微流控-超材料集成多带太赫兹传感器

设计了一种新型的微流控-超材料集成多带太赫兹传感器。模拟了该传感器在探测不同摩尔分数乙醇水溶液时的反射谱。结果表明,随着乙醇摩尔分数的升高,反射谱中四个共振峰的反射率逐渐减小,而峰位逐渐蓝移。分析了传感器共振峰的频率和反射率与乙醇摩尔分数的定量关系,并将其应用于乙醇水溶液的摩尔分数检测中。利用高频处的三个共振峰进行摩尔分数预测,其预测结果误差小于1%。以上结果有助于促进太赫兹时域光谱技术在快速、微量和实时的物质鉴定和生物传感中的应用。     

基于双开口环型的太赫兹超材料传感器设计

设计了一款可用于检测材料折射率及厚度的双开口环型太赫兹超材料传感器,其结构由双开口方环与圆环嵌套的超材料结构和聚酰亚胺衬底两部分构成.当太赫兹波垂直入射超材料表面时,该传感器结构在0.8～1.8 THz范围内形成三个高Q值谐振峰(中心频率分别为f1,f2和f3).通过探讨超材料结构表面电流分布与三个谐振峰形成的关系,观察到超材料结构对入射太赫兹波的不同响应特性导致产生不同的表面电流分布.此外,还对该传感器在折射率传感和厚度传感方面的应用进行了探究.在待测物厚度一定的情况下,该传感器在谐振频率f1,f2和f3处的传感灵敏度分别可达170,103和119 GHz/RIU,均具有优越的传感特性,可利用其多谐振峰进行高灵敏度折射率传感.这种高灵敏度的多谐振峰折射率传感器可以检测到待测分析物的微小变化,在生物化学检测领域具有广阔的应用前景.     

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。     

基于太赫兹超材料的微流体折射率传感器

设计加工了一种太赫兹超材料微流体传感器件,利用时域有限差分法（Finite Difference Time Domain,FDTD）对其在太赫兹波段的传输、谐振及传感特性进行数值模拟。采用太赫兹时域光谱系统实验研究了偏振方向对传感器灵敏度的影响。实验结果表明,当超材料谐振环开口方向与入射太赫兹波的偏振方向平行和垂直时,折射率传感灵敏度可分别达到39.29 GHz/RIU和74.43 GHz/RIU。通过等效电路模型对该超材料器件的传输和谐振特性做了分析,并进一步明确了其传感机制。该超材料器件可对微量液体（5 l/mm2）实现芯片式的折射率传感,具有较高的传感灵敏度,在化学生物传感器的设计和制造领域具有潜在的应用前景。     

各向异性超材料中太赫兹波的偏振转换

各向异性超材料可以控制太赫兹波的偏振态,实现入射太赫兹波的偏振转换。为了获得非手性各向异性超材料的透射响应与本征偏振复透射系数的关系及其入射偏振依赖性,在太赫兹时域光谱系统中测量了等臂长L形结构超材料在不同偏振角下的正入射透射谱,获得并分析了透射太赫兹波的偏振转换率和偏振态,所得结果与基于琼斯矩阵和坐标变换计算的结果一致。在0.7 THz~1.3 THz频率范围内可实现约20%的偏振态能量转换效率。在L结构和双L结构的偏振转换透射谱中分别观察到了宽带响应和多频共振响应,表明结构改变对太赫兹波透过特性的敏感性和可操控性。所得到的结果可用于太赫兹功能器件的设计、表征和优化。     

光调制超材料及其传感应用

研究了一种太赫兹光调制超材料传感器。该器件由金属-半导体复合结构（开口谐振环（SRR））和柔性聚酰亚胺衬底组成。光敏硅材料填充在器件上方的两个开口处。模拟结果表明,通过改变外激励泵浦光的功率,光敏硅的电导率发生改变,从而实现对复合超材料结构谐振峰的调制。进一步分析该结构在谐振频率下的电场和表面电流密度分布情况,讨论了其物理机制。此外,随着待测溶液（氯化钙）浓度变化,传感器谐振峰发生红移,其灵敏度为11.4 GHz/M。该器件可作为太赫兹波段液体传感器使用。     

光调制超材料及其传感应用（英文）

研究了一种太赫兹光调制超材料传感器。该器件由金属-半导体复合结构(开口谐振环(SRR))和柔性聚酰亚胺衬底组成。光敏硅材料填充在器件上方的两个开口处。模拟结果表明,通过改变外激励泵浦光的功率,光敏硅的电导率发生改变,从而实现对复合超材料结构谐振峰的调制。进一步分析该结构在谐振频率下的电场和表面电流密度分布情况,讨论了其物理机制。此外,随着待测溶液(氯化钙)浓度变化,传感器谐振峰发生红移,其灵敏度为11.4 GHz/M。该器件可作为太赫兹波段液体传感器使用。     

