一吸附层110与第二吸附层120正对且间隔设置。第一吸附层110、第二吸附层120及样品孔131的孔壁组成一个测试位。

在图示的实施方式中，支撑层130上开设有3个间隔设置的样品孔，对应的第一吸附层110和第二吸附层120的数量也分别为3个，从而组成3个测试位，使得上述用于太赫兹光谱测量的载样组件一次可以进行3个样品的检测。当然，在其他实施方式中，样品孔131、第一吸附层110及第二吸附层120的数量也可以是其他不少于1的任意数量。

在其中一个实施方式中，支撑层130为高导热材料，具体的，支撑层130选自铜片、铁片、银片或金片。从测试成本考虑，优选的，支撑层130为铜片或铁片。

在其中一个实施方式中，支撑层130的厚度为0.2mm～0.5mm。

进一步的，使得第一吸附层110与第二吸附层120的间距为0.2mm～0.5mm。

在其中一个实施方式中，支撑层130上的样品孔131为圆孔，样品孔131的直径为5mm～12mm。可以理解的是，在其他实施方式中，样品孔131也可以为方孔，或者其他任意不规则形状。

在图示的实施方式中，第一固定层140层叠于第一吸附层110远离支撑层130的表面。

在其中一个实施方式中，第一固定层140为片状。第一固定层140选自铜片、铁片、银片或金片。优选的，第一固定层140为铜片或铁片。

在其中一个实施方式中，第一固定层140的厚度为0.2mm～0.5mm。

在其中一个实施方式中，第一固定层140上开设有第一测试窗口141。第一测试窗口141贯穿第一固定层140。在图示的实施方式中，第一测试窗口141为圆孔，第一测试窗口141的直径为5mm～12mm。可以理解的是，在其他实施方式中，第一测试窗口141也可以为方孔，或者其他任意不规则形状。

在其中一个实施方式中，第二固定层150层叠于第二吸附层120远离支撑层130的表面。

在其中一个实施方式中，第二固定层150为片状。第二固定层150选自铜片、铁片、银片或金片。优选的，第二固定层150为铜片或铁片。

在其中一个实施方式中，第二固定层150的厚度为0.2mm～0.5mm。

在其中一个实施方式中，第二固定层150上开设有第二测试窗口151。第二测试窗口151贯穿第二固定层150。在图示的实施方式中，第二测试窗口151为圆孔，第二测试窗口151的直径为5mm～12mm。可以理解的是，在其他实施方式中，第二测试窗口151也可以为方孔，或者其他任意不规则形状。

在图示的实施方式中，第一测试窗口141、第二测试窗口151均与样品孔131正对设置。优选的，第一测试窗口口141、第二测试窗口151及样品孔131在第一吸附层110上的正投影能够完全重合。

需要说明的是，在图示的实施方式中，第一测试窗口141和第二测试窗口151的数量也分别为3个，且三个样品孔131、第一测试窗口141及第二测试窗口151分别对应形成三个测试位。可以理解的是，第一测试窗口141和第二测试窗口151的数量可以是不少于一个的任意数量。

上述用于太赫兹光谱测量的载样组件及太赫兹光谱测试方法采用两层相互间隔设置的硝酸纤维素膜用于吸附测试样品，由于硝酸纤维素膜的吸收系数与聚乙烯材料的吸收系数相近，完全可以适用于太赫兹光谱测量，且采用两层间距为0.2mm～0.5mm的硝酸纤维素膜组合形成吸附层只需在吸附层上滴加少量样品溶液，溶液即可层析到硝酸纤维素膜的空隙之间或两层硝酸纤维素膜的间隙之间，即可进行测试，即使样品溶液的浓度或样品量较少，均能准确进行测试，并避免了使用聚乙烯粉末压片法或者聚偏二氟乙烯薄膜浸渍样品溶液的制样方法，所需样品量少，样品耗用小，可以适用于较少样品时的检测。

需要说明的是，在其他实施方式中，第一固定层140及第二固定层150均可以省略。

请进一步参阅图3，一实施方式的太赫兹光谱测试方法包括以下步骤：

s110、称取样品加入到水中配制得到样品溶液。

在其中一个实施方式中，样品可以为水溶性好的糖类及其他水溶性物质。

在其中一个实施方式中，将样品加入到水中后采用涡旋搅拌的方式搅拌至样品完全溶解在水中。涡旋搅拌时的转速为2000rpm～2500rpm，涡旋的时间为2min～3min。

在其中一个实施方式中，制备的样品溶液的浓度为0.1g/ml～2g/ml。

s120、将载样组件放置于太赫兹光谱仪中，并在保护性气体的吹扫下，进行空载测试得到参考信号。

在其中一个实施方式中，太赫兹光谱仪为teraview公司的型号为tps-4000的太赫兹光谱仪；太赫兹谱宽为0.06thz～4.0thz；在信号的扫描过程中，扫描范围为0～1200ps，采集速率为30scans/s，太赫兹光谱的分辨率为1.2cm^-1。

