太赫兹超材料生物传感器及其应用制造技术

本发明专利技术提供一种太赫兹超材料生物传感器及其应用。本发明专利技术基于微纳加工技术在介质基底上附着亚波长金属谐振环阵列形成超材料传感器，所述亚波长金属谐振环由两个夹角为60

【技术实现步骤摘要】
太赫兹超材料生物传感器及其应用


[0001]本专利技术属于超材料结构设计及生物检测领域，具体地说，涉及一种太赫兹超材料生物传感器及其应用。

技术介绍

[0002]癌胚抗原(CEA)是一种广谱的癌症标志物，在癌症患者(结肠癌、直肠癌、乳腺癌等)中较于健康人体呈现高表达，已被确定为癌症诊断、监测、疗效评价的必要标志物之一。在过去的几十年中，酶联免疫吸附试验(ELISA)、阻抗法免疫生物传感器、基于荧光的方法以及局部表面等离子体共振(LSPR)、表面增强拉曼散射(SERS)等光谱技术被用于癌症标志物的诊断，取得了很大的进展。但由于测试时需要严格的测试方法、熟练的技术人员或质量高的检测环境，往往存在耗时、成本高、操作复杂等缺点。因此，发展高灵敏度、特异性、无标记的创新检测方法，实现微量CEA检测具有重要意义。
[0003]太赫兹时域光谱技术(THz
‑
TDS)作为一种新兴的相干检测光谱技术，基于其高信噪比(SNR)、低光子能量和宽带宽的特性，可揭示分子间或分子内振动模式的结构信息，实现分子级别的精准检测，并已在生物检测中得到了迅速发展。最近，亚波长人工电磁复合结构的超材料与太赫兹生物传感器相结合，利用其在电磁波的激发下产生表面等离子体共振形成局域电磁场增强，可对周围介质环境异常敏感实现高灵敏分析，具有成本低、消耗少、实时、无损检测等优点。
[0004]太赫兹超材料生物传感器的传感特性评价标准一般使用灵敏度(S)来表征，而品质因数(Q)用来描述谐振峰的锐度，可体现出谐振峰谐振能力的强弱，在表征传感器对分析物的识别能力中具有重要意义。目前为止，已有利用品质因数表征所设计的太赫兹超材料生物传感器传感性能进行了相关研究，如CN111766218A利用非对称开口谐振环的周期性结构设计了一种太赫兹超材料生物传感器，其理论品质因数可高达83；CN108572162A利用开口圆形谐振环和开口方形谐振环组成的周期性结构设计了一种基于电磁诱导透明效应的太赫兹波段超材料传感器，其透射峰理论品质因数可高达85。但基于目前太赫兹时域光谱仪所能提供的精度，上述这两种太赫兹超材料生物传感器暂时是难以实现的。此外，基于目前太赫兹超材料生物传感器在极其微量样本精准检测领域的不断推进，通过单纯改变超材料传感器参数已无法达到所需的检测灵敏度，以及其精准识别目标样本的能力尚需提升。因此，在实际应用中，不仅需要设计一种具有高灵敏度、高品质因数，可实现的太赫兹超材料生物传感器，以满足大批量制备的现实需求；而且寻找一种能够增强太赫兹超材料生物传感器传感性能且可实现特异性检测的方法是极为重要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种高品质因数的太赫兹超材料生物传感器及其应用。
[0006]本专利技术的另一目的是提供一种操作简便、高增敏的生物材料特异性检测方法。
[0007]为了实现本专利技术目的，第一方面，本专利技术提供一种太赫兹超材料生物传感器，包括
介质基底以及附着在所述介质基底上的亚波长金属双扇形谐振环阵列。
[0008]其中，所述亚波长金属双扇形谐振环阵列由至少100
×
100个尺寸相同、排布均匀的金属结构单元组成。
[0009]所述金属结构单元的尺寸为50μm
×
50μm。
[0010]所述金属结构单元由两个夹角为45
‑
75
°
的大小相同的扇形谐振环构成类似于“8”字型的结构，并在“8”字型结构的上下形成两个大小相同的缺口。
[0011]所述介质基底可以是硬性基底或柔性基底。
[0012]优选地，所述硬性基底的材质为硅、石英等，厚度为0.5
‑
3mm；更优选地，所述硬性基底的材质为石英，厚度为1mm。
[0013]优选地，所述柔性基底的材质为聚酰亚胺、PDMS等，厚度为5
‑
100μm；更优选地，所述柔性基底的材质为聚酰亚胺，厚度为25μm。
[0014]所述金属的材质为金、银、铜或铝对，优选金。
[0015]优选地，用于制作所述金属结构单元的金属线宽度为2
‑
4μm，厚度为150
‑
450nm；缺口宽度为1
‑
10μm，从所述金属结构单元的中心到缺口内缘端点的直线距离为19
‑
21μm，扇形谐振环宽度为20
‑
23μm。
