一种基于圆盘周期结构的太赫兹波有机物检测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太赫兹波检测领域，具体涉及一种基于圆盘周期结构的太赫兹波有机物检测装置。
【背景技术】
[0002]太赫兹(THz)波是位于微波和远红外线之间的电磁波，在生物医学、安全监测、无损伤探测、天文学、光谱与成像技术以及信息科学等领域有着广泛的应用。在可见光波段，基于表面等离子体激元传感器已经在生物和医学研究中广泛使用。
[0003]表面等离子体激元共振，是存在于金属和电介质界面的一种电荷密度振荡本征模式。它可以通过入射光经棱镜耦合、光栅耦合或波导耦合来激发产生。其原理是:入射光激发金属薄膜和电介质界面产生表面等离子体激元。
[0004]虽然波导耦合的表面等离子体激元共振传感器和高保线结构在可见光波段已是一项很成熟的技术，但工作在太赫兹波段的相应器件还很少报道，尤其是高保线和谐振环构成的高灵敏度太赫兹有机物检测的传感器装置还未曾涉及。
【发明内容】
[0005]本发明是为解决上述问题而进行的，通过提供一种基于圆盘周期结构的太赫兹波有机物检测装置，进一步提高谐振环传感器在生物医学检测领域的灵敏度。
[0006]本发明采用了如下技术方案:
[0007]本发明提供的基于圆盘周期结构的太赫兹波有机物检测装置具有这样的技术特征，具有:衬底；以及，设置于衬底的上表面上的金属层，用于获取太赫兹波并对有机物进行检测。
[0008]其中，金属层包括:信号获取部，为共面波导，用于从上位装置获取太赫兹波，并将其转化为准准TEM波模式；第一模式转换部，与信号获取部连接，包括Vivaldi天线以及第一金属波导，Vivaldi天线用于和信号获取部的阻抗相匹配，第一金属波导上设置有复数个槽深逐渐增大的凹槽，用于激发表面等离子激元，将太赫兹波由准准TEM波模式转化为表面波模式；传导检测部，与第一模式转换部连接，用于让表面波传导并穿过待检样品从而对有机物进行检测，包括与第一金属波导连接第二金属波导，以及与第二金属波导间隔一定间距的谐振环，待检样品被放置于所述谐振环上，第二金属波导上设置有复数个固定槽深的凹槽，固定槽深与第一金属波导中最大的槽深相同，谐振环为设置有周期性沟槽结构的圆盘，相邻两个沟槽结构之间为齿，齿与凹槽之间的波导相对；第二模式转换部，与第一模式转换部沿传导检测部的中心线相对称，用于将太赫兹波由表面波模式转换为准准TEM波模式；以及信号输出部，和第二模式转换部连接，用于将太赫兹波传输给下位分析设备。
[0009]本发明提供的基于圆盘周期结构的太赫兹波有机物检测装置，还可以具有这样的特征，还包括:矢量网络分析仪，通过两个探针分别和信号获取部以及信号输出部连接，用于发射和探测太赫兹波信号。
[0010]本发明提供的基于圆盘周期结构的太赫兹波有机物检测装置，还可以具有这样的特征:共面波导包括中心带以及位于中心带两侧且与中心带间隔一定间距的接地带，中心带和接地带之间的两个槽口分别作为信号获取部以及信号接受部的能量传输端口，和矢量网络分析仪的探针连接。
[0011]本发明提供的基于圆盘周期结构的太赫兹波有机物检测装置，还可以具有这样的特征=Vivaldi天线包括开路腔、槽线以及指数线，第一金属波导沿槽线向所述第二金属波导处延伸。
[0012]本发明提供的基于圆盘周期结构的太赫兹波有机物检测装置，还可以具有这样的特征:谐振环和金属波导之间的所述间距为0.5?1.5 μ m。
[0013]本发明提供的基于圆盘周期结构的太赫兹波有机物检测装置，还可以具有这样的特征:谐振环的沟槽结构的周期个数为20?60，待检样品被放置于沟槽中。
[0014]本发明提供的基于圆盘周期结构的太赫兹波有机物检测装置，还可以具有这样的特征:谐振环的内外层半径比为0.2?I。
[0015]本发明提供的基于圆盘周期结构的太赫兹波有机物检测装置，还可以具有这样的特征:衬底由石英、聚苯二甲酸乙二醇酯以及聚酰亚胺中的任意一种材料制成。
[0016]本发明提供的基于圆盘周期结构的太赫兹波有机物检测装置，还可以具有这样的特征:待检样本被制成薄片状，置于对太赫兹波透明的聚苯二甲酸乙二醇酯材料上。
