基于准连续体束缚态的超灵敏太赫兹生物传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于准连续体束缚态的超灵敏太赫兹生物传感器，通过在传感器中的谐振器单元中改变谐振器整体的构型与其局部开口的尺寸与相对位置来引入非对称扰动，可在频域内诱导准连续体束缚态(Q

【技术实现步骤摘要】
基于准连续体束缚态的超灵敏太赫兹生物传感器


[0001]本专利技术涉及一种太赫兹生物医学检测技术，特别涉及一种基于准连续体束缚态的超灵敏太赫兹生物传感器。

技术介绍

[0002]太赫兹波是频率在0.1
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10.0THz范围内的电磁波，其具有信噪比高、穿透性强、能量低、频谱宽、相干性好等优点，在安防或无损探伤、太赫兹通信、军用雷达、天文观测乃至生物医学领域均有极大的应用价值。特别是在生物医学领域，大量生物分子之间弱相互作用(氢键、范德华力)、生物分子骨架振动以及生物分子转动频率均在太赫兹频带内，所以应用太赫兹技术可实现对样品的“指纹”鉴别和结构表征，且其光子能量较小，还可以实现被检测物质的无损检测。所以太赫兹技术对于生物医学领域中传统的高效液相色谱法、质谱法、试剂盒法等是有利的补充。
[0003]在实际检测中，许多样品的浓度较小或样品本身为痕量物质，导致仅仅依靠传统太赫兹检测技术很难准确识别其光谱信号与特征，所以近年来有学者采用基于金属或石墨烯的超表面生物传感器作为太赫兹信号增强载体来增强检测能力，根据样品的存在造成的频谱中器谐振峰的频移等参数来实现更灵敏与更准确的检测。谐振峰品质因数(Q值)是衡量传感器检测能力的关键参数，Q值越大，传感器的检测精度越高。然而，超表面生物传感器的研究目前仍然局限于低频电感
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电容耦合谐振或高频等离子体谐振的激发，其Q值很低往往被限制在几十到几百以内，这导致传统THz超表面生物传感器对于纳摩尔(nmol)乃至飞摩尔(fmol)量级的生物样品的检测精度较低、抗干扰能力差以及实验可重复性差。因此，如何实现谐振峰的超高Q值成为太赫兹技术在生物医学检测领域中推广应用的关键所在。基于连续体中的束缚态(BIC)是一种理论上可实现超高Q值甚至无限品质因数的方法，在该状态下超表面谐振器中的能量将被捕获而不会泄漏到连续体，所以理想情况下的BIC具有无限的寿命和Q值。然而，理想条件是不可能的，但通过引入外部扰动，可以使BIC在频谱中产生有限泄漏并作为准连续体束缚态(Q
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BIC)可见，其特性包括导致超高Q值的极窄线宽。较为常见的BIC类型是对称保护BIC，相应的Q
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BIC可以通过引入微扰动，即改变超表面谐振器的关键参数尺寸，来破坏其结构对称性来激发，产生的泄漏共振模式将耦合到自由空间，并可在远场中观察到，其Q
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BIC谐振峰的Q值很容易达到数百以上，从而在极低浓度的生物样品检测上具有很大的应用潜力。
[0004]由于现有传感器一方面基于传统共振机理在THz频段内的Q值普遍较低在几十到几百范围内，再向上提高Q值较为困难；另一方面现有传感器为追求较高的Q值往往将加工精度限制在纳米级以内，加工工艺更难且成本更高，这大大限制了其商业化应用，而本专利技术基于新的准连续体束缚态诱导机制实现了高达1000以上的Q值，相比于传统传感器提高了约2个数量级，同时加工精度仅需微米级，工艺成熟，成本低廉，非常适合商业化应用。

