CN105675536A - 用于THz-TDS系统的金属光栅表面等离子体效应生物检测芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于THz-TDS系统的金属光栅表面等离子体效应生物检测芯片，经济实用且无需标记，检测速度快，检测精度高；利用SPR的共振峰位来检测生物水溶液样品，对检测环境湿度要求比传统太赫兹时域光谱的直接透射样品要低；采用开放设计，芯片各部分可以拆下清洗从而可以重复使用，若使用铝制作金属光栅，则可以大量生产，经济实用；样品无需标记，添加样品不需要特别的设备，使用细小的注射器即可，操作简单。

Description

用于THz-TDS系统的金属光栅表面等离子体效应生物检测芯片

技术领域

本发明属于太赫兹时域光谱检测技术领域，具体涉及用于THz-TDS系统的金属光栅表面等离子体效应生物检测芯片。

背景技术

太赫兹检测技术发展越来越迅速，所涉及的领域越来越广，比如：安全检测、成像技术、医学诊断、植物分类。我们知道很多生物分子和化学物质由于振动跃迁，在太赫兹波频段内展现出了吸收和色散特性，并且THz光谱技术对探测物质的微小差异和变化以及所处的生物化学环境非常灵敏，具有反映化合物结构的“指纹”特征，因此THz光谱技术近年来在生物医学方面的研究越来越多，并应用于糖类、蛋白质、氨基酸在特定生理过程和相互作用过程中。传统的THz-TDS技术，由于水对太赫兹波有强烈的吸收，很多情况下所测样品需要干燥，但对于生物化学样品，水溶液样品才能表征出其生物化学活性。目前应用于生物化学传感的光学检测方法大多数是基于激光诱导荧光标记的，这种方法虽然灵敏度非常高，应用广泛，但是需要对被测样品进行标记，使之无法进行二次测量，这也是一个亟待开发的新的光学测量方法的原因之一。

一方面需要研究生物分子和水的相互作用，另一方面水吸收大部分太赫兹能量从而掩盖了被测样品的信息，这是一对矛盾。解决矛盾主要方法通常有两种：一种是采用微通道技术，另一种是利用棱镜耦合的衰减全反射表面等离子体效应。微通道技术是通过微加工技术将样品池或沟道制作地很小以减少水对太赫兹波的吸收，但由于其工艺复杂、价格较高且重复性差，无法满足多次重复检测的要求。棱镜耦合的衰减全反射表面等离子体效应，近几年发展迅速，它是利用倏逝波测量被测介质的信息。由于进入介质的深度很短从而减少了水对THz的强烈吸收，测量精度较高，但该系统多采用斜反射系统测量，系统搭建和操作难度较高。因此利用传统THz-TDS系统对该生物芯片进行检测是目前研究的重要内容。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于THz-TDS系统的金属光栅表面等离子体效应生物检测芯片，可以识别样品且可检测样品的浓度，同时提高检测速度和精度

用于THz-TDS系统的金属光栅(4)表面等离子体效应生物检测芯片，其特征在于，包括基底(2)、金属光栅(4)、位于基底(2)和金属光栅(4)之间的样品池(3)，以及分别夹持在基底(2)和金属光栅(4)外侧的两个夹持薄片；

