一种高灵敏度的双层太赫兹生物传感器
本发明涉及太赫兹生物传感器，具体涉及一种高灵敏度的双层太赫兹生物传感器。
背景技术：
1、太赫兹波(thz)的频率在0.1thz到10thz之间，该频段介于微波和红外线之间。许多物质在该频段具有丰富的频谱信息，可以根据这些物质在太赫兹波段丰富的吸收特征判断物质成分。且太赫兹波对大部分介电材料和非极性液体具有良好的穿透性。例如，太赫兹波可以穿透纸张、塑料、陶瓷等不透明材料的物体，对其内部结构进行检测。另外，太赫兹波的能量很低，频率为1thz的太赫兹波的量子能量仅为4.1mev，因此，在生物检测过程中不会引起有害的电离反应，对生物样品造成损害。这使太赫兹波在生物医学检测领域大放异彩。
2、太赫兹超材料是一种人工构造的电磁材料，具有天然材料所不具备的超常物理性质，这些性质主要取决于其特殊设计的微观结构，而不是材料本身属性。太赫兹超材料应用于传感时，主要依靠入射电磁波激发其谐振响应，超材料的谐振激发使得入射能量束缚在亚波长尺度内，超材料表面的电磁场获得了局域增强。所产生的局域电磁场对超材料表面介电环境的变化特别敏感，当样品被加入超材料表面时，会改变超材料表面介电环境，使超材料表面的电磁场发生变化，进而导致透射光谱发生变化。而不同的生物样品有着不同的介电常数，对应着不同的透射光谱，因此太赫兹超材料可用于蛋白质分子、人体组织及药品反应过程等方面的检测。评判太赫兹生物传感器性能的主要标准之一是检测灵敏度，研究者一般通过结构优化、用不同的材料设计结构，在超材料表面加入修饰物质等方法来达到提高灵敏度的目的。然而这些方法提升灵敏度的效果不够显著，因此探索一种新的提高灵敏度的方法成为迫切的需要。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了针对现实需要，提供一种高灵敏度的双层太赫兹生物传感器，通过在传统传感器结构上进行双层叠加，极大地提高了生物传感器在超薄分析物厚度下的灵敏度，为提升生物传感器灵敏度的方法开辟了一条新的道路。
2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、一种高灵敏度的双层太赫兹生物传感器，所述双层太赫兹生物传感器包括上下两层的衬底结构以及上下两层衬底结构之间形成的夹层，所述衬底结构表面周期性排布有四个太极环结构，上下两层衬底结构之间的夹层用于填充待分析物，上层衬底结构表面的任一太极环相对其正下方下层衬底结构表面的太极环旋转角为θ；所述太极环结构单环的内半径和外半径分别为r和r，环间开口宽度为g，线宽为w，环中心到衬底结构侧面边缘的最短距离为d；所述夹层厚度为d。
4、具体的，所述双层太赫兹生物传感器的横向周期以及纵向周期均为p＝80μm，所述衬底结构材质为超薄柔性pi，衬底结构厚度h＝25μm。
5、优选的，所述太极环结构的材质为铜，所述铜为导电率为5.96×107s/m的有损金属，单环厚度b＝200nm，单环的内半径r＝11μm，外半径r＝14μm，环间开口宽度g＝3μm，线宽w＝3μm，环中心到衬底结构侧面边缘的最短距离d＝25μm；铜太极环所产生环偶极子共振具有极强的局域场增强效果，可以对分析物实现高灵敏度的偏振无关、无标记检测。
6、具体的，所述上层衬底结构表面的任一太极环相对其正下方下层衬底结构表面的太极环旋转90°，其目的是使上下两层太极环周围产生的磁力线进行磁重联，从而实现极大提升双层太赫兹生物传感器灵敏度的效果。
7、具体的，通过cst studio suite 2020模拟可知，所述双层太赫兹生物传感器在分析物厚度为1μm，折射率在1～1.6之间进行变化的情况下，对于只有单层结构的传统传感器而言，其共振频率从1.333thz红移到1.233thz，共频移100ghz，灵敏度为141ghz/riu；而本发明提供的双层结构传感器，其共振频率从0.954thz红移到0.688thz，共频移266ghz，灵敏度为441ghz/riu相较单层结构的传感器而言，本发明提供的双层结构传感器在更低的共振频率情况下，灵敏度提高了213％。
8、进一步地，所述双层太赫兹生物传感器随着分析物厚度的增加，灵敏度先逐渐下降而后趋向饱和，灵敏度最大值出现在分析物最薄处，表明本发明提供的双层太赫兹生物传感器尤其适用于超薄样品的检测。
