【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及太赫茲光譜測試領域，具體涉及抑制水背景的可控溫冷凍太赫茲時域光譜系統。
技術介紹
1、上世紀80年代以來，得益于半導體技術和超短激光脈沖技術的高速發展，太赫茲技術蓬勃興起，逐漸在光譜分析[1]、無損檢測[2]、通信[3]、國防安全[4]、功能器件[5]、生物醫療[6]等領域展現出了廣闊的應用前景。由于偶極子轉動、分子低頻振動、氫鍵振動、晶格振動等分子運動模式與太赫茲波段重疊[7]，因此太赫茲技術被廣泛用于無機物質或生物材料的結構、動力學等性質的研究[8,9]，以提供其他波段不具備的信息。它可以檢測到如氨基酸、脫氧核糖核酸(dna)、糖類等分子中大量旋轉與振動躍遷的運動模式[10-12]；且基于偶極轉動、氫鍵振動等模式對水的躍遷動力學的影響，它對水與溶質(如離子、有機分子等)的相互作用很敏感[13-15]。另外，太赫茲輻射的極低能量使其對具有生物活性的樣品能達到無損檢測的效果[16]。基于以上這些優勢，太赫茲光譜和成像已在探索生命進程領域發展成為有效的技術，如用于檢測生物分子水溶液及生物細胞[17-19]，分析水和離子水合作用的結構和動力學[14,15]，用于根據水含量區分腫瘤和健康細胞[20]，以及用于評估組織中是否存在某種損傷[21]。
2、總體看來，在對于生物樣品的研究中，一方面水對太赫茲輻射的靈敏響應使得一系列的分析成為可能；而另一方面，它卻在同時因為強烈的太赫茲吸收和由氫鍵導致的光譜展寬而幾乎完全掩蓋了所感興趣的溶質分子的太赫茲特征[22]。為了減少這種背景干擾，研究人員們提出了多種多樣的解決方
3、冰在太赫茲波段的吸收很弱[28]，因此利用冷凍的手段研究含水生物樣品可大幅度消除水背景的干擾，實現對于目標溶質吸收特性的簡單提取。本專利技術旨在借助降溫設備搭建一套可控溫的冷凍時域太赫茲光譜系統，以期在生物樣品的太赫茲研究中直接獲得來自溶質本身的信息，且為低溫下生命過程的研究提供一個獨特視角。
技術實現思路
1、為克服現有技術的不足，本專利技術旨在實現準確觀察目標分子或離子的特征吸收以及不同冷凍狀態之間的特征差異。為此，本專利技術采取的技術方案是，抑制水背景的可控溫冷凍太赫茲時域光譜系統，包括基于光電導天線的空間光太赫茲時域光譜系統、冷凍控溫模塊和液體樣品池三部分，空間光太赫茲時域光譜系統產生的太赫茲光經光電導天線的發射天線投射到置于冷凍控溫模塊內樣品池中的液體樣品并與之產生相互作用，攜帶樣品信息，再投射到光電導天線的探測天線，經采樣輸入到計算機。
2、基于光電導天線的空間光太赫茲時域光譜系統中，使用飛秒振蕩級激光器為光源，產生的飛秒激光經過分束器后分為泵浦光和探測光，泵浦光先經過衰減片、再經透鏡聚焦在由砷化鎵基底和一對平行金納米電極組成的發射天線上，激發光生載流子；載流子在方波偏壓驅動下做加速運動，輻射出太赫茲波信號；太赫茲信號經硅透鏡的收集以及兩個離軸拋面鏡的準直與聚焦后與待測樣品產生相互作用，攜帶樣品信息，之后再經兩個離軸拋面鏡的準直與聚焦以及硅透鏡的收集后形成直接打在探測電線的天線結上的太赫茲電場；探測光依次經過衰減片與機械延遲線，再經透鏡聚焦于探測天線的天線結上，并激發光生載流子；這些光生載流子經過所述太赫茲電場的驅動加速，產生與電場強度成正比的光電流；在信號采集端，在探測天線上產生的光電流先通過電流放大器放大并轉換為電壓信號；再經過鎖相放大器將信號進一步放大并濾除噪聲，鎖相參考頻率為方波電壓源提供的頻率；鎖相放大器輸出的信號為探測天線上產生的光電流的強弱，通過該光電流強弱信息獲得樣品信息；其中使用透明亞克力板將整個太赫茲光路罩住，在飛秒激光通過處打孔。
3、其中，通過計算機控制機械延遲線的位置，進而控制探測光與太赫茲電場在探測天線上的相遇位置，以此驅動產生與該位置處的太赫茲電場強度成正比的光電流，通過檢測探測天線上的光電流強度，并在移動延遲線過程中進行連續采樣，合成采樣結果以得到整個太赫茲波形。
