基于领结型金属孔径太赫兹超材料的液体增强传感系统及测量方法

本发明涉及太赫兹传感，特别涉及一种基于领结型金属孔径太赫兹超材料的液体增强传感系统及测量方法。

背景技术：

1、超材料是由周期性排列的亚波长超原子组成的复合结构，旨在于有效的操纵和定制光，以实现各类突破性应用，包括负折射、超透镜、全息成像、通讯、和生化传感等。其通过激发局域表面等离子体共振来实现对在时间和空间上压缩电磁场。超材料具有的局域场增强特性有利于分析物与电磁波之间的相互作用，用于解决太赫兹波长与分子尺度不匹配导致低吸收截面的局限。这一优异特性使得其在太赫兹生物传感领域获得巨大的关注及长足的发展。

2、现有的太赫兹超材料大多数是基于金属贴片结构，即在基底上加工周期性金属微结构阵列。这类超材料由于基底效应会降低近场与分析物的重叠，严重限制了激发的电场的利用率，这导致了传感灵敏度受限。此外，由于水对太赫兹波的强吸收限制了太赫兹传感器在液体检测时的应用。因此，如何开发出具有高灵敏度的太赫兹超材料同时实现对液体进行检测将是太赫兹传感实现实际应用的一重大难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术不足，提供一种基于领结型金属孔径太赫兹超材料的液体增强传感系统及测量方法，其操作方便，性能优异，传感灵敏度高，能够支持不同液体的太赫兹传感检测。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于领结型金属孔径太赫兹超材料的液体增强传感系统，包括太赫兹发射器、传感装置、太赫兹探测器和后处理系统，所述传感装置包括领结型金属孔径太赫兹超材料和液体样品池，所述太赫兹发射器、太赫兹探测器分别设于传感装置的上方和下方，用于发射和接收太赫兹信号，所述后处理系统通过与太赫兹探测器连接以实时对接收到的太赫兹信号进行处理和显示。

3、在本发明一实施例中，所述领结型金属孔径太赫兹超材料是由两个楔形三角形和楔形连接棒组成，其单元周期为150和200μm，三角形长为82μm，高为45μm，连接棒长为20μm，连接棒上表面和下表面的宽度有三种配置，分别为14μm和3μm，20μm和9μm，23μm和12μm，其宽度大小是影响超材料传感性能的主要因素。

4、在本发明一实施例中，所述领结型金属孔径太赫兹超材料，是作为激发局域表面等离子体谐振的载体，其通过超快飞秒激光加工技术在20μm的铝膜上加工而成，不同宽度的连接棒是通过调整飞秒激光的脉冲能量大小至10mw，80mw，100mw实现的。

5、在本发明一实施例中，所述液体样品池由螺母、液体样品池主体、太赫兹窗片和垫圈组成。

6、在本发明一实施例中，所述传感装置是将领结型金属孔径太赫兹超材料放置于两片垫圈中间，再用太赫兹窗片夹住，进而组装到液体样品池主体中用螺母拧紧。

7、在本发明一实施例中，所述太赫兹窗片由1mm厚，直径为25mm的tpx组成；所述垫圈由10μm厚，直径为25mm的塑料组成。

8、本发明还提供了一种基于上述所述的基于领结型金属孔径太赫兹超材料的液体增强传感系统的测量方法，包括如下步骤：

9、步骤s1、在太赫兹发射器和太赫兹探测器之间放置空载的液体样品池，此时检测光路探测获得的太赫兹信号为参考信号r；

10、步骤s2、将领结型金属孔径太赫兹超材料集成到液体样品池中，并固定在太赫兹发射器和太赫兹探测器之间，此时检测光路探测获得的太赫兹信号为样品信号s1；

11、步骤s3、以整体液体增强传感系统作为载体，将待测样品装载到集成有领结型金属孔径太赫兹超材料的液体样品池中，通过螺母拧紧以挤出多余的液体，此时检测光路探测获得的太赫兹信号为样品信号s2；