结构对太赫兹超材料光调控特性的影响

利用光泵浦太赫兹探测系统研究了3个基于开口谐振环的超材料的光调制性质。结果表明:当太赫兹波的电场矢量平行于超材料底边,设计太赫兹超材料时,需要避免对称性样品的中间条等长。然而,非对称性的样品存在耦合和劈裂现象。由于不同的共振机制,低频LC共振对光较为敏感。虽然样品由于设计结构的区别使得各自共振峰位有所不同,但它们对光所呈现出的调制特性是相同的。即当太赫兹波的电场矢量平行于超材料两侧的边时,由于结构的原因在透射谱中只有一个透射凹陷,此透射凹陷表现为偶极共振且该偶极共振特性对光激励不敏感。     

一种基于THz-TDS技术用于食品添加剂高灵敏度区分的超材料传感器

论文提出了一种用于食品工业中常用添加剂（肌醇、亮氨酸、牛磺酸）高灵敏度区分的太赫兹超材料传感器。该传感器由带有双尖端的开口谐振环（Split Ring Resonator, SRR）阵列组成。液体样品的不同浓度和种类对应于传感器不同的频率偏移,可以被用于液体样品浓度和种类的区分和辨别。该超材料传感器使用微纳工艺制作在对太赫兹波透明的石英基板上。利用太赫兹时域光谱仪（THz-TDS）系统分别测量了浓度为0.2、0.4、1.5、2、3和4 mg/ml的液体样品。结果表明,所提出的超材料传感器能检测的最低样品浓度为0.2 mg/ml。同时,该传感器也可以实现相同浓度,不同种类液体样品的辨别。该研究为基于开口谐振环结构的太赫兹超材料传感器在食品安全领域的应用提供了新的参考。     

高灵敏检测传感芯片应用于脑胶质瘤疾病检测

太赫兹波因其指纹谱识别和无损探测等特性可被应用于物质的快速定性与定量识别。现阶段太赫兹技术方法对物质含量检测的下限在毫克量级,然而实际生物医学样本中待测物的浓度通常在微克量级甚至以下,现有方法限制了其检测灵敏度和可行性。研究中以脑胶质瘤里的特异性物质肌醇(MI)和γ-氨基丁酸(GABA)为例,基于电容电感效应,设计了一款增强太赫兹检测灵敏度的超材料芯片。然后通过测试MI和GABA在不同浓度下的太赫兹光谱,证明其各自随着浓度的变化,芯片谐振峰频移呈现不同的规律,从而进行有效的定性识别,且对于MI和GABA的已知样品,可以根据频移规律实现定量分析。根据实验数据计算可得,所设计的芯片对这两种样品含量检测下限分别为3.457 μg和2.552 μg,与传统压片法的检测极限相比提高了三个数量级。这些结果对后期生物医学中定性和定量检测疾病的微量特异性物质具有重要参考价值。     

葡萄糖溶液的太赫兹光谱观察

生物有机分子的生物功能必须在其水溶液中实现。太赫兹波对水非常敏感,太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术能够检测生物分子——水分子界面的集体水分子网络动力学变化,是检测和研究生物有机分子溶液的理想工具。本文利用太赫兹时域光谱技术研究了葡萄糖的分子结构,获得葡萄糖及其不同浓度的溶液在室温氮气环境下的太赫兹时域吸收光谱,以及在室温真空环境下的傅里叶远红外光谱(FTFIR)。结果表明葡萄糖溶液对太赫兹波有特征吸收峰,不同浓度的葡萄糖溶液对太赫兹波的吸收各不相同。故使用太赫兹时域光谱技术能够完成葡萄糖及其不同浓度溶液的鉴别。     

基于石墨烯狄拉克点调控和电磁诱导透明的超灵敏太赫兹生物传感器

提出一种由石墨烯和金属铝构成的复合结构的太赫兹超表面生物传感器。超表面由金属铝结构形成类电磁诱导透明谐振，并在铝结构表面通过湿法转移一层石墨烯。通过对石墨烯掺杂蚕丝蛋白来改变石墨烯费米能级，从而改变传感器透射光谱的振幅。实验结果表明，该传感器的检测极限可以达到0.35 ng/mL。利用石墨烯狄拉克点的电磁波调控特性和耦合模型对传感器的工作原理进行分析。在生物医学领域，该生物传感器为微量蛋白的高灵敏检测提供了一种方法。     

太赫兹表面等离激元共振传感器探讨

太赫兹表面等离激元共振传感器,在生物科学以及医学领域中的应用比较广泛,本文主要通过对于经过棱镜耦合的太赫兹表面等离激元共振传感器工作特性的分析,实现对于太赫兹表面等离激元共振传感器的分析探讨。     