4、計算機中，采用基于時域數據的直接識別：液固相變體現在時域中為電場強度峰值幅度的突變或隨溫度變化趨勢的改變；
5、或者采用經數據處理后基于頻域吸光度的識別：將樣品與參考時域信號分別做快速傅里葉變換，將兩者相除得到樣品的頻域太赫茲透過率，再經簡易變換得到吸光度數據。
6、冷凍控溫模塊中，制冷源采用液氮，通過低溫恒溫器、溫控儀控制溫度，高壓氮氣瓶通過氣管接在液氮杜瓦上，利用絕熱低溫傳輸管線將液氮杜瓦與恒溫器連接，保持杜瓦內壓強，通過傳輸管線閥門可控制液氮流量；恒溫器分為兩部分，上半部分從上至下分別由液氮傳輸管、排氣孔、數控接口、真空抽氣口、導冷桿組成，下半部分為密封腔，上下兩部分通過連接器固定實現密封，其中密封腔為長方體結構，四個側面分別裝有一對聚乙烯窗片和一對金剛石窗片，聚乙烯窗片為太赫茲透射測量窗口；通過金剛石窗片觀察樣品池的安裝位置，保證太赫茲波垂直通過，樣品池通過螺絲固定于導冷桿上，流入恒溫器的液氮通過熱傳導的方式給導冷桿降溫，而連接在數控接口上的控溫儀可控制導冷桿上加熱裝置的功率實現不同速度的升溫，溫度傳感器處于導冷桿的末端，與樣品池位置接近。
7、樣品池由兩部分組成，分別是用環狀烯烴聚合物制備的液體槽，以及用于固定液體槽以及傳導溫度的銅支架，取其中一側設計上下兩個空心柱實現液體樣品的裝載與排出，在銅支架頂部半圓銅翼上開孔方，并在其中一片上開孔使環狀烯烴聚合物液體槽空心柱剛好通過；用螺絲將液體槽與兩片銅支架位置固定并將其安裝到恒溫器導冷桿的底部，再將導冷桿裝入密封腔內，用連接器將恒溫器的上下兩部分固定密封，太赫茲波穿過密封腔的pe窗片后，正好聚焦于銅支架通光圓孔內的環狀烯烴聚合物液體槽上。
8、本專利技術的特點及有益效果是：
9、本專利技術將太赫茲時域光譜技術與利用冷凍研究溶液體系的手段結合，這將為許多研究工作提供一個良好的實驗平臺，具有廣闊的應用前景。例如，基于太赫茲波對同一物質在固態和液態下極大的光譜差異，能夠利用本系統實現具有溫度依賴性的液-固相變過程檢測，還能根據指紋特征分析固體相的成分；基于各種物質水溶液太赫茲吸收強、光譜特征不明顯的問題，可利用本系統將溶液中的水冷凍，為氨基酸、糖類、鹽類等參與生命過程溶質本身的特征吸收提供信息，甚至拓展到生物細胞冷凍的研究；另外可對一些冷凍狀態下的藥物制劑進行檢測從而篩選藥物晶型，或通過研究冷凍狀態下的藥物水化推測藥物作用機制。
10、其次是適用于該系統的冷凍控溫模塊的構建。制冷源采用溫度為80開爾文(k)的液氮，低本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種抑制水背景的可控溫冷凍太赫茲時域光譜系統，其特征是，包括基于光電導天線的空間光太赫茲時域光譜系統、冷凍控溫模塊和液體樣品池三部分，空間光太赫茲時域光譜系統產生的太赫茲光經光電導天線的發射天線投射到置于冷凍控溫模塊內樣品池中的液體樣品并與之產生相互作用，攜帶樣品信息，再投射到光電導天線的探測天線，經采樣輸入到計算機。
2.如權利要求1所述的抑制水背景的可控溫冷凍太赫茲時域光譜系統，其特征是，基于光電導天線的空間光太赫茲時域光譜系統中，使用飛秒振蕩級激光器為光源，產生的飛秒激光經過分束器后分為泵浦光和探測光，泵浦光先經過衰減片、再經透鏡聚焦在由砷化鎵基底和一對平行金納米電極組成的發射天線上，激發光生載流子；載流子在方波偏壓驅動下做加速運動，輻射出太赫茲波信號；太赫茲信號經硅透鏡的收集以及兩個離軸拋面鏡的準直與聚焦后與待測樣品產生相互作用，攜帶樣品信息，之后再經兩個離軸拋面鏡的準直與聚焦以及硅透鏡的收集后形成直接打在探測電線的天線結上的太赫茲電場；探測光依次經過衰減片與機械延遲線，再經透鏡聚焦于探測天線的天線結上，并激發光生載流子；這些光生載流子經過所述太赫茲電場的
