用于多晶行为监测的太赫兹超材料传感检测装置及方法

本发明涉及太赫兹传感应用，特别是指一种用于多晶行为监测的太赫兹超材料传感检测装置及方法。

背景技术：

1、太赫兹光谱技术能够敏锐探测晶体内部分子间作用的差异，在药物等的多晶行为研究中体现出独特优势。然而大多数天然材料在太赫兹范围内只表现出微弱的电磁响应，太赫兹技术的灵敏度和选择性有限是制约其广泛应用的主要因素。太赫兹频域光谱系统由于其灵敏度高、易于集成、对空气中的水蒸气鲁棒等优势正得到广泛应用。

2、为增强太赫兹波与待测材料的相互作用，传统研究常采用混合压片或通过压紧样品池等固体制样方法，使粉末样品紧密分布以降低散射并增加太赫兹波与样品的作用光程，从而提高检测效果。但这种样品预处理也不可避免地引入了大量的人为干扰，如压力、温度、湿度等，这些干扰却正是晶型转换机理研究中的关键参数。通过人工超表面在入射太赫兹波的激励下以特定频率谐振实现局域电磁场增强，为实现太赫兹波段痕量物质传感开辟了新的途径。

3、现有共结晶过程的表征研究聚焦于干法共结晶过程。但从实际应用角度考察，制药等行业更倾向于使用饱和溶液析出法，即湿法共结晶方法。湿法共结晶过程中，多晶型产物晶型的产出通常以多晶型母液中溶剂的选择达成，而衰减全反射的方法虽然能够缓解极性溶剂对太赫兹信号的吸收，却不能从样品的角度出发进一步增强，多晶行为在固、液两相中的太赫兹光谱响应增强成为新的研究目标。因此，如何对包括共结晶和晶型转换过程的多晶行为进行实时、原位、高精度监控，成为太赫兹技术在多晶行为检测领域进一步应用的关键。

技术实现思路

1、本发明提供了一种用于多晶行为监测的太赫兹超材料传感检测装置及方法，以解决现有太赫兹技术无法对包括共结晶和晶型转换过程的多晶行为进行实时、原位、高精度监控的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

3、一方面，本发明提供了一种用于多晶行为监测的太赫兹超材料传感检测装置，所述装置包括：衰减全反射超表面传感器和太赫兹频域光谱系统；其中，

4、所述衰减全反射超表面传感器包括高阻硅衰减全反射棱镜以及在所述高阻硅衰减全反射棱镜表面光刻出的超表面谐振单元阵列；所述衰减全反射超表面传感器光刻有超表面谐振单元阵列的一面用于承载目标晶型的共结晶母液；

5、所述太赫兹频域光谱系统用于向所述衰减全反射超表面传感器发射太赫兹信号，实现目标晶型对应的共结晶母液结晶过程以及晶型转换过程的监测。

6、进一步地，所述高阻硅衰减全反射棱镜用于通过衰减全反射结构，抑制共结晶母液中极性溶剂对太赫兹信号的吸收，实现液相太赫兹光谱响应增强；

7、所述超表面谐振单元阵列用于最大化超表面电磁场谐振对多晶型产物晶格振动的耦合，利用吸收诱导透明效应实现固相太赫兹光谱响应增强。

8、进一步地，所述超表面谐振单元阵列由多个超表面单元结构组成；

9、可选地，所述超表面单元结构为开口谐振环；其材料为金或铜。

10、进一步地，所述超表面谐振单元阵列的设计方式为：

11、进行多晶型产物含频介电函数免压片表征，得到多晶型产物在太赫兹波段的含频介电函数；

12、基于多晶型产物在太赫兹波段的含频介电函数，对多晶型产物介质进行仿真建模，并调整谐振环结构尺寸，以得到最大耦合增强效果对应的谐振环结构尺寸，作为超表面谐振单元阵列的设计参数，设计出超表面谐振单元阵列。

13、进一步地，所述进行多晶型产物含频介电函数免压片表征，包括：

14、将粉末状多晶型产物样品均匀分布在两枚样片中间的样品腔内，组成样品结构，利用光谱仪对样品结构进行检测，获取多晶型产物介电常数；

15、利用有效介质理论对获取的多晶型产物介电常数进行修正；

16、对经过有效介质理论修正的多晶型产物介电常数，进行洛伦兹线型拟合，多晶型产物在太赫兹波段的含频介电函数。

17、进一步地，利用有效介质理论对获取的多晶型产物介电常数进行修正，公式为：

18、

19、

20、其中，εa为待提取的多晶型产物介电常数，εpowder为实验获取的腔内粉末介电常数，va为多晶型产物在样品腔体内部的体积占比。

21、进一步地，所述太赫兹频域光谱系统包括：两个分布反馈二极管激光器光源、光纤耦合器、太赫兹光电导辐射源以及探测器；其中，

22、所述分布反馈二极管激光器光源用于产生两束差频位于太赫兹波段的近红外光；两束近红外光在所述光纤耦合器中混频，产生工作在激光器差频处的激光拍频；然后将所述激光拍频均匀地分成两束激光，分别馈入所述太赫兹光电导辐射源，以产生太赫兹脉冲；以及所述探测器，作为探测光束。

