THz-ATR技术检测生物医学样品的研究进展

太赫兹衰减全内反射(THz-ATR)光谱法含水样品检测技术具有无标记、无电离以及检测灵敏度高等优点,在疾病标志物的定性识别和定量检测方面具有很大的应用潜力,尤其对重大疾病的早期诊断和分阶段诊疗具有非常重要的现实意义。在简要介绍THz-ATR技术检测含水样品基本原理的基础上,通过分析与对比,详细探讨了不同辐射源的THz-ATR光谱检测技术在生物医学检测方面的应用,最后简要归纳了THz-ATR光谱检测技术的研究现状及未来发展趋势。     

太赫兹双磁矩环偶极子传感芯片及其在原油检测中的应用

原油样品中主要成分的快速检测及产地溯源对国防安全及生态环境等领域意义重大。现阶段的原油成分检测操作复杂、成本高且检测时间较长,无法满足对原油成分的快速检测及原油产地快速溯源的需求。文中结合高灵敏太赫兹检测芯片(基于双磁矩环偶极子）和时域太赫兹波谱系统,测试了不同产地原油样品的太赫兹光谱,发现芯片谐振峰频移呈现不同的规律。且对于原油中两个最主要的指标硫含量和残碳量,可分别根据它们的频移规律进行定量分析。实验数据计算表明:相同产地的原油的谐振频率平均值相对差值平均为4.63%,不同产地的原油的谐振频率平均值的相对差值平均为56.53%,可明显区分出原油的产地。设计的超表面芯片激发了电磁新模式,提供了一种高灵敏度的检测技术,可广泛应用于生物分子实时监测或探测化学物质(如原油)成分检测、产地溯源等领域。     

太赫兹超材料生物检测应用研究进展

超材料作为一种具备超常物理性质的人工复合材料,能够突破常规材料的限制,为设计先进功能材料开辟一种全新的思路。太赫兹波由于具有光子能量低、对生物物质无电离损害和分子指纹谱等特性,通过与超材料结合,可实现对生物物质高灵敏检测,越来越受到国内外学者的广泛关注。本文总结了近几年来太赫兹超材料传感器在生物分子和细胞检测领域上取得的进展,首先介绍了太赫兹超材料传感器的传感原理和性能指标,其次从超材料结构设计、衬底选择、以及与微流控和新材料结合等方面阐述了太赫兹超材料传感器在生物检测领域的发展。通过对超材料结构进行优化、采用低介电常数薄型衬底、结合微流控技术或在传感器上粘附新材料涂层,可进一步提高超材料传感器的灵敏度,并丰富其在生物医学检测上的功能。最后,对太赫兹超材料传感器的发展趋势和前景进行了展望。     

基于太赫兹时域谱分析的常见包裹物屏蔽下食品药品检测方法

食品和药品的检测在民生领域中具有重要的应用价值,为此提出一种基于太赫兹时域谱分析的检测方法.使用太赫兹时域光谱探测技术研究不同包裹物覆盖下物质的太赫兹谱特性,并对高相对湿度条件下的太赫兹样品探测技术进行研究.采用一种简单有效的谱减法处理样品光谱中的水汽吸收干扰,并计算样品在太赫兹波段的折射率和吸收系数.通过计算不同包裹...     

基于超材料的太赫兹技术检测蔬菜中的水胺硫磷

水胺硫磷作为一种高效广谱农药常用于蔬菜害虫防治，但其高毒性、易残留的特点对人体健康构成巨大风险，为此本文提出利用基于超材料的太赫兹技术检测蔬菜中低质量浓度的水胺硫磷。根据开口谐振环原理设计了一款高性能超材料，其品质因数Q达到65。通过测试白菜叶中不同质量浓度水胺硫磷在超材料下的太赫兹频谱，建立了谐振峰频移量与质量浓度的指数拟合模型，其决定系数R²达到0.99765，实验检测质量浓度最低至0.00087 mg/L。相较于传统方法，超材料结合太赫兹技术不仅具有更低的检测限还简化了预处理环节。因此本文提出方法可高效、快速地检测蔬菜中低质量浓度的水胺硫磷。     

