[发明专利]用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面

说明书

本发明属于太赫兹检测领域，具体涉及一种用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面。通过均具有介电基底、箕舌线型微腔以及双金属边带滤波器的多个阵列排布的超表面单元，使得双金属边带结合箕舌线型渐变增强的结构能够在立方微米空间内增强光子密度。本发明连续的双金属边带增强了超表面单元的整体电容，进一步减小传统的箕舌线型尖端的电磁有效增强空间，与没有连续金属带的超表面腔相比，使用连续的金属边带的超表面腔能在立方微米范围内储存更多的电磁能量，使得品质因数与有效模体积之比极大的增强。因此，本发明的用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面提高了太赫兹波检测微量蛋白分子的灵敏度，可以达到皮克量级。

技术领域

本发明属于太赫兹检测领域，具体涉及一种用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面。

背景技术

从20世纪80年代开始蛋白分子的研究进入科学家的视野，蛋白分子是生物体里面非常重要的一个大分子，研究病毒中的蛋白分子为攻克癌症、为抗病毒及传染病的研究有重大意义。目前在世界上一些特效的药物里面，有相当多的药是蛋白分子核酸，所以说这个领域的研究有很重要的前景。另外，近几十年来，太赫兹波以其独特的优点，已成为世界上各国研究的一个重要领域。太赫兹波是指频率在0.1-10THz范围(波长在0.03到3mm范围)的电磁波，在电磁波谱中位于毫米波与红外光学之间的电磁波谱间隙。太赫兹波特殊的电磁波谱位置使得它具有许多独特的优点：具有携带信息量丰富、高时空相干性、低光子能量等特性，在天文、生物、计算机、通信等科学领域有着巨大的应用价值。

目前，医学上对微量蛋白分子存在检测困难或者检测过程复杂等问题，建立一种简便、迅速、准确的检测微量蛋白分子的方法是必要的。而太赫兹电磁波可以作为医学诊断光源，其与传统的医学诊断光源相比，其穿透力更强，可直接对可见光区域内不可见的物体透视成像，并且对于非极性物质和一些介电材料也可以轻易穿透。由于太赫兹电磁波的光子能量非常低，约为4meV(毫电子伏特)，大约是X射线光子能量的百万分之一，对于生物分子结构的破坏性几乎可以忽略不计，这些特点使得太赫兹成像技术快速发展。同时，对某些生物大分子、生物体的标志物的检测及物质进行鉴别也有很好的效果。

此外，提高太赫兹检测灵敏度的有效方法是增强光与物质的相互作用。超表面结构利用等离子共振效应，将太赫兹波束缚在结构表面，从而增强了器件的品质因数，提升了检测灵敏度。以经典的蝴蝶结型超表面结构为例，其具有束缚电磁波能量在蝴蝶结尖端区域的能力，广泛应用于局域场增强相关的超表面传感器的设计和应用。此外，微小空间内束缚电磁波的能力，对于增强光子密度，提升检测灵敏度，同样重要。在空间上对光子的束缚能力可用有效模体积描述。然而，这方面对器件的优化设计结构很少被人提及。

发明内容

为解决上述问题，提出了一种用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面，其特征在于，包括：阵列排布的多个超表面单元，其中，多个超表面单元均具有介电基底、箕舌线型微腔以及双金属边带滤波器，箕舌线型微腔以及双金属边带滤波器均位于介电基底上。本发明提供的用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面，还可以具有这样的特征，其中，超表面单元呈矩形，且该超表面单元的单元尺寸为数十个微米量级，阵列排布的多个超表面单元组成的有效模体积优化太赫兹超表面的尺寸为厘米量级。

本发明提供的用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面，还可以具有这样的特征，其中，双金属边带滤波器具有两个金属边带，且该两个金属边带相互平行，双金属边带滤波器的厚度为100nm-200nm，双金属边带滤波器的材质为铝、金以及银中的任意一种，两个金属边带的长为介电基底的长的三分之一，两个金属边带的宽与介电基底的宽相同。

本发明提供的用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面，还可以具有这样的特征，其中，箕舌线型微腔位于两个金属边带的中间，并且箕舌线型微腔与两个金属边带的间距均相同，箕舌线型微腔的间隙尺寸为微米量级。