1 东莞理工学院电子信息与智能化学院, 广东 东莞 523808
2 华南师范大学信息光电子技术学院, 广东 广州, 510631
3 中国科学院化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室, 北京 100190
利用太赫兹时域光谱技术 (THz-TDS)对柠檬酸锌二水合物晶体及其失水动力学进行准确、无标记检测。实验结果表明, 室温下柠檬酸锌二水合物有 2个明显的吸收峰: 一个主峰在 1.91 THz, 一个次峰在 1.77 THz。随着温度升高, 柠檬酸锌二水合物吸收主峰强度不断减少, 直至消失。根据柠檬酸锌二水合物在 1.91 THz处的特征吸收峰面积在不同温度、不同加热时间的变化关系, 利用阿伦尼乌斯方程得到柠檬酸锌二水合物转变成无水合物的焓变为 381.13 J/g(232.6 kJ/mol), 与传统差示扫描量热法(DSC)相比测量误差为 4.2%。这些结果表明, THz-TDS可以提供一种快速、有效的结晶水合物焓变检测方法。
太赫兹光谱 柠檬酸锌二水合物 失水动力学 吸收峰 焓变 Terahertz spectroscopy Zinc Citrate dihydrate dehydration kinetics absorption peak enthalpy change 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(2): 150
1 广东工业大学信息工程学院, 广东广州 510006
2 东莞理工学院电子工程与智能化学院, 广东东莞 523808
3 上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
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。
太赫兹 超材料 生物检测 传感 terahertz metamaterials biological detection sensor 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(11): 1113
1 东莞理工学院电子工程与智能化学院, 广东 东莞 523808
2 华南理工大学物理与光电工程学院, 广东 广州 510641
3 生态环境部对外合作与交流中心, 北京 100035
聚醚醚酮(PEEK)由于其耐热、 耐腐蚀、 耐辐照、 抗疲劳、 电绝缘性等优良性能, 在许多领域可以代替金属、 陶瓷等传统材料而得到广泛应用。 特别是随着5G技术的发展和应用, PEEK已经成为5G热门材料。 在PEEK材料实际应用中, 温度的影响是一个非常重要和关键的因素。 主要研究了PEEK太赫兹光谱以及温度对PEEK太赫兹光谱特性的影响。 通过利用太赫兹透射光谱技术, 同时结合控温装置, 在温度从25~300 ℃均匀上升过程中, 每间隔5 ℃测试得到PEEK片状样品的太赫兹时域光谱数据, 利用光学参数提取算法可以得到PEEK的吸收系数、 介电常数等光学参数, 进一步得到特定频率下光学常数随温度的变化趋势, 从而对材料进行表征和分析。 在0.5~4 THz有效光谱范围内, 实验结果表明, 在常温(25 ℃)下, PEEK在3.5 THz具有一个明显的特征吸收峰。 在25~300 ℃这个温度范围内, 在1 THz频率下, PEEK的吸收系数、 介电常数相对于室温分别有4.38%和5.0%的波动, 同时PEEK在常温下在1 THz的介电损耗正切值为2.5×10-3, 相比于PMMA和PE等高分子材料, PEEK的介电损耗正切值要低得多, 且在升温过程保持相对稳定, 表明PEEK在太赫兹频段的光谱特性具有很好的热稳定性和较低的介电损耗。 研究结果表明, 太赫兹光谱技术可以结合温控装置, 通过材料的光学参数对高分子材料热稳定性进行研究和表征, 同时还可以得到材料在不同温度下的介电性质。 太赫兹光谱技术具有快速、 高效、 无标记、 无损伤等优势, 只需要压片就可以对固体样品进行测试, 对于研究材料内部缺陷、 稳定性以及材料的鉴别等具有很好的研究意义。 同时本实验的测试数据可以为PEEK材料在不同温度下5G和6G等高频通信应用提供参考。
