[实用新型]一种超材料太赫兹生物传感器

说明书

本实用新型公开了一种超材料太赫兹生物传感器。所述的超材料太赫兹生物传感器，包括基底层和介质层，在基底层上设有金属反射层，在介质层上设有金属微结构层，所述金属反射层和金属微结构层之间形成有供被测液体流通的微流通道，基底层上开设有微流通道的进液口和出液口，所述金属微结构层为附着在介质层上的周期性结构单元，所述金属微结构层由正方形金属环和置于其中且与其同心的双“H”形交叉金属结构组成，其中双“H”形交叉金属结构由两个结构完全相同的“H”形金属环垂直交叉组成。本实用新型所述传感器具有极高吸收峰，以及较高灵敏度和偏振不敏感特性。

技术领域

本实用新型涉及一种传感器，具体涉及一种超材料太赫兹生物传感器。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz，1THz＝10¹²Hz)波是频率在0.1～10THz(波长为30～3000μm)范围内的电磁波，处于宏观电子学向微观光子学过渡的波段，在生物分子、细胞和组织中具有指纹谱性、安全性及穿透性等独特的物理特性，具有良好的无损检测特性，因此，太赫兹光谱技术特别适合于对生物分子和细胞等的检测。由于太赫兹波具有指纹谱性，而大多数生物分子的转动和振动能级都处于太赫兹波段，因此在太赫兹波段会形成特定的指纹吸收峰，利用此特性对生物分子的特征光谱进行分析，可实现对其定性和定量分析。但是，大多数生物分子在太赫兹波段范围内的吸收较弱，且生物分子的振动受外界环境影响较大，直接利用太赫兹光谱进行鉴别存在灵敏度不高、检测难度大等问题。

超材料(Metamaterial)是一种由周期性排列的亚波长结构单元构成的新型人工电磁材料，它具有天然材料所不具备的超常规电磁特性，如负折射、突破衍射极限成像、隐身等。超材料通过与太赫兹波的相互耦合作用，可实现局部场增强和高品质因子共振。当待测生物样品附着在超材料表面引起周围介质环境变化时，会导致谐振频率发生偏移，通过谐振频率的偏移程度可实现对生物样本的检测。因此，基于超材料的太赫兹生物传感器引起了国内外研究者的高度关注。

已有学者提出将基于开口环谐振器(Split Ring Resonators,SRRs)的超材料设计为太赫兹生物传感器，并实现对微生物、DNA、癌细胞和蛋白质检测等。其中，2015年，Scientific Reports杂志第4卷4988页提出了一种由单开口谐振环构成的太赫兹生物传感器，实现了对真菌、细菌等微生物的快速检测。2018年Optics Express杂志第26卷31589页报道了一种由单开口和双开口谐振圆环构成的太赫兹超材料生物传感器，实现了对不同种类DNA鉴别。但是，SRRs被设计为透射式传感器，传感器与太赫兹波产生单次相互作用形成的谐振强度低，无法产生强烈的局部场增强，待测物与局部场的相互作用较弱，导致SRRs的Q值较低、灵敏度不高。

超材料完美吸收器(Perfect Metamaterial Absorbers,PMAs)是由金属周期结构层、介质层和金属反射层构成。由于金属反射层和金属周期结构层的存在，入射的太赫兹波在介质层中会形成多次反射。太赫兹波和吸收器多次相互作用，形成法布里-珀罗(Fabry-Pérot,F-P)谐振腔，吸收器与太赫兹波发生强相互作用，可获得较高的品质因子Q和局部电场增强。2019年，Optik杂志第194卷163071页描述了一种基于超表面的高Q值的太赫兹完美吸收器。该吸收器可作为太赫兹传感器应用于传感领域，其最大灵敏度为190.4GHz/RIU。现有基于PMAs的太赫兹传感器在检测物质时，待测物质附着于金属周期结构层表面，位于F-P谐振腔外部，无法与局部增强电场空间重叠，两者只产生微弱的相互作用，导致传感器的灵敏度不高。