太赫兹超材料生物传感器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种太赫兹超材料生物传感器及其制备方法和应用。通过制备聚酰亚胺柔性衬底，并在该衬底上设计加工一种非对称开口谐振环的周期性结构，使得该超材料在太赫兹波段具有高Q值和高灵敏度的传感特性，并且制备了胶体金纳米颗粒，利用胶体金标记待测物抗体蛋白，将该标记混合物沉积在超材料传感器表面，使其具有与待测物特异性结合的特性，当待测物滴加在传感器表面时，该标记混合物可以捕捉到待测物，引起超材料表面介电常数的改变，导致超材料谐振峰位置的偏移，从而实现了检测待测物的目的。本发明专利技术利用太赫兹生物传感器结合免疫胶体金标记抗体技术对待测物进行高灵敏度、特异性检测，具有实际应用前景。

【技术实现步骤摘要】
太赫兹超材料生物传感器及其制备方法和应用
本专利技术涉及太赫兹生物传感应用领域，特别是涉及在太赫兹波段具有高灵敏度、特异性检测的生物传感技术，具体涉及一种太赫兹超材料生物传感器及其制备方法和应用。
技术介绍
新型冠状病毒肺炎(COVID-19)是一种新发现的人类传染病，由一种从未在人类身上发现的新型冠状病毒引起。此类冠状病毒感染的常见症状主要有呼吸道症状：发热、咳嗽、气短、呼吸困难等。在更严重的情况下，它会导致严重肺炎、急性呼吸综合征、肾衰竭甚至死亡。截至2020年6月底，全球新冠肺炎确诊病例超过1000万例，死亡人数超过50万人。到目前为止，针对冠状病毒的特殊治疗方法并不多。目前，COVID-19的检测严重依赖于实时逆转录聚合酶链反应(RT-PCR)。虽然它是目前检测病毒RNA最敏感的方法之一，但存在试剂供应过度紧张，制备病毒RNA需要太长时间等缺点。此外，对这类病毒进行灵敏的、可在现场部署的检测，以及对于进一步预防限制其传播将是至关重要的。因此，对于COVID-19的准确诊断和提前预防，迫切需要寻找新的快速、高灵敏度的诊断方法。太赫兹光谱是一种介于微波和红外之间的电磁波，其频率范围在0.1～10THz，波长范围在30um～3mm之间，处于宏观电子学向微观光子学的过度阶段。由于过去缺乏有效的辐射源和灵敏的探测技术，该段电磁波一直没有被深入的研究，因此也被称作“太赫兹空隙”。随着超快光电技术和微型半导体器件的发展为太赫兹研究提供了更为有效的辐射源和检测技术，使得太赫兹技术得到了广泛而深入的研究。由于太赫兹波段内包含有关物质的物理、化学和结构信息，因此被广泛应用在材料科学、生物医药科学、食品化学、通信雷达等领域。太赫兹超材料是指作用在太赫兹波段的新型人工材料，可以实现对太赫兹波的振幅和相位的调节。当超材料表面被其他物质覆盖后，其局域有效介电常数的改变会引起电容的改变，从而导致其共振频率的偏移。因此，可以通过太赫兹超材料共振频率的偏移来实现对痕量物质的检测。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出一种太赫兹超材料生物传感器，可以提高检测的灵敏度、特异性。为了达到上述目的，一方面，本专利技术提出一种太赫兹超材料生物传感器，包括柔性衬底以及所述柔性衬底上周期性排布的非对称开口谐振环，所述非对称开口谐振环包括两个开口，所述两个开口位于经过所述非对称开口谐振环的中心且与电磁波的电场方向相同的直线的同侧，并且所述两个开口与所述直线的夹角为相同的锐角α；所述太赫兹超材料生物传感器的表面固定有功能化胶体金纳米颗粒，所述功能化胶体金纳米颗粒包括胶体金纳米颗粒以及与所述胶体金纳米颗粒结合且能够特异性识别待测物的结合试剂。在一些实施例中，所述非对称开口谐振环的开口角度为α＝1-20°(例如2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°、11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°或19°)。在一些实施例中，所述开口的宽度为g＝5-10微米(例如6微米、7微米、8微米或9微米)。在一些实施例中，所述结合试剂选自抗体、探针或适配体。在一些实施例中，所述非对称开口谐振环的周期P＝100-200微米(例如110微米、120微米、130微米、140微米、150微米、160微米、170微米、180微米或190微米)，所述非对称开口谐振环的外径r＝20-40微米(例如22微米、25微米、28微米、30微米、32微米、35微米或38微米)，线宽w＝5-20微米(例如6微米、7微米、8微米、9微米、10微米、11微米、12微米、13微米、14微米、15微米、16微米、17微米、18微米或19微米)。在一些实施例中，所述非对称开口谐振环的厚度为100-300纳米(例如120纳米、150纳米、180纳米、200纳米、220纳米、250纳米或280纳米)。在一些实施例中，所述柔性衬底为聚酰亚胺薄膜或PDMS。在一些实施例中，所述柔性衬底的厚度为10-50微米(例如15微米、20微米、25微米、30微米、35微米、40微米或45微米)。在一些实施例中，所述非对称开口谐振环的材质为金、银或铝。在一些实施例中，所述胶体金纳米颗粒的直径为10-50nm(例如20nm、30nm或40nm)。另一方面，本专利技术提出一种所述太赫兹超材料生物传感器的制备方法，包括：(1)在柔性衬底上形成周期性非对称开口谐振环；(2)滴加含有功能化胶体金纳米颗粒的溶液，所述功能化胶体金纳米颗粒包括胶体金纳米颗粒以及与所述胶体金纳米颗粒结合的待测物抗体。又一方面，本专利技术提出一种所述太赫兹超材料生物传感器在检测病毒或生物标志物中的应用。在一些实施例中，所述病毒包括新冠病毒COVID-19。与现有技术相比，本专利技术的太赫兹超材料生物传感器具有以下有益效果：本专利技术提供一种在太赫兹波段具有高灵敏度的超材料传感器，其中选择具有低损耗介电性质的聚酰亚胺作为基底材料，这种超薄的柔性衬底不仅可以降低损耗，同时也便于待测样品的检测。另外，设计的非对称开口谐振环结构与传统的开口谐振环结构相比，该结构能够同时产生Fano共振和电偶极子共振，使得该超材料在太赫兹波段具有双波段共振频率，其中Fano共振是一种具有高Q值的谐振模式。本专利技术实施例制备了胶体金纳米颗粒，利用胶体金标记新冠病毒刺突抗体蛋白，将该标记混合物沉积在超材料传感器表面，使其具有与新冠病毒刺突蛋白特异性结合的特性，当不同浓度的新冠病毒滴加在传感器表面时，该标记混合物可以捕捉到病毒，引起超材料表面周围环境介电常数的改变，导致超材料谐振峰位置的偏移，从而实现了检测新冠病毒的目的。本专利技术设计具有特异性检测新冠病毒能力的胶体金纳米颗粒标记技术，通过在超材料生物传感器表面沉积功能化的纳米金颗粒，使得该传感器具有高灵敏度、特异性检测的功能。附图说明图1是本专利技术实施例中的太赫兹超材料生物传感器的单元结构示意图；图2是本专利技术实施例中的超材料结构模拟仿真图；图3是本专利技术实施例中的胶体金纳米颗粒标记突刺蛋白过程示意图；图4是本专利技术实施例中超材料生物传感器在透射式太赫兹时域光谱检测时的结构示意图；图5是本专利技术实施例中不同数量的病毒检测的模拟仿真结果；图6是本专利技术实施例中没有胶体金标记时不同数量的病毒检测的模拟仿真结果；图7是本专利技术实施例中开口角度为α＝20°时不同数量的病毒检测的模拟仿真结果；图8是本专利技术实施例中开口角度为α＝30°时不同数量的病毒检测的模拟仿真结果。具体实施方式在本专利技术的说明书中，提及“一个实施例”时均意指在该实施例中描述的具体特征、结构或者参数、步骤等至少包含在根据本专利技术的一个实施例中。因而，在本专利技术的说明书中，若采用了诸如“根据本专利技术的一个实施例”、“在一个实施例中”等用语并不用于特指在同一个实施例中，若采用了诸如“在另外的实施例中”、“根据本专利技术的不同实施例”、“根据本专利技术另外的实施例”等用语本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种太赫兹超材料生物传感器，其特征在于，包括柔性衬底以及所述柔性衬底上周期性排布的非对称开口谐振环，所述非对称开口谐振环包括两个开口，所述两个开口位于经过所述非对称开口谐振环的中心且与电磁波的电场方向相同的直线的同侧，并且所述两个开口的中心线与所述直线形成角度相同的锐角α；/n所述太赫兹超材料生物传感器的表面固定有功能化胶体金纳米颗粒，所述功能化胶体金纳米颗粒包括胶体金纳米颗粒以及与所述胶体金纳米颗粒结合且能够特异性识别待测物的结合试剂。/n