在其中一个实施方式中，保护性气体选自氮气、氩气和氦气中的至少一种。

s130、将样品溶液滴加到载样组件上。

在其中一个实施方式中，滴加到载样组件上的样品溶液的用量为15μl～30μl。优选的，采用微量移液器吸取样品溶液滴加到载样组件上。

在其中一个实施方式中，样品溶液滴加到载样组件后在15℃～30℃下放置5min～15min，使得样品完全层析到硝酸纤维素膜的空隙中。

s140、在保护性气体的吹扫下，采用太赫兹光谱仪对滴加有样品溶液的载样组件进行测试得到样品信号。

在其中一个实施方式中，太赫兹光谱仪为teraview公司的型号为tps-4000的太赫兹光谱仪；太赫兹谱宽为0.06thz～4.0thz；在信号的扫描过程中，扫描范围为0～1200ps，采集速率为30scans/s，太赫兹光谱的分辨率为1.2cm^-1。

在其中一个实施方式中，保护性气体选自氮气、氩气和氦气中的至少一种。

s150、通过参考信号及样品信号得到样品的太赫兹吸收谱。

在其中一个实施方式中，通过参考信号及样品信号得到样品的太赫兹吸收谱的具体步骤包括：

s151、将参考信号及样品信号的时域谱进行快速傅里叶变换得到参考信号及样品信号的频域谱。

在其中一个实施方式中，进行快速傅里叶变换的公式为：

er(ω)＝ar(ω)exp[-iφr(ω)]＝∫er(t)exp(-iωt)dt；

es(ω)＝as(ω)exp[-iφs(ω)]＝∫es(t)exp(-iωt)dt；

其中，ω为电磁波频率，t为时间，i为虚数单位；er(t)为参考信号的时域信号，es(t)为样品信号的时域信号；er(ω)为参考信号的频域信号，es(ω)为样品信号的频域信号；ar(ω)为参考信号电场的振幅，as(ω)为样品信号电场的振幅；φr(ω)为参考信号电场的相位，φs(ω)为样品信号电场的相位。

s152、再采用基于菲涅尔公式的数据处理模型提取样品的折射率n(ω)和吸收系数α(ω)。

在其中一个实施方式中，基于菲涅尔公式的数据处理模型的公式为：

其中，ρ(ω)为样品信号和参考信号的振幅的比值，φ(ω)为样品信号和参考信号的相位差，d为样品的厚度，c为电磁波在真空中的传播速度。

上述太赫兹光谱测试方法，采用两层相互间隔设置的硝酸纤维素膜用于吸附测试样品，能够适用于较少样品时的检测，测试准确度高，检出限低。

下面将结合具体实施例对用于太赫兹光谱测量的载样组件及太赫兹光谱测试方法进行说明。

实施例1

(1)制备用于太赫兹光谱测试的样品组件a，包括：第一吸附层、第二吸附层、夹设于第一吸附层与第二吸附层之间的支撑层，第一吸附层远离支撑层的表面层叠第一固定层，第二吸附层远离支撑层的表面层叠第二固定层；支撑层上开设样品孔，第一固定层上开设第一测试窗口，第二固定层上开设第二测试窗口。

其中，支撑层、第一固定层及第二固定层均为厚度为0.32mm的铜片，第一吸附层及第二吸附层均为厚度为100μm，孔径为0.1μm的硝酸纤维素膜，样品孔、第一测试窗口及第二测试窗口均为直径为8mm的圆孔，且样品孔、第一测试窗口及第二测试窗口正对设置。

(2)制备用于太赫兹光谱测试的样品组件b，包括：第一吸附层、第二吸附层、夹设于第一吸附层与第二吸附层之间的支撑层，第一吸附层远离支撑层的表面层叠第一固定层，第二吸附层远离支撑层的表面层叠第二固定层；支撑层上开设样品孔，第一固定层上开设第一测试窗口，第二固定层上开设第二测试窗口。

其中，支撑层、第一固定层及第二固定层均为厚度为0.32mm的铜片，第一吸附层及第二吸附层均为厚度为100μm，孔径为0.2μm的硝酸纤维素膜，样品孔、第一测试窗口及第二测试窗口均为直径为8mm的圆孔，且样品孔、第一测试窗口及第二测试窗口正对设置。

(3)制备用于太赫兹光谱测试的样品组件c，包括：第一吸附层、第二吸附层、夹设于第一吸附层与第二吸附层之间的支撑层，第一吸附层远离支撑层的表面层叠第一固定层，第二吸附层远离支撑层的表面层叠第二固定层；支撑层上开设样品孔，第一固定层上开设第一测试窗口，第二固定层上开设第二测试窗口。

其中，支撑层、第一固定层及第二固定层均为厚度为0.32mm的铜片，第一吸附层及第二吸附层均为厚度为100μm，孔径为0.45μm的硝酸纤维素膜，样品孔、第一测试窗口及第二测试窗口均为直径为8mm的圆孔，且样品孔、第一测试窗口及第二测试窗口正对设置。