[0016]更优选地，用于制作所述金属结构单元的金属线宽度为3μm，厚度为200nm；缺口宽度为3μm，从所述金属结构单元的中心到缺口内缘端点的直线距离为20μm，扇形谐振环宽度为22μm；所述金属结构单元由两个夹角为60
°
的大小相同的扇形谐振环构成类似于“8”字型的结构。
[0017]进一步地，亚波长金属双开口谐振环阵列为8mm
×
8mm。
[0018]本专利技术中，所述金属结构单元可以通过光刻技术和/或金属化工艺附着在所述介质基底上。
[0019]第二方面，本专利技术提供所述生物传感器在生物材料检测中的应用(所述应用含非疾病诊断和治疗目的)。
[0020]其中，所述生物材料包括但不限于蛋白、DNA或RNA，如生物标记物等蛋白质。
[0021]优选地，所述蛋白为癌胚抗原。
[0022]第三方面，本专利技术提供一种生物材料的检测方法(所述方法含非疾病诊断和治疗目的)，当所述生物材料为癌胚抗原时，所述方法包括以下步骤：
[0023](1)功能化金纳米颗粒的制备：将胶体金纳米颗粒溶液与3
‑
巯基丙酸按一定体积比混合孵育，得到3
‑
巯基丙酸修饰的胶体金纳米颗粒；然后，将癌胚抗原抗体与所述3
‑
巯基丙酸修饰的胶体金纳米颗粒通过脱水缩合反应，制得功能化金纳米颗粒；
[0024](2)将所述生物传感器在太赫兹波的激发(太赫兹波电场方向与缺口方向平行)下形成环形偶极子谐振；
[0025](3)癌胚抗原的检测：将所述功能化金纳米颗粒与不同浓度的癌胚抗原混合孵育，将反应产物滴加至所述生物传感器的表面，获取癌胚抗原的太赫兹光谱信息，并根据太赫兹光谱信息进一步得到环形偶极子谐振频率随不同浓度癌胚抗原的偏移量，建立癌胚抗原浓度与偏移量之间的模型，实现对癌胚抗原的定性与定量分析。
[0026]进一步地，步骤(1)包括：将0.6
‑
1nM胶体金纳米颗粒溶液0.45
‑
0.9mL与3
‑
巯基丙酸0.15
‑
0.3mL混合，在22℃下反应70分钟，得到3
‑
巯基丙酸修饰的胶体金纳米颗粒；然后，
将抗癌胚抗原抗体与所述3
‑
巯基丙酸修饰的胶体金纳米颗粒按4
‑
1:1
‑
1的溶液体积比混合，在22℃下反应90分钟，制得功能化金纳米颗粒。
[0027]所述胶体金本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.太赫兹超材料生物传感器，其特征在于，包括介质基底以及附着在所述介质基底上的亚波长金属双扇形谐振环阵列；其中，所述亚波长金属双扇形谐振环阵列由至少100
×
100个尺寸相同、排布均匀的金属结构单元组成；其中，所述金属结构单元的尺寸为50μm
×
50μm；所述金属结构单元由两个夹角为45
‑
75
°
的大小相同的扇形谐振环构成类似于“8”字型的结构，并在“8”字型结构的上下形成两个大小相同的缺口。2.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述介质基底为硬性基底或柔性基底；优选地，所述硬性基底的材质为硅、石英，厚度为0.5
‑
3mm；更优选地，所述硬性基底的材质为石英，厚度为1mm；优选地，所述柔性基底的材质为聚酰亚胺、PDMS，厚度为5
‑
100μm；更优选地，所述柔性基底的材质为聚酰亚胺，厚度为25μm。3.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述金属的材质为金、银、铜或铝，优选金。4.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，用于制作所述金属结构单元的金属线宽度为2
‑
4μm，厚度为150
‑
450nm；缺口宽度为1
‑
10μm，从所述金属结构单元的中心到缺口内缘端点的直线距离为19
‑
21μm，扇形谐振环宽度为20
‑
23μm；优选地，用于制作所述金属结构单元的金属线宽度为3μm，厚度为200nm；缺口宽度为3μm，从所述金属结构单元的中心到缺口内缘端点的直线距离为20μm，扇形谐振环宽度为22μm；所述金属结构单元由两个夹角为60
°
的大小相同的扇形谐振环构成类似于“8”字型的结构。5.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述金属结构单元通过光刻和/或金属化工艺附着在所述介质基底上。6.权利要求1
‑
5任一项所述生物传感器在生物材料检测中的应用；所述应...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨玉平，牛强，付丽玲，
申请(专利权)人：中央民族大学，
类型：发明
国别省市：