[发明专利]一种基于电容性超材料结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构及其制备、检测方法有效

专利信息
申请号: 202110298787.4 申请日: 2021-03-20
公开(公告)号: CN113058668B 公开(公告)日: 2022-05-27
发明(设计)人: 张翼飞;凌昊天;宋爱民;王卿璞 申请(专利权)人: 山东大学
主分类号: B01L3/00 分类号: B01L3/00;G01N21/59;G01N27/22
代理公司: 济南金迪知识产权代理有限公司 37219 代理人: 杨树云
地址: 250199 山*** 国省代码: 山东;37
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 电容 材料 结构 人工 表面 离激元 微流控 检测 芯片 及其 制备 方法
【说明书】:

发明涉及一种基于电容性超材料结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构及其制备、检测方法,包括由下自上依次生长的衬底层、具有电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层、微流通道层。本发明将具有高电场束缚等特殊传播特性的人工表面等离激元与超材料相结合,利用人工表面等离激元的局域电场增强与流体和光方向一致性提升检测灵敏度,检测范围最大可0到10THz;利用人工表面等离激元上的电容性超材料进一步增强局域电场,利用超材料谐振峰强度和频率的移动来进行检测,提升了芯片的检测灵敏度,检测范围在0到10THz之间。

技术领域

本发明涉及一种基于电容性超材料结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构及其制备、检测方法,属于电磁场与微波技术和液体检测技术的交叉技术领域。

背景技术

表面等离激元是一种产生于金属和介质分界面的传输型表面波,其电场沿金属表面法线方向呈现指数规律衰减,具有局域电场增强、工作波长小、高频截止、无衍射极限等特殊传播特性,在物质检测、小型化天线、超分辨率成像和亚波长电路等方向有极大的应用前景。由于局域电场增强作用,基于表面等离激元的探测器件具有高灵敏度、超快响应速度、无需标记样品、小型化等特点,因此在生物/液体检测领域拥有广泛的应用前景。传统的表面等离激元依赖于光学波段金属的负相对介电常数特性,然而金属在太赫兹及其以下频段表现为完美电导体,所以表面等离激元在自然界中只存在于可见光和近红外波段。这类表面等离激元检测是通过棱镜激发金属表面的等离激元,体积庞大且不易集成化。随着光子技术的发展,具有孔状或锯齿状结构的人工结构被用于模拟可见光波段金属的等离子特性,实现了类似表面等离激元的高频截止色散特性,将这种具有独特性质的表面波模式引入太赫兹及其以下频段,即“人工表面等离激元”。人工表面等离激元是慢波,具有波长短、局域电场增强的特性。

由于许多有机大分子的转动和分子间振动的光谱“指纹峰”在太赫兹波段(0.1-10THz),所以太赫兹人工表面等离激元在DNA、有机分子、癌细胞等的检测方面有着独特的应用。相比于传统表面等离激元,人工表面等离激元在生物和有机溶液检测方面具有许多优势,例如水吸收强,对浓度具有更高的检测灵敏度;激励结构简单,易于平面集成和小型化;与微流控芯片兼容性强,便于进行高通量检测。

目前,在生物医学和有机物检测领域常用检测技术可以分为化学方法、物理方法和光谱方法。其中,化学方法检测速度慢,成本高,诸如气相色谱法、高效液相色谱法、离子交换色谱法等;物理方法无法实现实时检测,诸如质谱分析法、核磁共振法(包括氢谱和碳谱)等;光谱方法缺少穿透性,检测准确率不高,诸如拉曼光谱法、红外光谱法、紫外可见光谱法等,这三类检测方法均无法满足生物医学和有机物检测实时、高速、高灵敏度的要求。而人工表面等离激元检测所采用的频谱分析方法是一种将复信号分解为较简单信号的技术。频谱是指一个时域的信号在频域下的表示方式,许多物质的物理信号均可以表示为许多不同频率简单信号的复合,通过分析信号在不同频率下幅度、功率、强度、相位等信息,可以获得待检测物质的物理和化学信息。相对于其他检测手段来说,频谱分析在检测时具有非电离、高分辨率、高灵敏度等极为优越的特点。

为了进一步提高频谱检测技术的灵敏度和减小样本消耗量,在微米尺寸级别集成了样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元的微流控芯片被提出用于处理和分析样本,从而优化检测过程,其具有体积小、通量高、灵敏度高、样本分析时间短、样本需求量少、可控性强等优势。现有的微流控技术主要集中在光学波段和10GHz以下的微波频段。相比于光学波段,太赫兹波具有光子能量低、可无损检测、穿透性高、频谱宽、覆盖多数物质的特征谱、极易被水等极性分子吸收等特性,适合于生物医学成像,使得太赫兹在生物领域的应用出现出欣欣向荣的研究趋势。其中,许多生物和有机大分子的分子间振动和分子转动能级可以在太赫兹波段产生指纹峰,使得太赫兹频谱能探测到这些分子的构型等信息。通过将人工表面等离激元的局域电场增强作用和微流控的优势在太赫兹频段进行结合,可以在芯片上对生物和有机大分子样本种类和样本浓度实现高精度、高灵敏度的无标记指纹识别。但是现有的太赫兹频谱检测方法是通过对比超材料结构在待检测液体覆盖前后对太赫兹空间波的响应变化来实现,这种方式对太赫兹波仅具有单重响应,分辨率和灵敏度较低。

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