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹超材料生物传感器，其特征在于，包括柔性衬底以及所述柔性衬底上周期性排布的非对称开口谐振环，所述非对称开口谐振环包括两个开口，所述两个开口位于经过所述非对称开口谐振环的中心且与电磁波的电场方向相同的直线的同侧，并且所述两个开口的中心线与所述直线形成角度相同的锐角α；
所述太赫兹超材料生物传感器的表面固定有功能化胶体金纳米颗粒，所述功能化胶体金纳米颗粒包括胶体金纳米颗粒以及与所述胶体金纳米颗粒结合且能够特异性识别待测物的结合试剂。


2.根据权利要求1所述的太赫兹超材料生物传感器，其中，所述非对称开口谐振环的开口角度为α＝1-20°(例如2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°、11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°或19°)；优选地，所述开口的宽度为g＝5-10微米(例如6微米、7微米、8微米或9微米)。


3.根据权利要求1所述的太赫兹超材料生物传感器，其中，所述结合试剂选自抗体、探针或适配体。


4.根据权利要求1所述的太赫兹超材料生物传感器，其中，所述非对称开口谐振环的周期P＝100-200微米(例如110微米、120微米、130微米、140微米、150微米、160微米、170微米、180微米或190微米)，所述非对称开口谐振环的外径r＝20-40微米(例如22微米、25微米、28微米、30微米、32微米、35微米或38微米)，线宽w...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆亚林，殷明，黄秋萍，王建林，黄浩亮，代广斌，傅正平，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34