太赫兹波谱与成像北京市重点实验室, 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 北京成像技术高精尖创新中心, 首都师范大学物理系, 北京 100048
许多生物大分子的振动和转动能级都在太赫兹波段, 且太赫兹波具有光子能量低, 峰值功率高的特点, 因此用太赫兹技术进行检测, 能够从很大程度上保证生物分子不被破坏。 然而, 大部分的生物分子只有在水溶液中才能保持其生物活性, 且水是极性分子, 对太赫兹波有强烈的吸收, 因此使用常规的太赫兹技术检测水溶液中生物样品的特性存在一定困难。 设计了一种具有夹层结构的太赫兹微流控芯片, 包含基片、 盖片和微通道层, 基片和盖片用环烯烃共聚物(COC)和有机玻璃(PMMA)作为材料。 COC材料对太赫兹波具有高透性, 并且对可见光透明, 是制作太赫兹微流控芯片的理想材料, 但是价格昂贵且不易获得。 为了减少COC的用量, 将COC嵌入到基片和盖片的PMMA中, 保证太赫兹波能从COC中穿过。 COC的直径为5 mm, 厚度与PMMA材料一致, 都为2 mm, 与微通道中心对准。 选用厚度为50 μm的强粘性双面胶作为微通道层, 将双面胶的中心进行镂空处理作为微通道, 其长为3 cm, 宽为4 mm。 基片、 盖片和微通道层紧密粘合在一起构成太赫兹微流控芯片, 太赫兹探测区直径为4 mm。 将微流控技术与太赫兹技术相结合, 减少了样品的消耗量, 缩短了太赫兹波与样品的作用距离, 为液态样品的检测提供了可能。 研究发现, 水对太赫兹波的强烈吸收主要是由于水中氢键引起的, 而电解质溶液会对水溶液中的氢键产生影响。 以电解质溶液为研究对象, 分别配置了不同浓度的KCl, K2SO4, CuCl2和CuSO4溶液, 利用太赫兹微流控技术研究了它们的太赫兹透射谱。 结果表明: 四种电解质溶液的太赫兹透射强度都低于纯去离子水的透射强度, 但实验现象也有差别, CuCl2溶液随浓度增加, 太赫兹透射强度增加, 而KCl, K2SO4和CuSO4溶液则随着浓度的增加, 太赫兹透射强度减小。
太赫兹 微流控芯片 电解质 氢键 透射强度 Terahertz Microfluidic chip Electrolyte Hydrogen bond Transmission strength 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2018
太赫兹光电子学教育部重点实验室, 太赫兹波谱与成像北京市重点实验室,北京成像理论与技术高精尖创新中心, 首都师范大学物理系, 北京 100048
许多生物分子自身的转动、 振动或分子团的整体振动模式都位于太赫兹波段内, 因此可以利用太赫兹光谱技术对生物分子进行检测。 同时又由于太赫兹波的光子能量仅为毫电子伏量级, 不会对分子的内部结构造成破坏, 所以太赫兹时域光谱技术在生物检测方面具有良好的应用前景。 众所周知, 绝大多数的生物分子只有在液体条件下才能发挥其生物活性, 所以研究液体环境下生物分子之间的相互作用就非常必要。 然而水分子的转动模式、 振动模式以及和氢键有关的能量均处于太赫兹波段, 从而对其产生强烈的吸收; 另外, 水分子为极性分子, 而极性分子对太赫兹波有强烈的共振吸收, 这就使利用太赫兹技术对生物分子活性进行动态表征产生了困难。 因此在研究溶液中的生物分子与太赫兹波的相互作用时, 最大限度地减小水分子对太赫兹波的吸收就成为近年来的研究热点。 目前, 减少水对太赫兹波吸收的主要方法有: 在溶液样品中加入抑制氢键缔合的离子来减小水对太赫兹的吸收; 通过改变溶液的温度来调节水对太赫兹的吸收; 利用微流控芯片技术, 通过减小被测样品与太赫兹波的作用距离来减小水对太赫兹波的吸收。 另外, 激光的激励、 电场或磁场的处理, 也能改变水对太赫兹波的吸收, 将盛有去离子水的微流控芯片放于电场中, 研究经电场处理不同时间的去离子水对太赫兹吸收强度的影响。 结果发现, 太赫兹波的透射强度随着去离子水在电场当中静置时间的增加而增强, 当在电场中静置60 min时, 太赫兹的频谱强度达到最大, 与空气的频谱强度接近。 由此可以推断外加电场使水分子的偶极矩发生了变化, 从而对整体水分子的振动和转动产生了影响, 并且改变了水中的氢键结构, 导致了太赫兹透射光谱强度的增强。