基于太赫兹人工超材料的带阻滤波器

鉴于太赫兹辐射的特殊性,其难以与自然界中多数材料发生电磁相互作用,导致太赫兹功能器件匮乏。人工超材料通过人工设计结构单元的周期排列组合,可实现太赫兹波段电磁响应的调控。本文设计一种由二氧化硅衬底上的单层金属方形谐振环结构构成的太赫兹带阻人工超材料,具有窄带宽、深带阻特性、偏振不敏感特性,通过近场电场和表面电流分析,带阻共振特性源于谐振环结构的电偶极共振。该设计结构简单,易于制备,在太赫兹调制器件、太赫兹通信、光电探测等领域具有应用价值。     

基于太赫兹时域光谱技术的水蒸气传输特性研究

为了评估太赫兹波在空间通信、雷达、遥感等方面的潜在应用,需要研究太赫兹波在大气中的传输特性。由于0.1～2 THz的太赫兹波在大气中传输的主要衰减来自水蒸气,采用太赫兹时域光谱技术(THz Time-Domain Spectroscopy,THz-TDS),在2 m长的太赫兹传输行程中对不同湿度的空气进行了透射光谱测量,获得了水蒸气在0.1～2THz频率范围内的吸收谱、传输率和弱衰减窗口。     

基于太赫兹时域光谱的壁画信息提取的可行性研究

采用太赫兹时域光谱技术对传统中国壁画的部分制作流程进行了分析,获得了壁画制作每个流程的太赫兹时域反射谱。研究了传统中国壁画在0.2～1.0 THz频率范围内的太赫兹光谱特性,得到了其在室温环境下的太赫兹吸收谱和折射率。结果表明,各样品的折射率平均值和吸收系数的峰值频率差异显著。研究结果能为太赫兹时域光谱技术在壁画信息提取领域的应用提供参考。     

氨基酸的太赫兹光谱研究进展

太赫兹(THz)波是指频率从0.1到10 THz之间的电磁波。氨基酸分子间的振动模式(扭转,集体振动和氢键)大都处于THz波段,相比红外,氨基酸在THz波段体现出很多独特的吸收特征。因此对氨基酸的太赫兹光谱进行研究,有利于更全面地认识氨基酸的生物特性,也为进一步研究生物大分子蛋白质提供了借鉴。本文系统分析了太赫兹时域光谱技术在氨基酸领域应用的研究进展,总结了包括氨基酸的鉴定与识别、太赫兹指纹谱数据库的建立、振动模式指认及理论模型构建、太赫兹光谱与温度相关性以及基于THz光谱的定量分析等5个方面的研究内容。依据大量前人的研究成果,总结了20种基本氨基酸在0~6 THz的指纹谱数据库,针对当前的研究现状,提出了氨基酸太赫兹光谱研究方面仍存在的问题,为今后的研究工作提供了重要的指导价值。     

太赫兹波在谐振环多层超材料传输特性的研究

利用时域有限积分法研究了太赫兹波在谐振环多层超材料的传输特性。结果表明,对于尺寸相同的谐振环构成多层超材料,超材料从1层变化到5层时,在共振频率0.80 THz处,谐振谷值从-17 dB～-44 dB,共振明显比单层强很多。对于不同尺寸谐振环构成多层超材料,共振频谱带宽明显增强,半高全宽从0.08 THz变化到0.26 THz。结果表明,多层超材料具有比单层更好的太赫兹波特性,这些传输特性为太赫兹波滤波器、吸收器及偏振器等器件设计具有重要价值。     

可用于农药传感的多带太赫兹超材料吸收器

多带太赫兹超材料吸收器是响应、操纵和调制太赫兹波的重要光子元件。本文基于周期性分裂环谐振器结构构建了一种多带太赫兹超材料吸收器。模拟和实验测试显示,在横磁(TM)极化情况下该超材料吸收器对0.918 THz和1.581 THz处的入射太赫兹波呈现出近似完美吸收。进一步,基于器件共振吸收峰的介电敏感特性,研究了负载不同浓度的多菌灵、三环唑、百草枯、塞苯隆4种农药溶液后超材料吸收器的传感性能,获得器件对4种农药的检测灵敏度分别为：1.06 GHz/ppm、0.65 GHz/ppm、0.67 GHz/ppm、2.07 GHz/ppm。结果表明该器件可实现对微量农药的传感检测,为今后食品质量安全控制提供了新的思路。     

基于激光成丝的太赫兹时域光谱系统研究综述

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术是一种使用相干探测的频谱分析手段。THz-TDS系统集太赫兹波发射器与探测器于一体,通过相干探测,可以同时获取太赫兹脉冲的电场强度和相位信息,广泛用于生物、材料、安检等领域。超快激光成丝产生太赫兹波是当前产生宽频谱、高强度太赫兹辐射的一个重要途径。文章详细介绍了超快激光成丝辐射太赫兹波的主流物理机制以及增强、调控太赫兹波的主要方法,阐述了基于激光成丝的THz-TDS系统的探测原理和探测手段。