12、步骤s4、替换不同配置的领结型金属孔径太赫兹超材料，并重复步骤s2-s3；

13、步骤s5、在后处理系统中利用获得的参考信号r、样品信号s1和s2，计算出不同配置的领结型金属孔径太赫兹超材料的归一化灵敏度。

14、在本发明一实施例中，所述步骤s5对领结型金属孔径太赫兹超材料归一化灵敏度的计算具体为：

15、步骤s51、将探测到的太赫兹时域脉冲信号r、s1和s2经过快速傅里叶变换转换成太赫兹频域幅值光谱信号；

16、步骤s52、采用透射谱计算公式计算分别获得样品信号s1和s2的透射率谱，获得样品的谐振频率；

17、步骤s53、利用归一化灵敏度计算公式计算得到领结型金属孔径太赫兹超材料的灵敏度；

18、步骤s54、重复步骤s51-s53，计算得到不同配置的领结型金属孔径太赫兹超材料的归一化灵敏度。

19、在本发明一实施例中，所述步骤s52中透射率谱计算公式为：

20、

21、其中，es(ω)和er(ω)分别为样品信号即s1、s2和参考信号r的太赫兹频域幅值谱。

22、在本发明一实施例中，所述步骤s53中归一化灵敏度计算公式为：

23、

24、其中，fs1为样品信号s1的谐振频率，fs2为样品信号s2的谐振频率，n为待测样品的折射率。

25、相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提供了基于领结型金属孔径太赫兹超材料的液体增强传感系统及测量方法，该系统以领结型金属孔径太赫兹超材料为载体，其基于非凡光传输现象从而完成消除了基底效应，使得激发的电场被充分利用，增强了与待测样品之间的相互作用。并且，通过调整飞秒激光的秒冲能量实现了更小的连接棒的超材料结构从而极大提高了电场增强，大幅提高了灵敏度。此外，采用液体样品池集成超材料来装载待测的液体样品，实现对液体厚度的控制从而极大缓解了极性液体对太赫兹波的强吸收，实现对液体样品的检测。

技术特征：

1.一种基于领结型金属孔径太赫兹超材料的液体增强传感系统，其特征在于，包括太赫兹发射器、传感装置、太赫兹探测器和后处理系统，所述传感装置包括领结型金属孔径太赫兹超材料和液体样品池，所述太赫兹发射器、太赫兹探测器分别设于传感装置的上方和下方，用于发射和接收太赫兹信号，所述后处理系统通过与太赫兹探测器连接以实时对接收到的太赫兹信号进行处理和显示。

2.根据权利要求1所述的基于领结型金属孔径太赫兹超材料的液体增强传感系统，其特征在于，所述领结型金属孔径太赫兹超材料是由两个楔形三角形和楔形连接棒组成，其单元周期为150和200μm，三角形长为82μm，高为45μm，连接棒长为20μm，连接棒上表面和下表面的宽度有三种配置，分别为14μm和3μm，20μm和9μm，23μm和12μm，其宽度大小是影响超材料传感性能的主要因素。

3.根据权利要求2所述的基于领结型金属孔径太赫兹超材料的液体增强传感系统，其特征在于，所述领结型金属孔径太赫兹超材料，是作为激发局域表面等离子体谐振的载体，其通过超快飞秒激光加工技术在20μm的铝膜上加工而成，不同宽度的连接棒是通过调整飞秒激光的脉冲能量大小至10mw，80mw，100mw实现的。

4.根据权利要求1所述的基于领结型金属孔径太赫兹超材料的液体增强传感系统，其特征在于，所述液体样品池由螺母、液体样品池主体、太赫兹窗片和垫圈组成。

5.根据权利要求4所述的基于领结型金属孔径太赫兹超材料的液体增强传感系统，其特征在于，所述传感装置是将领结型金属孔径太赫兹超材料放置于两片垫圈中间，再用太赫兹窗片夹住，进而组装到液体样品池主体中用螺母拧紧。

6.根据权利要求4或5所述的基于领结型金属孔径太赫兹超材料的液体增强传感系统，其特征在于，所述太赫兹窗片由1mm厚，直径为25mm的tpx组成；所述垫圈由10μm厚，直径为25mm的塑料组成。

7.一种基于如权利要求1-6任一所述的基于领结型金属孔径太赫兹超材料的液体增强传感系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的基于领结型金属孔径太赫兹超材料的液体增强传感系统，其特征在于，所述步骤s5对领结型金属孔径太赫兹超材料归一化灵敏度的计算具体为：

9.根据权利要求8所述的基于领结型金属孔径太赫兹超材料的液体增强传感系统及测量方法，其特征在于，所述步骤s52中透射率谱计算公式为：

10.根据权利要求8所述的基于领结型金属孔径太赫兹超材料的液体增强传感系统及测量方法，其特征在于，所述步骤s53中归一化灵敏度计算公式为：

技术总结
本发明涉及一种基于领结型金属孔径太赫兹超材料的液体增强传感系统及测量方法。包括太赫兹发射器、传感装置、太赫兹探测器和后处理系统，传感装置由领结型金属孔径太赫兹超材料和液体样品池组成，太赫兹发射器、太赫兹探测器分别设于传感装置的上方和下方，用于发射和接收太赫兹信号，后处理系统通过与太赫兹探测器连接以实时对接收到的太赫兹信号进行处理和显示；系统的测量方法为：探测空的液体样品池的太赫兹信号，探测集成不同配置的领结型金属孔径太赫兹超材料在不装载、装载待测液体样品时的太赫兹信号，计算出不同配置的领结型金属孔径太赫兹超材料的灵敏度。该系统操作方便，性能优异，传感灵敏度高，能够支持不同液体的太赫兹传感检测。

技术研发人员：黄异,林廷玲,钟舜聪,钟宇杰,曾秋铭
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/11