太赫兹 吸收系数 介电常数 热稳定性 PEEK Terahertz Absorption coefficient Dielectric constant Thermal stability PEEK 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3347
1 中国科学院重庆绿色智能技术研究院, 重庆市跨尺度制造重点实验室, 重庆 400714
2 中国科学院大学, 北京 100049
核酸分子碱基的光谱特征分析对生物遗传学研究具有重要意义。 探讨太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术和拉曼光谱（Raman spectroscopy）技术用于DNA和RNA碱基和稀有碱基的光谱检测的可行性。 分析了7种固体核酸碱基的太赫兹振动光谱和拉曼光谱, 对THz-TDS技术和拉曼光谱技术进行了对比研究。 实验结果表明, 在THz-TDS实验中, 胞嘧啶（cytosine, C)、 鸟嘌呤（guanine, G）、 腺嘌呤（adenine, A）、 胸腺嘧啶（thymine, T, DNA专有）和尿嘧啶（uracil, U, RNA专有）和稀有碱基［5-甲基胞嘧啶, 5-methylcytosine (m5C)、 1-甲基腺嘌呤, 1-methyladenine (m1A)］在0.2～2.0 THz频段内特征吸收峰和吸收强度差异显著, 可以直观地识别出7种碱基的差异; 拉曼光谱中, 7种碱基也表现出很多明显的不同特征峰, 而正是由于拉曼光谱的特征峰杂而多, 故不能直观的识别多种物质。 且其吸收强度的差异与粉末的厚度, 粒度和光聚焦的深度有关, 样品的荧光还会给拉曼光谱带来干扰, 同时激光还可能会损伤生物样品。 这说明此两种技术均能够识别7种常见和稀有碱基, THz-TDS技术在识别这7种碱基的能力上优于拉曼光谱技术, 表现出较为简洁, 快速和无损的检测性能。 THz-TDS技术不仅为DNA和RNA碱基和稀有碱基的识别提供了一种快速和准确的检测方法, 也为生物遗传学研究奠定实验基础。
碱基 稀有碱基 太赫兹时域光谱 拉曼光谱 Base Rare base Terahertz spectroscopy Raman spectroscopy 光谱学与光谱分析
2020, 40(8): 2388
1 河南工业大学粮油食品学院, 河南 郑州 450001
2 中国科学院重庆绿色智能技术研究院, 太赫兹技术研究中心, 跨尺度制造技术重庆市重点实验室, 重庆 400714
3 内蒙古农业大学生命科学学院, 内蒙古 呼和浩特 010018
4 中国科学院重庆绿色智能技术研究院, 单分子精准医疗研究中心, 跨尺度制造技术重庆市重点实验室, 重庆 400714
研究太赫兹时域光谱(Terahertz Time-domain Spectroscopy, THz-TDS)技术和红外光谱技术用于硫酸软骨素掺假鉴定的可行性. 将六偏磷酸钠混入鲨鱼硫酸软骨素中的样品作为掺假研究对象, 利用上述两种技术对样品进行对比研究. 研究发现, THz光谱和红外光谱谱图中六偏磷酸钠标样、鲨鱼硫酸软骨素标样与掺假(混合)样品谱线均表现出较明显的差异, 可用于鉴别鲨鱼硫酸软骨素的六偏磷酸钠掺假. 实验结果表明, 此两种技术能够鉴别的六偏磷酸钠: 鲨鱼硫酸软骨素最低质量比分别为1: 15和1: 1, THz-TDS表现出较为灵敏的检测性能; 综合考虑, THz-TDS技术可以比较好的用于鲨鱼硫酸软骨素的六偏磷酸钠掺假检测. 本工作为发展一种基于THz-TDS技术的准确、快速和无损鉴别鲨鱼硫酸软骨素掺假的新型光谱技术奠定了前期实验基础.