9、更进一步地，所述上下两层衬底结构的上、下层在x，y两个方向允许同时出现10μm以内的错位，传感器的灵敏度和透射光谱仍能够基本保持不变。
10、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
11、1、本发明提供的双层太赫兹生物传感器，当分析物厚度在1～10μm范围内时，相对于传统的单层传感器而言，灵敏度得到了极大的提高，特别是在分析物厚度d＝1μm时，灵敏度最高达到了441ghz/riu，相比于单层传感器而言，灵敏度提高了213％；同时本发明通过研究双层太赫兹生物传感器的环偶极子耦合模式，解释了大幅提高超薄样品检测灵敏度的物理机制。
12、2、本发明提供的双层太赫兹生物传感器通过上下两层环偶极子之间产生的耦合效应，实现了仅利用少量的检测物质即可进行无损、快速、无标记地高灵敏度检测。
技术特征：
1.一种高灵敏度的双层太赫兹生物传感器，其特征在于，所述双层太赫兹生物传感器包括上下两层的衬底结构以及上下两层衬底结构之间形成的夹层，所述衬底结构表面周期性排布有四个太极环结构，上下两层衬底结构之间的夹层用于填充待分析物，上层衬底结构表面的任一太极环相对其正下方下层衬底结构表面的太极环旋转角为θ；所述太极环结构单环的内半径和外半径分别为r和r，环间开口宽度为g，线宽为w，环中心到衬底结构侧面边缘的最短距离为d；所述夹层厚度为d。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的双层太赫兹生物传感器，其特征在于，所述双层太赫兹生物传感器的横向周期以及纵向周期均为p＝80μm，所述衬底结构材质为超薄柔性pi，衬底结构厚度h＝25μm。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的双层太赫兹生物传感器，其特征在于，所述太极环结构的材质为铜，所述铜为导电率为5.96×107s/m的有损金属，单环厚度b＝200nm，单环的内半径r＝11μm，外半径r＝14μm，环间开口宽度g＝3μm，线宽w＝3μm，环中心到衬底结构侧面边缘的最短距离d＝25μm。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的双层太赫兹生物传感器，其特征在于，所述上层衬底结构表面的任一太极环相对其正下方下层衬底结构表面的太极环旋转90°。
5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的双层太赫兹生物传感器，其特征在于，所述双层太赫兹生物传感器在分析物厚度为1μm，折射率在1～1.6之间进行变化的情况下，相较单层结构的传感器而言，灵敏度提高了213％。
6.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的双层太赫兹生物传感器，其特征在于，所述双层太赫兹生物传感器随着分析物厚度的增加，灵敏度先逐渐下降而后趋向饱和，灵敏度最大值出现在分析物最薄处。
7.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的双层太赫兹生物传感器，其特征在于，所述上下两层衬底结构的上、下层在x，y两个方向允许同时出现10μm以内的错位，传感器的灵敏度和透射光谱仍能够基本保持不变。
技术总结
本发明公开了一种高灵敏度的双层太赫兹生物传感器，所述双层太赫兹生物传感器包括上下两层的衬底结构以及上下两层衬底结构之间形成的夹层，所述衬底结构表面周期性排布有四个太极环结构，上下两层衬底结构之间的夹层用于填充待分析物，上层衬底结构表面的任一太极环相对其正下方下层衬底结构表面的太极环旋转角为θ。本发明所提供的双层太赫兹生物传感器在分析物厚度为1μm，折射率在1~1.6之间进行变化的情况下，相较单层结构的传感器而言，灵敏度提高了213%，并且上、下层衬底结构在x，y两个方向允许同时出现10μm以内的错位，仍能够保持较高的灵敏度，具有很大的实用价值。
技术研发人员：雷江涛,阮欢欢,郭天敬,洪露军
受保护的技术使用者：南昌大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5