23、进一步地，所述结晶过程的监测方式为：

24、利用衰逝波在界面处探测共结晶母液与超表面谐振单元阵列的耦合体，观察溶液介电常数变化引起的谐振频率偏移，以考察溶剂选择对晶型取向的影响，以及捕捉潜在中间态晶型。

25、进一步地，所述晶型转换过程的监测方式为：

26、在结晶完成后通过调整环境参数诱导其晶型转换，检测太赫兹光谱中的反吸收峰以提取组分信息，从而实现对晶型转换全过程的原位监控。

27、另一方面，本发明还提供了一种利用上述的用于多晶行为监测的太赫兹超材料传感检测装置实现的用于多晶行为监测的太赫兹超材料传感检测方法，包括：

28、将目标晶型的共结晶母液置于所述衰减全反射超表面传感器光刻有超表面谐振单元阵列的一面；

29、利用所述太赫兹频域光谱系统向所述衰减全反射超表面传感器发射太赫兹信号，实现目标晶型对应的共结晶母液结晶过程以及晶型转换过程的监测。

30、再一方面，本发明还提供了一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述方法。

31、又一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述方法。

32、本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

33、1、本发明解决了对包括共结晶和晶型转换过程的多晶行为进行实时、原位、高精度监控的问题；

34、2、本发明通过人工超表面在入射太赫兹波的激励下以特定频率谐振实现局域电磁场增强，解决了吸收截面低的影响，有利于多晶型产物的选择性检测；

35、3、本发明通过衰减全反射结构规避了强吸收背景，解决了湿法共结晶过程中极性溶剂对太赫兹信号的强烈吸收，扩大了多晶型母液溶剂的选择范围；

36、4、本发明通过探索含有氢键弛豫信息的多晶型母液太赫兹介电常数变化规律，这一免制样观测结构可用于精确考察溶剂选择对晶型取向的影响、捕捉潜在中间态晶型。实现对多晶行为的实时、原位、高精度监控。

技术特征：

1.一种用于多晶行为监测的太赫兹超材料传感检测装置，其特征在于，所述装置包括：衰减全反射超表面传感器和太赫兹频域光谱系统；其中，

2.如权利要求1所述的用于多晶行为监测的太赫兹超材料传感检测装置，其特征在于，所述高阻硅衰减全反射棱镜用于通过衰减全反射结构，抑制共结晶母液中极性溶剂对太赫兹信号的吸收，实现液相太赫兹光谱响应增强；

3.如权利要求1所述的用于多晶行为监测的太赫兹超材料传感检测装置，其特征在于，所述超表面谐振单元阵列由多个超表面单元结构组成；

4.如权利要求3所述的用于多晶行为监测的太赫兹超材料传感检测装置，其特征在于，所述超表面谐振单元阵列的设计方式为：

5.如权利要求4所述的用于多晶行为监测的太赫兹超材料传感检测装置，其特征在于，所述进行多晶型产物含频介电函数免压片表征，包括：

6.如权利要求5所述的用于多晶行为监测的太赫兹超材料传感检测装置，其特征在于，利用有效介质理论对获取的多晶型产物介电常数进行修正，公式为：

7.如权利要求1所述的用于多晶行为监测的太赫兹超材料传感检测装置，其特征在于，所述太赫兹频域光谱系统包括：两个分布反馈二极管激光器光源、光纤耦合器、太赫兹光电导辐射源以及探测器；其中，

8.如权利要求1所述的用于多晶行为监测的太赫兹超材料传感检测装置，其特征在于，所述结晶过程的监测方式为：

9.如权利要求1所述的用于多晶行为监测的太赫兹超材料传感检测装置，其特征在于，所述晶型转换过程的监测方式为：

10.一种利用如权利要求1～9任一项所述的用于多晶行为监测的太赫兹超材料传感检测装置实现的用于多晶行为监测的太赫兹超材料传感检测方法，其特征在于，所述用于多晶行为监测的太赫兹超材料传感检测方法包括：

技术总结
本发明公开了一种用于多晶行为监测的太赫兹超材料传感检测装置及方法，该装置包括衰减全反射超表面传感器和太赫兹频域光谱系统；其中，该传感器包括用于缓解极性溶剂对太赫兹波强吸收的高阻硅衰减全反射棱镜和在其表面光刻出的能够针对共晶产物或潜在的中间态晶型进行光谱耦合增强的超表面谐振单元阵列；该传感器光刻有超表面谐振单元阵列的一面用于承载目标晶型的共结晶母液；太赫兹频域光谱系统用于向衰减全反射超表面传感器发射太赫兹信号，实现目标晶型对应的共结晶母液结晶过程及晶型转换过程的监测。本发明解决了多晶行为在固、液两相中的太赫兹光谱响应增强问题，实现了对包括共结晶和晶型转换过程的多晶行为进行实时、原位、高精度监控。

技术研发人员：张天尧,张朝晖,赵小燕,袁媛,李博扬,李星玥,吴先毫
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7