一种基于太赫兹超材料的多种食品添加剂实时检测芯片

1.本实用新型属于人工超材料技术领域，涉及一种基于太赫兹超材料的多种食品添加剂实时检测芯片


背景技术：

2.食品添加剂是食品工业中必不可少的辅料，它可以改善风味、调节营养成分、防止食品变质，从而提高质量，使加工食品丰富多彩，满足消费者的各种需求。
3.但在食品添加剂使用过程中仍然存在着很多问题，食品添加剂的不规范使用屡次作为产品不合格的主要原因，给消费者的身体健康和生命安全带来威胁。因此对食品添加剂检测技术的研究尤为重要。
4.由于许多生物化学分子的分子内和分子间振动在太赫兹波段，因此可以利用太赫兹波识别物质，也就是指纹检测。且太赫兹波的能量低，对人体和其他生物无害。而利用超材料结构，能够将入射电磁波束缚在很小的区域内，从而产生很强的电场，增大检测分子的吸收截面，从而使得微量检测成为可能。
5.2013年6月5日公开的公开号为cn103134870a的发明专利提出了“一种测定食品中山梨酸和苯甲酸的方法”，以以中空纤维为载体,以有机碱为受体相,以有机溶剂为有机相制成中空纤维液相微萃取装置,然后采用中空纤维液相微萃取装置对待测样品进行萃取,取萃取后的受体相进行气相色谱检测,获得待测样品的气相色谱谱图,根据样品的气相色谱谱图及山梨酸标准曲线和/或苯甲酸标准曲线计算待测样品中山梨酸和/或苯甲酸含量；2020年5月12日公开的公开号为cn111141582a的发明专利提出了“一种食品添加剂检测装置”，由支座、分光光度计、水箱、水泵、输水管和搅拌机构组成，解决了食品添加剂和水均匀混合的问题。上述所提及的检测食品添加剂的方法或装置都相对复杂，且无法同时测量多种食品添加剂，而本实用新型所述的一种基于太赫兹超材料的多种食品添加剂实时检测芯片相比于其他方法装置具有制作更简单、检测更高效等优点。
6.本实用新型利用对有机分子具有“指纹”识别能力的太赫兹波，与人工超材料结合，提供一种实用、快捷、准确可靠的可以同时检测多种食品添加剂的检测芯片。


技术实现要素：

7.本实用新型涉及一种多种食品添加剂实时检测芯片的研究，用于同时检测三种食品添加剂，增加检测的实时性和便捷性。
8.为实现上述目的，本实验新型提供了如下方案：所述检测芯片由金属超材料层(1)，聚对苯二甲酸乙二醇酯基底层(2)两部分组成；所述金属超材料层(1)由长条形单元结构的周期阵列组成；单元结构在x和y两个方向上都呈现周期性序列，位于所述聚对苯二甲酸乙二醇酯基底层(2)的上面。当太赫兹波正入射到所述芯片，将产生电偶共振，并在1.09thz、1.57thz、2.20thz频率处出现透射峰；当分析物厚度发生变化时，该透射峰的幅值将发生变化，通过检测三个透射峰幅值的变化反推计算得到三种食品添加剂浓度的变化。
9.所述金属超材料层(1)是电导率为3.56
×
107s/m的金属铝，整个芯片有三块检测区域，每个区域由不同尺寸、不同共振频率的单元结构组成，通过对单元尺寸缩放获得。对应于共振频率为1.09thz的金属超材料单元结构，在x和y两个方向上的周期都为180μm，在z方向上的厚度为t2＝0.2μm，金属超材料单元结构的长为l＝72μm，宽为w＝11μm；对应于共振频率为1.57thz的金属超材料单元结构，在x和y两个方向上的周期都为130μm，在z方向上的厚度为t2＝0.2μm，金属超材料单元结构的长为l＝49μm，宽为w＝7μm；对应于共振频率为2.20thz的金属超材料单元结构，在x和y两个方向上的周期都为80μm，在z方向上的厚度为t2＝0.2μm，金属超材料单元结构的长为l＝33μm，宽为w＝5μm；所述基底层(2)是介电常数为3.2的聚对苯二甲酸乙二醇酯，在z方向上的高度t1＝30μm。
10.本实用新型的有益效果是：本实用新型基于铝超材料层单元结构阵列周期性排列，太赫兹波入射到所述传感芯片上，被耦合进检测芯片上并激发电偶共振，形成透射峰，通过共振频率的位移实现对食品添加浓度的测量，所述传感芯片结构简单，材料普通，易于加工，在1.09thz、1.57thz、2.20thz形成透射峰，可以同时检测苯甲酸、山梨酸和l
‑
丙氨酸三种食品添加剂。
附图说明
11.图1是本实用新型长条单元结构三维图
12.图2是本实用新型检测芯片三维结构图
13.图3是本实用新型长条单元结构的仿真表面电流图
14.图4是本实用新型长条单元结构的仿真磁场图
15.图5是三个谐振频率(1.09thz、1.57thz、2.20thz)的透射曲线
16.图6是1.09thz时对于不同厚度分析物的透射曲线图
17.图7是1.57thz时对于不同厚度分析物的透射曲线图
18.图8是2.20thz时对于不同厚度分析物的透射曲线图
19.图9是透射率增量随分析物厚度的变化图
具体实施方式
20.本实用新型涉及一种基于太赫兹超材料的多种食品添加剂实时检测芯片，用于同时检测三种食品添加剂的存在，增加检测的实时性和便捷性。
21.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
22.为实现上述目的，本实验新型提供了如下方案：如图1所示，所述传感芯片由金属铝超材料层(1)，聚对苯二甲酸乙二醇酯层(2)两部分组成；所述金属超材料层(1)由长方形的周期性阵列组成；单元结构在x和y两个方向上都呈周期性序列，位于所述基底层(2)上面；如图2所示，本实用新型提出的检测芯片一共有三块检测区域，这三块区域是通过二维排布设计在了一块检测芯片上。每个区域由不同尺寸、不同共振频率的单元结构组成，通过对单元尺寸缩放获得，分别用于检测三种不同的食品添加剂。
23.图3和图4分别是本实用新型长条单元结构的仿真表面电流图和仿真磁场图。可以从仿真结果看到，当太赫兹波正入射到所述传感芯片后，将在沿x轴水平向右方向产生表面
电流，并在垂直于x轴的平面内产生逆时针方向的磁场，从而产生电偶共振。图5为本实用新型cst电磁仿真软件仿真在工作波段的透射率，从仿真结果可以看出：三个检测区域分别在1.09thz、1.57thz和2.20thz处产生三个透射峰，对应于三种食品添加剂苯甲酸、山梨酸和l
‑
丙氨酸的太赫兹指纹峰，在检测时相应的食品添加剂滴加在相应的检测区域即可。图6、图7和图8分别是三个检测区域分析物厚度变化时的仿真透射率曲线图，从仿真结果可以看到，当外加分析物厚度发生变化时，该透射峰的峰值会发生幅值变化，通过该幅值的变化可以反推计算得到分析物浓度，当厚度持续增大到一定时，透射峰会出现饱和现象。图9是透射峰幅值随分析物厚度变化关系图，可以更直观的看到随着分析物厚度的增加，三个透射峰的幅值都在增加，直到分析物厚度增加到8μm,三个透射峰的幅值增量达到饱和，1.09thz、1.57thz和2.20thz处透射峰的饱和幅值变化分别为0.20、0.42和0.22。