光谱检测 硫酸软骨素 六偏磷酸钠 食品掺假鉴定 spectroscopic detection chondroitin sulfate sodium hexametaphosphate food adulteration inspection
1 吉林大学仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春 130061
2 中国科学院重庆绿色智能技术研究院, 太赫兹技术研究中心, 跨尺度制造技术重庆市重点实验室, 重庆 400714
骨关节炎是主要由软骨组织损伤与退化引起的常见关节疾病, 是影响人类健康的重大疾病之一, 对于关节软骨组织早期病变的检测可以大大提高疾病的治愈率, 然而相关的临床诊断技术尚未发现。 近年来, 太赫兹技术在医学领域日益受到关注。 与传统方法相比, 太赫兹辐射能量低, 不会产生电离辐射, 可高灵敏、 无损伤地对生物组织进行成像检测, 因此在关节软骨诊断方面具有较大的应用潜力。 本文简要介绍了关节软骨的生理与病理情况以及目前关节软骨检测的主要方法, 重点总结了太赫兹技术应用于关节软骨检测方面的相关研究工作, 分别包括对动物与人类关节软骨的检测, 探讨了太赫兹技术在关节软骨检测中所面临的挑战与未来研究展望。
关节软骨 太赫兹光谱分析 太赫兹成像 医学诊断 Articular cartilage Terahertz spectroscopic analysis Terahertz imaging Medical diagnosis 光谱学与光谱分析
2016, 36(7): 2031
1 长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春 130022
2 中国科学院重庆绿色智能技术研究院太赫兹技术研究中心跨尺度制造技术重点实验室, 重庆 400714
太赫兹时域光谱(THz time-domain spectroscopy, THz-TDS)技术是一种非常有效的相干探测技术, 具有信噪比高, 探测带宽, 可在室温下工作, 可进行时间分辨测量等特点, 广泛应用于材料、 化学、 生物、 安检等领域。 较早时期的THz-TDS系统受限于太赫兹辐射源的带宽和光谱探测手段, 测量范围有限(<5 THz), 较高频段的光谱信息无法得到。 为了进一步扩大太赫兹时域光谱探测技术的应用范围, 迫切需要发展超宽带(≥10 THz)的太赫兹时域光谱探测技术。 本文回顾了太赫兹时域光谱探测技术的发展进程, 综述了实现超宽带太赫兹时域光谱探测的主要技术方法, 展示了不同测量方法的典型实验方案, 同时总结了不同探测方法的优缺点, 并追踪了主要研究小组的前沿成果以及最新的应用进展。
太赫兹光谱 太赫兹探测 超宽带 Terahertz spectroscopy Terahertz detection Ultra-broadband 光谱学与光谱分析
2016, 36(5): 1277
1 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 重庆市跨尺度制造技术重点实验室,重庆 400714
2 吉林大学 仪器科学与电气工程学院,吉林 长春 130061
基于扫描探针显微镜的近场超空间分辨指纹光谱技术在分子识别及组分鉴别方面具有极大的应用前景.扫描探针显微技术与不同的光谱联合使用,发展出了不同的具有纳米级分辨的指纹光谱技术,其中包括针尖增强拉曼散射光谱技术、纳米级分辨率的傅里叶变换红外光谱技术及散射式的扫描近场太赫兹光谱技术.这三种散射式的扫描近场光学显微技术在实现方式上有所不同,在近场指纹识别方面可以相互补充.该综述主要对三种近场超空间分辨指纹光谱技术的特点进行了深入地分析和比较,并且对这三种技术的研究现状及应用进行了总结.
分子指纹识别 针尖增强拉曼散射 纳米级分辨率的傅里叶变换红外光谱 散射式的扫描近场太赫兹光谱 生物医学 molecule fingerprint identification TERS Nano-FTIR S-SNTS biomedicine
中国科学院重庆绿色智能技术研究院，跨尺度制造技术重庆市重点实验室，重庆 400714
光波波段的生化传感器件已很常见且可实现单分子探测，但由于光波波长在纳米量级，制作出的器件的结构尺寸小、加工难度大、传感重复性较差。因此，本文提出一种亚波长金属块阵列结构的太赫兹(Terahertz, THz)传感芯片，在理论上基于法布里-珀罗(FP)共振建立了其传感模型，结合有限元方法分析了亚波长金属结构局域表面等离子体共振对其传感灵敏度的影响规律。然后采用正交光刻工艺制作出了结构均一的传感芯片，传感实验表明，该芯片对0.025 mol/L 的D(+)-葡萄糖水溶液可产生53 GHz 的频移量，传感灵敏度高，有望应用于高灵敏的太赫兹生物传感。
亚波长金属结构 正交光刻 太赫兹 传感 sub-wavelength metal arrays orthogonal lithography terahertz sensing
1 长春理工大学 电子信息工程学院, 国家纳米操纵与制造国际联合研究中心, 长春, 130022
2 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 跨尺度制造技术重点实验室, 重庆, 400714
3 首都师范大学物理系 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 北京, 100048
以硬质硅片作为承载体, 在其表面合成性质可控的聚合物薄膜, 利用光刻工艺制作微结构, 将薄膜与硅片剥离, 获得在柔性衬底上大面积均匀的太赫兹器件.以聚酰亚胺薄膜为衬底的太赫兹偏振片的测试结果表明: 在0.1 THz处, 器件的偏振消光比可达到50 dB, 在0.1~2 THz范围内偏振方向的平均透过率高达89.78%, 偏振度大于99.84%, 在42.3 mm直径的区域内, 其偏振均匀性好, 达到实用化要求.
太赫兹波 偏振片 光刻 聚合物薄膜 光栅 大面积 偏振 terahertz waves polarizers lithography polymer films gratings large area polarization