铌酸锂芯片上的太赫兹集成和时空超分辨成像

飞秒激光与铁电晶体铌酸锂作用可以激发出太赫兹波段的声子极化激元。当铌酸锂的厚度减小至亚波长量级时,晶片就成为一个将太赫兹波产生、传输、调控、探测、与物质或微结构相互作用等过程集于一体的集成化芯片,为太赫兹波的研究和应用提供了平台。同时,利用时空超分辨成像技术可以对芯片中太赫兹波的传输以及与微结构作用过程进行可视化和定量分析。回顾了一些基于铌酸锂芯片的工作,比如太赫兹波传输特性的研究、频率可调谐太赫兹波源的产生、微结构对太赫兹波的调控等,这些工作说明亚波长铌酸锂芯片是一个很有前途的太赫兹集成器件。     

连续太赫兹波同轴数字全息相衬成像

太赫兹同轴数字全息成像是基于太赫兹波干涉记录的一种新型成像技术,具有光源相干性要求低、光路结构简单、成像分辨率高、实时定量获取物光波复振幅信息等特点,非常适用于太赫兹波段成像。搭建了一套连续太赫兹波同轴数字全息成像装置,通过全息图预处理和相位恢复算法,获取了样品的振幅和相衬图像,有效抑制了共轭像,并进一步探索了太赫兹同轴数字全息技术在生物医学检测上的可行性。     

太赫兹肖特基二极管噪声电压的理论研究

在太赫兹焦平面成像等系统中,GaAs肖特基二极管作为太赫兹检测的核心器件,其噪声特性直接影响太赫兹探测系统的灵敏度。讨论了GaAs肖特基二极管在不同直流偏压下加载给负载的热噪声电压、散粒噪声电压、总噪声电压,并给出了相应的解析解。同时,建模模拟了太赫兹混频前端,并利用谐波平衡法对理论公式进行了对比验证。对太赫兹像元与阵列芯片的噪声机理以及提高芯片的噪声性能研究,改善芯片噪声特性,从而提高太赫兹焦平面成像系统灵敏度具有重要意义和作用。     

六氮五铌微测热辐射计太赫兹阵列探测芯片研究

太赫兹技术在安检成像等领域具有重要的应用前景,然而当前太赫兹技术应用面临高灵敏度太赫兹探测器缺乏的困难,因此开发检测灵敏度高、响应速度快、可室温工作、便于集成超大规模阵列的探测芯片具有重要科学意义和实际应用价值。太赫兹波段的微测热辐射计(microbolometer)阵列芯片和红外相机读出电路兼容,是最先实现太赫兹相机的芯片,成为研制太赫兹相机的主流。我们研制的Nb_5N_6 microbolometer阵列器件,由于可常温工作、工艺简单、检测灵敏度高、响应速度快、便于集成超大规模阵列,受到了国际科学界和工业界的关注。就Nb_5N_6 microbolometer太赫兹阵列探测芯片在设计制备过程中遇到的一些关键技术问题,如衬底干涉效应、高效耦合结构设计、低噪声读出电路设计、及焦平面阵列与读出电路的封装集成等,进行介绍和总结,为大规模太赫兹阵列探测芯片的设计与制备提供参考。     

烷基化汽油中烃类物质含量的太赫兹时域光谱研究

应用太赫兹时域光谱技术研究了烷基化汽油中烯烃在太赫兹波段的性质。以烷基化汽油中的2,4,4-三甲基戊烯为例,分析了其不同浓度在太赫兹波段产生的光谱响应。结果表明, 对于烯烃含量不同的烷基化汽油,其信号中的峰强具有明显不同,并浓度的变化呈线性变化。利用时域谱最大值和最小值之和拟合而成的预测曲线对两种未知浓度样品进行预测,其误差均小于0.5%。同时对其不同频率下的吸收系数进行拟合与分析。根据太赫兹光谱最原始的幅值信息及其吸收系数可对其中烯烃含量进行快速定性,甚至是定量分析, 为烷基化汽油中烃含量和品质的定量检测作基础。     