技术特征：
1.一种基于太赫兹超材料的多种食品添加剂实时检测芯片，其特征在于：所述检测芯片由金属超材料层(1)，聚对苯二甲酸乙二醇酯基底层(2)两部分组成；所述金属超材料层(1)由长条形单元结构的周期阵列组成；单元结构在x和y两个方向上都呈现周期性序列，位于所述聚对苯二甲酸乙二醇酯基底层(2)的上面；当太赫兹波正入射到所述芯片，将产生电偶共振，并在1.09thz、1.57thz、2.20thz频率处出现透射峰。2.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹超材料的多种食品添加剂实时检测芯片，其特征在于：所述金属超材料层(1)是电导率为3.56
×
107s/m的金属铝，整个芯片有三块检测区域，每个区域由不同尺寸、不同共振频率的单元结构组成，通过对单元尺寸缩放获得。3.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹超材料的多种食品添加剂实时检测芯片，其特征在于：对应于共振频率为1.09thz的金属超材料单元结构，在x和y两个方向上的周期都为180μm，在z方向上的厚度为t2＝0.2μm，金属超材料单元结构的长为l＝72μm，宽为w＝11μm；对应于共振频率为1.57thz的金属超材料单元结构，在x和y两个方向上的周期都为130μm，在z方向上的厚度为t2＝0.2μm，金属超材料单元结构的长为l＝49μm，宽为w＝7μm；对应于共振频率为2.20thz的金属超材料单元结构，在x和y两个方向上的周期都为80μm，在z方向上的厚度为t2＝0.2μm，金属超材料单元结构的长为l＝33μm，宽为w＝5μm；所述基底层(2)是介电常数为3.2的聚对苯二甲酸乙二醇酯，在z方向上的高度t1＝30μm。

技术总结
本实用新型涉及一种基于太赫兹超材料的多种食品添加剂实时检测芯片：所述传感芯片由金属铝超材料层(1)，聚对苯二甲酸乙二醇酯层(2)组成；金属超材料层(1)为长方形周期性阵列排布；单元结构在x和y两个方向上都呈周期性序列，位于基底层(2)上面；本芯片通过对单元结构的缩放设计了三个不同的区域，当太赫兹波正入射后，将产生电偶共振，并在1.09THz、1.57THz、2.20THz频率处出现透射峰，分别对应已知三种食品添加剂苯甲酸、山梨酸和L


技术研发人员：余晟 郎婷婷 王润月 黄启莹 金潘翔 王钢棋
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2020.12.07
技术公布日：2021/9/24