技术实现思路

[0005]针对太赫兹检测技术对痕量样品分子检测灵敏度低问题，提出了一种基于准连续体束缚态的超灵敏太赫兹生物传感器,通过在传感器中的谐振器单元中改变谐振器整体的构型与其局部开口的尺寸与相对位置来引入非对称扰动，可在频域内诱导准连续体束缚态(Q
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BIC),从而在太赫兹频段内实现品质因子(Q值)高于1000的Q
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BIC谐振峰，这种高灵敏度的谐振峰对纳摩尔级(nmol)乃至皮摩尔(pmol)级的生物样品分子有更好的传感性能，在太赫兹波谱中能产生明显的响应信号，从而可以实现对痕量物质的超灵敏检测，大大提高检测效率与准确性。
[0006]本专利技术的技术方案为：一种基于准连续体束缚态的超灵敏太赫兹生物传感器，由在介电基底上构建的超表面单元阵列组成，超表面单元阵列由多个相同超表面单元横向与纵向阵列同间隔排列构成，超表面单元包括矩形介电基底和附着于介电基底上的一对电容
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电感耦合谐振器，电容
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电感耦合谐振器为一开口光电响应环，两个开口相对的开口光电响应环仅仅缺口大小不同，其他结构完全相同，作为电容部分的两开口构成非对称开口，此非对称开口位于超表面单元的中心位置，此非对称开口引入非对称扰动，并诱导太赫兹波在其上形成具有超高Q值的准连续体束缚态谐振峰，用于样品的超灵敏检测。
[0007]优选的，所述超表面单元阵列中同一排的开口光电响应环依次首尾相连，一对电容
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电感耦合谐振器上的非对称开口设定不同的构型、开口宽度，通过引入非对称扰动额外诱导准连续体束缚态的出现，从而在超表面单元阵列频域中实现高达1000以上的超高Q值的Q
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BIC谐振峰。
[0008]优选的，所述超表面单元中的电容
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电感耦合谐振器的构型包括但不局限于方环、圆环以及各种异构环形。
[0009]优选的，所述超表面单元中的一对电容
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电感耦合谐振器，其非对称开口的非对称性由大小不同和开口现对位置形成。
[0010]优选的，所述超表面单元中的介电基底材料包括但不局限于硅、石英、聚酰亚胺介电材料。
[0011]优选的，所述开口光电响应环材料包括但不局限于金、银、铜、铂以及石墨烯具有光电响应的材料。
[0012]一种使用所述基于准连续体束缚态的超灵敏太赫兹生物传感器的样品各成分含量检测方法，依次在同一光轴上放置的太赫兹源模块、太赫兹生物传感器、太赫兹检测模块以及数据处理与显示模块，其中太赫兹源的光谱范围应包含并大于传感器工作频段；先将太赫兹生物传感器固定样品架上并对准太赫兹源模块发送的太赫兹波偏振方向，太赫兹检测模块检测并记录太赫兹生物传感器的本征谐振峰频谱送数据处理与显示模块，数据处理与显示模块处理后获得电容
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电感耦合谐振峰以及Q
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BIC谐振峰；然后将样品溶液滴加并干燥成膜于太赫兹生物传感器表面的阵列结构上，检测并记录太赫兹生物传感器的传感频谱变化；最后对比两次透射谱，读取Q
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BIC谐振峰前后的频率偏移量及幅值改变量，并经过数据处理与比较可获得生物样品中各成分的含量。
[0013]本专利技术的有益效果在于：本专利技术基于准连续体束缚态的超灵敏太赫兹生物传感器,基于准连续体束缚态(Q
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BIC)诱导机制，可以实现达到1000以上Q值的Q
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BIC谐振峰，远超现有Q值仅在几十到几百以内的传统谐振机理研发的传感器，检测精度与检测极限得到
大幅更高，可有效解决传统传感器对nmol及以下生物分子检测困难的问题；本专利技术所用加工工艺在微米级，加工工艺更成熟，生产成本更低，适合商业化应用；本专利技术具有较好的复用性，兼容各类太赫兹检测系统，具有可表面功能化处理等二次开发的拓展性。
附图说明
[0014]图1为本专利技术基于准连续体束缚态的超灵敏太赫兹生物传感器中单元结构示意图；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于准连续体束缚态的超灵敏太赫兹生物传感器，其特征在于，由在介电基底上构建的超表面单元阵列组成，超表面单元阵列由多个相同超表面单元横向与纵向阵列同间隔排列构成，超表面单元包括矩形介电基底和附着于介电基底上的一对电容
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电感耦合谐振器，电容
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电感耦合谐振器为一开口光电响应环，两个开口相对的开口光电响应环仅仅缺口大小不同，其他结构完全相同，作为电容部分的两开口构成非对称开口，此非对称开口位于超表面单元的中心位置，此非对称开口引入非对称扰动，并诱导太赫兹波在其上形成具有超高Q值的准连续体束缚态谐振峰，用于样品的超灵敏检测。2.根据权利要求1所述基于准连续体束缚态的超灵敏太赫兹生物传感器，其特征在于，所述超表面单元阵列中同一排的开口光电响应环依次首尾相连，一对电容
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电感耦合谐振器上的非对称开口设定不同的构型、开口宽度，通过引入非对称扰动额外诱导准连续体束缚态的出现，从而在超表面单元阵列频域中实现高达1000以上的超高Q值的Q
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BIC谐振峰。3.根据权利要求2所述基于准连续体束缚态的超灵敏太赫兹生物传感器，其特征在于，所述超表面单元中的电容
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电感耦合谐振器的构型包括但不局限于方环、圆环以及各种异构环形。4.根据权利要求3所述基于准连续体束缚态的超灵敏太赫兹生物传感器，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘炳伟，彭滟，孙璨，郝雨凡，薛熹纯，王庆芳，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：