太赫兹 微流控芯片 去离子水 电场 吸收特性 Terahertz Microfluidic chip Deionized water Electric field Absorption characteristics 光谱学与光谱分析
2021, 41(6): 1683
首都师范大学物理系, 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 太赫兹波谱与成像北京市重点实验室,北京成像理论与技术高精尖创新中心, 北京 100048
很多生物大分子的特征振动模式和转动模式都位于太赫兹波段范围内, 且太赫兹波的低电子能特性使其在实验过程中不会对待测样品造成破坏, 所以可以采用太赫兹技术来鉴别生物样品。 在许多研究中, 生物样品都是溶液状态, 溶液中水和其他分子之间的相互作用涉及很多生物现象, 所以研究水的太赫兹特性就显得至关重要。 众所周知, 水分子是十分常见的极性分子, 分子间氢键会与太赫兹波发生强烈的相互作用, 从而使得水对太赫兹波有很强的吸收作用, 导致利用太赫兹技术研究水溶液中生物样品的动态特性变得相当困难。 为了解决这一难题, 可以引入微流控技术。 微流控技术以能精确操控微尺度流体而著称, 其沟道深度可以达到50μm甚至更小。 由于微流控技术减小了太赫兹波在流体中的传播距离, 从而极大地减小了水对太赫兹波的吸收。 本研究采用对太赫兹波具有高透过率的Zeonor 1420R材料制成了夹心式微流控芯片, 芯片上微沟道的长度、 宽度和深度分别为3 cm, 4 mm和50 μm, 太赫兹探测区的直径为3 mm。 在制作微流控芯片时, 利用厚度为50μm的强黏性双面胶代替传统夹心式微流控芯片中的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜, 使微流控芯片在加热过程中不再有漏液现象。 另外, 设计了一个温控系统, 它由加热片、 温度传感器和温控仪构成, 该温控系统能够以0.1 ℃的精度控制温度。 利用该系统对微流控芯片中的去离子水进行加热, 从20～90 ℃每隔5 ℃进行一次太赫兹透射测量, 通过对实验数据的分析, 发现随着温度升高, 水的太赫兹透过率不断减小, 说明水对太赫兹波的吸收随着温度的升高而变大。 此结果为未来在不同环境温度下利用微流控技术研究液态样品的太赫兹吸收特性提供了先决条件, 为未来太赫兹的应用与发展提供技术支持。
太赫兹 去离子水 微流控芯片 温度 吸收特性 Terahertz Deionized water Microfluidic chip Temperature Absorption characteristics 光谱学与光谱分析
2021, 41(6): 1678
1 光电控制技术重点实验室, 河南 洛阳 471000
2 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所, 河南 洛阳 471000
3 电子科技大学信息与通信工程学院, 成都 611731
平视视景系统(HVS)融合了增强视景系统(EVS)和合成视景系统(SVS), 在飞机近陆运行阶段, 为飞行员提供实时外景信息, 提高飞行安全。提出了一种用于HVS的图像融合方法: 首先将源图像进行拉普拉斯金字塔变换, 然后对高频层采用绝对值取大的方法进行融合, 低频层采用区域能量与改进的区域平均梯度相结合的方法进行融合, 最后进行拉普拉斯反变换得到最终融合图像。实验表明该方法用于EVS与SVS图像的融合时具有良好的融合效果。
图像融合 拉普拉斯金字塔 区域能量 image fusion Laplacian pyramid local energy