3.如權利要求2所述的抑制水背景的可控溫冷凍太赫茲時域光譜系統，其特征是，其中，通過計算機控制機械延遲線的位置，進而控制探測光與太赫茲電場在探測天線上的相遇位置，以此驅動產生與該位置處的太赫茲電場強度成正比的光電流，通過檢測探測天線上的光電流強度，并在移動延遲線過程中進行連續采樣，合成采樣結果以得到整個太赫茲波形。
4.如權利要求1所述的抑制水背景的可控溫冷凍太赫茲時域光譜系統，其特征是，計算機中，采用基于時域數據的直接識別：液固相變體現在時域中為電場強度峰值幅度的突變或隨溫度變化趨勢的改變；
5.如權利要求1所述的抑制水背景的可控溫冷凍太赫茲時域光譜系統，其特征是，冷凍控溫模塊中，制冷源采用液氮，通過低溫恒溫器、溫控儀控制溫度，高壓氮氣瓶通過氣管接在液氮杜瓦上，利用絕熱低溫傳輸管線將液氮杜瓦與恒溫器連接，保持杜瓦內壓強，通過傳輸管線閥門可控制液氮流量；恒溫器分為兩部分，上半部分從上至下分別由液氮傳輸管、排氣孔、數控接口、真空抽氣口、導冷桿組成，下半部分為密封腔，上下兩部分通過連接器固定實現密封，其中密封腔為長方體結構，四個側面分別裝有一對聚乙烯窗片和一對金剛石窗片，聚乙烯窗片為太赫茲透射測量窗口；通過金剛石窗片觀察樣品池的安裝位置，保證太赫茲波垂直通過，樣品池通過螺絲固定于導冷桿上，流入恒溫器的液氮通過熱傳導的方式給導冷桿降溫，而連接在數控接口上的控溫儀可控制導冷桿上加熱裝置的功率實現不同速度的升溫，溫度傳感器處于導冷桿的末端，與樣品池位置接近。
6.如權利要求1所述的抑制水背景的可控溫冷凍太赫茲時域光譜系統，其特征是，樣品池由兩部分組成，分別是用環狀烯烴聚合物制備的液體槽，以及用于固定液體槽以及傳導溫度的銅支架，取其中一側設計上下兩個空心柱實現液體樣品的裝載與排出，在銅支架頂部半圓銅翼上開孔方，并在其中一片上開孔使環狀烯烴聚合物液體槽空心柱剛好通過；用螺絲將液體槽與兩片銅支架位置固定并將其安裝到恒溫器導冷桿的底部，再將導冷桿裝入密封腔內，用連接器將恒溫器的上下兩部分固定密封，太赫茲波穿過密封腔的PE窗片后，正好聚焦于銅支架通光圓孔內的環狀烯烴聚合物液體槽上。
...【技術特征摘要】
1.一種抑制水背景的可控溫冷凍太赫茲時域光譜系統，其特征是，包括基于光電導天線的空間光太赫茲時域光譜系統、冷凍控溫模塊和液體樣品池三部分，空間光太赫茲時域光譜系統產生的太赫茲光經光電導天線的發射天線投射到置于冷凍控溫模塊內樣品池中的液體樣品并與之產生相互作用，攜帶樣品信息，再投射到光電導天線的探測天線，經采樣輸入到計算機。
2.如權利要求1所述的抑制水背景的可控溫冷凍太赫茲時域光譜系統，其特征是，基于光電導天線的空間光太赫茲時域光譜系統中，使用飛秒振蕩級激光器為光源，產生的飛秒激光經過分束器后分為泵浦光和探測光，泵浦光先經過衰減片、再經透鏡聚焦在由砷化鎵基底和一對平行金納米電極組成的發射天線上，激發光生載流子；載流子在方波偏壓驅動下做加速運動，輻射出太赫茲波信號；太赫茲信號經硅透鏡的收集以及兩個離軸拋面鏡的準直與聚焦后與待測樣品產生相互作用，攜帶樣品信息，之后再經兩個離軸拋面鏡的準直與聚焦以及硅透鏡的收集后形成直接打在探測電線的天線結上的太赫茲電場；探測光依次經過衰減片與機械延遲線，再經透鏡聚焦于探測天線的天線結上，并激發光生載流子；這些光生載流子經過所述太赫茲電場的驅動加速，產生與電場強度成正比的光電流；在信號采集端，在探測天線上產生的光電流先通過電流放大器放大并轉換為電壓信號；再經過鎖相放大器將信號進一步放大并濾除噪聲，鎖相參考頻率為方波電壓源提供的頻率；鎖相放大器輸出的信號為探測天線上產生的光電流的強弱，通過該光電流強弱信息獲得樣品信息；其中使用透明亞克力板將整個太赫茲光路罩住，在飛秒激光通過處打孔。
3.如權利要求2所述的抑制水背景的可控溫冷凍太赫茲時域光譜系統，其特征是，其中，通過計算機控制機械延遲線的位置，進而控制探測光與太赫茲電場在探測天線上的相遇位置，以此驅動產生與該位置處的太赫茲電場強度成正比的光電流，通過檢測探測天線上的光...
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