(4)制备用于太赫兹光谱测试的样品组件d，准确称取22mg的聚乙烯通过压片形成直径为13mm，厚度为0.2mm的圆片。

(5)将样品组件a、样品组件b、样品组件c及样品组件d放入太赫兹光谱仪中进行测试得到太赫兹吸收谱，如图4所示。

从图4可以看出，硝酸纤维素膜与聚乙烯的吸收系数接近，适用于作为样品测试的固定介质。

实施例2

(1)获取四个载样组件，包括：第一吸附层、第二吸附层、夹设于第一吸附层与第二吸附层之间的支撑层，第一吸附层远离支撑层的表面层叠第一固定层，第二吸附层远离支撑层的表面层叠第二固定层；支撑层上开设样品孔，第一固定层上开设第一测试窗口，第二固定层上开设第二测试窗口。

其中，支撑层、第一固定层及第二固定层均为厚度为0.5mm的铜片，第一吸附层及第二吸附层均为厚度为100μm，孔径为0.2μm的硝酸纤维素膜，样品孔、第一测试窗口及第二测试窗口均为直径为12mm的圆孔，且样品孔、第一测试窗口及第二测试窗口正对设置。

(2)精确称取2mg的一水葡萄糖，向其中加入20μl的去离子水混匀并涡旋30s制备得到浓度为0.1g/ml的样品溶液，用微量移液器吸取20μl的样品溶液滴加到一个载样组件上得到样品组件e。

(3)精确称取4mg的一水葡萄糖，向其中加入20μl的去离子水混匀并涡旋30s制备得到浓度为0.2g/ml的样品溶液，用微量移液器吸取20μl的样品溶液滴加到一个载样组件上得到样品组件f。

(4)精确称取6mg的一水葡萄糖，向其中加入20μl的去离子水混匀并涡旋30s制备得到浓度为0.3g/ml的样品溶液，用微量移液器吸取20μl的样品溶液滴加到一个载样组件上得到样品组件g。

(5)精确称取8mg的一水葡萄糖，向其中加入20μl的去离子水混匀并涡旋30s制备得到浓度为0.4g/ml的样品溶液，用微量移液器吸取20μl的样品溶液滴加到一个载样组件上得到样品组件h。

(6)精确称取25mg的一水葡萄糖并加入175mg的聚乙烯混合均匀后通过压片形成直径为13mm，厚度为1.5mm的圆片，得到样品组件i。

(7)将样品组件e、样品组件f、样品组件g、样品组件h及样品组件i放入太赫兹光谱仪中进行测试得到太赫兹吸收谱，如图5所示。

从图5可以看出nc膜测试结果与压片结果一致，一水葡萄糖特征吸收峰均为1.80t(59cm^-1)、1.98t(65cm^-1)、2.36t(78cm^-1)、2.42t(81cm^-1)，样品吸收强度随着质量的增加逐渐提高。

实施例3

(1)获取四个载样组件，包括：第一吸附层、第二吸附层、夹设于第一吸附层与第二吸附层之间的支撑层，第一吸附层远离支撑层的表面层叠第一固定层，第二吸附层远离支撑层的表面层叠第二固定层；支撑层上开设样品孔，第一固定层上开设第一测试窗口，第二固定层上开设第二测试窗口。

其中，支撑层、第一固定层及第二固定层均为厚度为0.2mm的铜片，第一吸附层及第二吸附层均为厚度为100μm，孔径为0.0.45μm的硝酸纤维素膜，样品孔、第一测试窗口及第二测试窗口均为直径为10mm的圆孔，且样品孔、第一测试窗口及第二测试窗口正对设置。

(2)精确称取2mg的果糖，向其中加入20μl的去离子水混匀并涡旋30s制备得到浓度为0.1g/ml的样品溶液，用微量移液器吸取20μl的样品溶液滴加到一个载样组件上得到样品组件j。

(3)精确称取4mg的果糖，向其中加入20μl的去离子水混匀并涡旋30s制备得到浓度为0.2g/ml的样品溶液，用微量移液器吸取20μl的样品溶液滴加到一个载样组件上得到样品组件k。

(4)精确称取6mg的果糖，向其中加入20μl的去离子水混匀并涡旋30s制备得到浓度为0.3g/ml的样品溶液，用微量移液器吸取20μl的样品溶液滴加到一个载样组件上得到样品组件l。

(5)精确称取8mg的果糖，向其中加入20μl的去离子水混匀并涡旋30s制备得到浓度为0.4g/ml的样品溶液，用微量移液器吸取20μl的样品溶液滴加到一个载样组件上得到样品组件m。

(6)精确称取50mg的果糖并加入150mg的聚乙烯混合均匀后通过压片形成直径为13mm，厚度为1.5mm的圆片，得到样品组件n。

(7)将样品组件j、样品组件k、样品组件l、样品组件m及样品组件n放入太赫兹光谱仪中进行测试得到太赫兹吸收谱，如图6所示。

从图6可以看出nc膜测试结果与也与压片结果一致，果糖特征吸收峰均为1.68t(56cm^-1)、2.12t(71cm^-1)，样品吸收强度随着质量的增加逐渐提高。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。