[0017]本发明提供的基于圆盘周期结构的太赫兹波有机物检测装置，还可以具有这样的特征:用于检测的有机物的范围涵盖液体和固体有机物，液体有机物优选细胞液，固体有机物优选癌细胞。
[0018]进一步的，本发明还提供了基于圆盘周期结构的太赫兹有机物检测装置检测有机物的方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0019]步骤一，待检样本被制成薄片状后，放置于谐振环上的凹槽结构中；步骤二，采用共面波导从上位装置获取太赫兹波，将其转化为准准TEM波模式，并将准TEM波传输给第一模式转化部；步骤三，采用第一模式转换部中的第二金属波导将TEM波转化为表面波，表面波在金属波导的凹槽阵列中传输；步骤四，采用谐振环和第二金属波导相耦合，形成谐振峰；步骤五，谐振峰穿过待检样本发生漂移后采用第二模式转换部将其转换为TEM波；步骤六，采用信号输出部将TEM波传输给下位检测设备进行数据分析。
[0020]发明作用与效果
[0021]根据本发明提供的基于圆盘周期结构的太赫兹波有机物检测装置，由于金属波导可和谐振环耦合产生高Q值(200?300)的谐振峰，对待检样品进行检测，提高了太赫兹波检测有机物的灵敏度，为解决快速检测有机物的科学难题提供了一种参考。
【附图说明】
[0022]图1是本发明的基于圆盘周期结构的太赫兹波有机物检测装置的结构示意图；
[0023]图2是本发明的基于圆盘周期结构的太赫兹波有机物检测芯片的结构示意图；
[0024]图3是本发明的检测芯片的金属层的结构示意图；
[0025]图4是本发明的基于圆盘周期结构的太赫兹波有机物检测装置检测有机物样品的流程图；
[0026]图5是本发明的检测装置检测大分子生物有机物(癌细胞)的结果图。
【具体实施方式】
[0027]以下结合附图来说明本发明的【具体实施方式】。
[0028]图1是本实施例的基于圆盘周期结构的太赫兹波有机物检测装置的结构示意图。
[0029]如图1所示，检测装置100包括矢量网络分析仪200以及检测芯片300。矢量网络分析仪200通过探针201和探针202分别和检测芯片300的能量传输端口连接，用于发射和探测太赫兹波信号。待检有机物样品被放置于检测芯片300上。
[0030]图2是本实施例的基于圆盘周期结构的太赫兹波有机物检测芯片的结构示意图。
[0031]如图2所示，检测芯片300由衬底10和金属层20组成。金属层20通过光刻和镀膜附着在衬底10上。
[0032]本实施例中，金属层20的材质为金，厚度山为500nm。衬底10由衬底由石英、聚苯二甲酸乙二醇酯(PEN)以及聚酰亚胺中的任意一种材料制成，厚度(12为200 μm。
[0033]图3是本实施例的检测芯片的金属层的结构示意图。
[0034]如图3所示，金属层20包括顺序连接的信号获取部1、第一模式转换部2、传导检测部3、第二模式转换部4以及信号输出部5。信号获取部I用于从矢量网络分析仪200处获取输入太赫兹波信号，并将其转化为准TEM波模式；第一模式转换部2用于激发表面等离子激元，将太赫兹波由准TEM波模式转化为表面波模式；传导检测部3用于传导表面波并使其穿过待检样品，对有机物进行检测；第二模式转换部4用于将太赫兹波由表面波模式转换为准TEM波模式；信号输出部5通过探针202和矢量网络分析仪200连接，并将太赫兹波传输给矢量网络分析仪200。
[0035]图2为图3的侧视图，如图1?图3所示，信号获取部I以及信号输出部5均为共面波导，包括中心带11以及位于中心带11两侧且与中心带11间隔一定间距&的两个接地带12。
[0036]中心带11和接地带12之间的两个槽口分别作为信号获取部I以及信号输出部5的能量传输端口，和矢量网络分析仪的探针201以及探针202连接。信号获取部I通过探针201和SMA连接器连接，进而通过SMA连接器从同轴电缆处获取输入信；信号输出部5通过探针202将检测完毕的太赫兹波信号传输给矢量网络分析仪200，进行结果分析。
[0037]本实施例中，能量