Enhanced Terahertz Fingerprint Detection beyond Refractive Index Sensing in a Periodic Silicon Waveguide Cavity

Resonance shifting due to refractive index changes is used quite often in terahertz sensing, but it does not show the advantages of substance identification of terahertz technology. Different from that approach, we explored the use of a cavity to enhance the sensitivity of terahertz sensing while retaining the original capability of substance identification. The defect mode of a one-dimensional photonic crystal cavity composed of periodic holes etched into a silicon wire waveguide was investigated for this purpose. The resonance of the defect mode was designed to match one characteristic absorption frequency of the sample. Due to the high dependence of the defect mode transmission on the material loss, the transmission sensitivity to the quantity of target was amplified significantly. The detection of α-lactose was used as an example, which demonstrates steady detection with its thickness of a few microns.     

太赫兹微流控芯片

大多数生物大分子和基团的振动或者转动能级处于太赫兹频段,而其生物活性在水溶液中才能表现出来,由于水对太赫兹波的强烈吸收,从而限制了太赫兹技术的推广和应用。为了研究水溶液中生物样品的反应、变化等动态特性,将太赫兹技术和微流控技术相结合,分别研究了微流控芯片上微流控沟道的尺寸,微流控芯片的材料及其制作流程,最后用去离子水对该芯片进行了初步测试,证明了该太赫兹微流控芯片的可行性。     

可用于多波段融合的超结构/阻挡杂质带复合结构探测器（特邀）

太赫兹辐射是指频率在30 μm~1 mm范围内的电磁波,具有穿透性强、安全性高、特征性强及定向性好等特点,因此,太赫兹技术在天文观测、安全监控、物质鉴定及生物医学等领域具有广阔的应用前景。阻挡杂质带探测器具有灵敏度高、阵列规模大、探测谱段宽等核心优势,是太赫兹辐射探测的优良选择。阻挡杂质带探测器目前主要采用三种材料体系,分别为Si、Ge、GaAs。基于这三种材料体系的阻挡杂质带探测器可实现在3~500 μm的超宽波段探测。超结构是由亚波长结构单元构成人工复合结构,在光电探测器上引入超结构,利用等离激元共振、偶极共振调控特性,可以将电磁场能量强烈的局域在金属/探测器界面位置。因此,超结构与阻挡杂质带结合,可有效调控探测峰位、缩小探测峰半高宽、强化光谱分辨能力,并有望大规模应用于3~500 μm的多波段融合探测。同时,超结构与阻挡杂质带探测器结合,可进一步提高器件响应率,减小器件尺寸,降低工艺难度。文中简要叙述了阻挡杂质带探测器的工作机理,介绍了国内外阻挡杂质带探测器的研究历史及研究现状。最后,在探测器波段调控、光谱分辨、增强吸收等角度详细介绍了Si、Ge、GaAs基超结构/阻挡杂质带复合结构探测器的研究现状,并结合目前该技术发展瓶颈问题,在高纯材料生长、光场局域效应机理研究等方面提出了下一步的研究展望。     

