[发明专利]基于五能级里德堡量子态的太赫兹生物检测方法及装置

说明书

本发明涉及一种基于五能级里德堡量子态的太赫兹生物检测方法及装置，不同分子式的生物样品在太赫兹波段有其特征峰，在外加太赫兹扫频的过程中，当太赫兹频点与待测物质的特征峰频率对应时，发生共振吸收，透/反射的太赫兹波电场强度会突然变小，在里德堡量子态对应的电磁诱导透明光谱中表现为信号分裂幅值明显减小，从而通过对比里德堡量子态下外加太赫兹电场强度对激发能级的依赖关系可以准确判断出待测物质的特征峰频点和具体含量。相比现有的太赫兹时域光谱系统，本发明提出的装置和方法可实现更低浓度(纳克量级)下生物医学样本的高灵敏度、宽带、可自校准的太赫兹场的精密检测，且装置更小型化，样本用量更少，适用形式和类型范围更广。

技术领域

本发明涉及一种生物检测技术，特别涉及一种基于五能级里德堡量子态的太赫兹生物检测方法及装置。

背景技术

太赫兹是频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，其波段位于微波与红外之间，具有丰富的科学意义和广阔的应用前景。太赫兹技术一个显著的特点是它的安全性，太赫兹光子的能量只有毫电子伏特，不会因为电离而破坏被测物质。里德堡量子态是指具有高激发态电子(主量子数n很大)的原子。里德堡量子态具有很大的极化率(n^*)⁷,对外场的响应及其敏感，因此极易受外场的操控。

传统太赫兹时域光谱系统检测生物受灵敏度低的限制，对样品中很多关键成分检测含量只能分辨到毫克量级，且分辨精度较低，这在一定程度上限制了太赫兹波在生物医学检测领域中的应用范围。

发明内容

针对传统太赫兹测量生物样品，对样品中所含很多关键成分检测含量仅达到毫克量级，且精确度低的问题，提出了一种基于五能级里德堡量子态的太赫兹生物检测方法及装置，可实现更低浓度下生物医学样本的高灵敏度、宽带、可自校准的太赫兹精密检测，且可准确校准至国际标准物理量(普朗克常量)，系统更小型化，样本检测浓度可以达到纳克量级。

本发明的技术方案为：基于五能级里德堡量子态的太赫兹生物检测方法，具体包括如下步骤：

1)将数束激光同光轴入射至一个充有金属原子蒸气的透明蒸汽池中，蒸汽池中原子从基态一次次被跃迁到里德堡态，探测经样品池透射出的光，对探测信号进行除杂出来后送示波器上显示出电信号；

2)激光器发出太赫兹光通过透镜进入蒸汽池，蒸汽池原子跃迁到五能级里德堡态，探测经样品池透射出的光送示波器显示出的电信号界面，在出现分裂的双峰，即EIT共振分裂成两个，出现AT分裂现象时，说明外加太赫兹波场被探测到；

3)在可探测到蒸汽池中太赫兹波电场的情况下，在太赫兹光路中加入所需探测标准生物样品并建立浓度梯度，通过外加太赫兹频率进行扫频，观察EIT-AT光谱图，建立太赫兹频率-EIT分裂间隔曲线图，出现的特征峰为所探测标准生物样品特征峰；改变样品浓度，样品浓度越高，对太赫兹波的光强吸收越强，同样通过外加太赫兹频率进行扫频，得到改变后浓度下的太赫兹频率-EIT分裂间隔曲线图；最终建立标准生物样品成分、浓度、太赫兹频率对应的EIT分裂间隔参照图或表格；

4)将待测生物样品代替步骤3)标准生物样品放入太赫兹光路中，通过外加太赫兹频率进行扫频，探测EIT-AT光谱图，将获取的分裂间隔和对应的太赫兹频率与步骤3)获得的参照图或表格进行对比，获取检测样本成分以及浓度。

所述步骤4)检测样本成分浓度最低达纳克量级。