神经细胞中五种常见物质的太赫兹波谱的推定

利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对神经细胞中常见的5种物质(L-谷氨酸、γ-氨基丁酸、肌酸、盐酸多巴胺和肌醇)的纯品进行特征谱检测。实验结果显示,5种物质在太赫兹波段有明显且独特的吸收谱线,并且同一种物质不同浓度的吸收系数符合朗伯比尔定律。此外,利用CASTEP软件包对5种物质的光谱进行仿真,结果显示太赫兹波段光谱特征吸收峰的成因主要由分子基团的振动而引起。之后,对肌醇、L-谷氨酸、γ-氨基丁酸和肌酸的1:1:1:1混合物的谱线进行检测,结合最小二乘法等算法倒推,可以准确推断每一种物质的含量及比例。结果表明,当4种物质混合时,物质含量推断的准确率为94%以上,这一研究结果对于癌组织的早期检测有重大意义。     

太赫兹波段硅片组偏振器的设计及其应用

为了克服目前应用于太赫兹波段的偏振器件成本较高、加工难度较大、易产生法布里-珀罗效应回声等缺点,利用平行堆叠硅片的布儒斯特效应,设计了一种新型的适用于太赫兹波段的硅片组偏振器件。根据不同油品中手性化合物浓度不同对太赫兹波的旋光性不同的原理,用该偏振器对97#汽油、柴油及其混合油样品的旋光性进行测量,实现了混油检测。结果表明,设计的偏振器消光比高于1059、透过率高于99%、适用频段为0THz~3THz; 利用硅片组偏振器对97#汽油、柴油以及两种按不同体积分数混合的油品进行旋光性的测量,实现了对油品的定性和定量检测。该偏振器件的设计满足太赫兹波段的偏振需求。     

随机共振瓦斯微弱信号检测方法研究

为了解决检测煤矿复杂环境中的瓦斯信号时易受周围噪声干扰以至微弱信号被掩埋或产生异常数据的问题,提出一种基于随机共振的微弱瓦斯信号检测方法。采用欠采样原理对大频率信号尺度变换及粒子群算法优化系统结构参量,对大参量微弱信号在随机共振系统中的共振效果进行了理论分析和研究。结果表明,该方法可以以较低的采样频率,自适应地达到较好的共振效果;可有效地滤除噪声并增强系统辨识微弱信号的灵敏度以及信号检测的动态范围。该研究为瓦斯突出信息的早期辨识提供了一定的理论依据。     

High Performance,Multiplexed Lung Cancer Biomarker Detection on a Plasmonic Gold Chip

Diagnosis of lung cancer is performed using a plasmonic gold (pGOLD) chip through multiplexed near‐infrared (NIR) detection of carcino‐embryonic antigen (CEA), Cyfra21‐1, and neuron‐specific enolase (NSE) in the serum samples of patients. With ≈50‐fold enhancement of NIR fluorescence, multiplexed microarray analysis of CEA, Cyfra21‐1, and NSE in 10 μL of human serum or whole blood samples on pGOLD chip leads to markedly improved limit‐of‐quantification, limit‐of‐detection, reproducibility, and higher diagnostic sensitivity and specificity compared to traditional biochips and Luminex technology currently in use in hospitals.     

低维材料太赫兹探测器研究进展（特邀）

太赫兹技术在无损检测、生物医学、工业检查、环境监测、局域通信和国防安全等领域具有广阔的应用前景。太赫兹系统中太赫兹探测器是其核心器件,其性能决定了太赫兹系统的应用市场,是推动太赫兹技术进一步发展的重要研究方向之一。但是,太赫兹波段较低的光子能量使得实现高速、灵敏的太赫兹探测颇有挑战。随着纳米技术和新材料制备技术的进步,低维材料的高迁移率、宽响应频带等性能为太赫兹探测器提供了新的机遇,低维材料太赫兹探测器得到广泛关注,其主要优势是高灵敏度、宽频带和低噪声,在近年来取得了显著的研究进展。虽然太赫兹探测器已经取得突破性发展,但各类太赫兹探测器仍然存在一些问题。在此背景下,文中从太赫兹探测器的分类出发,简要介绍了测辐射热计、热释电探测器、等离子体共振探测器和热载流子调控探测器的物理机制以及最新研究进展,并展望了未来低维材料太赫兹探测器的发展方向。