所述基底(2)采用电阻率不低于20Ω·m的高阻硅材料；

所述金属光栅(4)的光栅常数根据样品的吸收峰位置确定，保证太赫兹光波照射到金属光栅(4)产生的共振峰位于生物化学样品的太赫兹信息频带以内；

所述样品池(3)为具有开孔的薄片结构，所述开孔用于容纳待测的生物样本；

所述两个夹持薄片允许THz-TDS系统发射的光波从所述样品池(3)的开孔位置透过。

所述夹持薄片为金属薄片，与样品池(3)开孔对应位置开有通孔。

所述夹持薄片的材料为环烯烃聚合物，型号为1420R。

所述金属光栅(4)的材料采用金、银、铝及不锈钢中的一种，优选为金或银。

所述金属光栅(4)尺寸为1cm×1cm。

所述高阻硅基底(2)尺寸为1cm×1cm。

所述夹持薄片尺寸为2cm×2cm。

若采用金属铜加工夹持薄片，所述通孔尺寸为0.8cm×0.8cm。

样品池(3)的材质为铜、铝或不锈钢；厚度为100μm，其上开孔直径为0.7cm。

本发明具有如下有益效果：

本发明的用于THz-TDS系统的金属光栅表面等离子体效应生物检测芯片，经济实用且无需标记，检测速度快，检测精度高；利用SPR的共振峰位来检测生物水溶液样品，对检测环境湿度要求比传统太赫兹时域光谱的直接透射样品要低；采用开放设计，芯片各部分可以拆下清洗从而可以重复使用，若使用铝制作金属光栅，则可以大量生产，经济实用；样品无需标记，添加样品不需要特别的设备，使用细小的注射器即可，操作简单。

附图说明

图1为本发明的用于THz-TDS系统的透射式金属光栅SPR的生物检测芯片结构示意图的侧视图；

图2(a)为本发明生物检测芯片样品池结构示意图；图2(b)为生物芯片结构俯视图；

图3为金属光栅结构示意图；

图4为本发明在传统THz-TDS系统中检测示意图；

图5为使用本发明测量L-苏氨酸光谱，光栅常数为400μm，黄色线表示浓度2％，黑色线表示浓度1％；

图6为使用本发明L-精氨酸，L-苏氨酸及其混合溶液光谱，光栅常数为400μm，黑线表示L-苏氨酸，浓度为1％，蓝线表示L-精氨酸，浓度为浓度1％，红线表示浓度都为1％的L-苏氨酸和L-精氨酸混合溶液。

其中，1-1-第一夹持薄片，1-2-第二夹持薄片，2-金属光栅，3-样品池，4-基底。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明所要解决的技术问题是提供一种可重复使用且移植性强的利用太赫兹波检测的生物化学水溶液样品芯片，芯片上各部分相互独立，可根据需要使用。利用金属光栅2的表面等离子增强效应和传统的THz-TDS系统，操作较为简便。该技术无需标记，检测速度快，检测精度较高。金属光栅2的表面等离子增强效应与棱镜耦合的表面等离子共振类似，是利用光栅的周期性结构来产生倏逝波，由于倏逝波对周围环境的微小改变比较敏感，不同水溶液样品的折射率和吸收系数有差异，从而反映到光谱峰值位置和强度上。这在一定程度上解决了太赫兹对水强烈吸收的矛盾，以便更好研究生物组织分子在水环境中的理化性质和相互作用。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案是：用于THz-TDS系统透射式金属光栅的表面等离子增强效应生物检测芯片，包括基底4，金属光栅2以及两者间的样品池3，起夹持保护作用的夹持薄片。

上述的金属光栅SPR的生物检测芯片，采用高阻硅基底4和金属光栅2以及之间的样品池3，并有起夹持保护夹持薄片。进一步，所述夹持薄片采用开孔金属铜或者不需要开孔的环烯烃聚合物(Zeonor)，型号为1420R。高阻硅基底4电阻率不低于20Ω·m，金属光栅厚度为100μm，金属光栅可采用为金、银、铝、不锈钢。若考虑精度金银为最佳，若考虑重复性和经济性则选择铝和不锈钢，并且制作一系列不同光栅参数的金属光栅2。金属光栅2和高阻硅基底4尺寸为1cm×1cm，薄片尺寸为2cm×2cm。若采用金属铜作为夹持薄片，开孔尺寸为0.8cm×0.8cm，金属样品池3的厚度为100μm，样品池3的材质可选择铜、铝和不锈钢，样品池3开孔直径0.7cm。

该芯片能够实现对小剂量生物化学液体样品的太赫兹光谱测量，芯片的重复性高且各部分的通用性较好。

如图1-3所示，用于THz-TDS系统透射式金属光栅SPR的生物检测芯片，包括起加持保护作用的第一夹持薄片1-1，第二夹持薄片1-2，金属光栅2，样品池3，高阻硅基底4。金属光,2的材料可根据实际情况来选择，金属金光栅和银光栅最好，价格也最贵，适合高精密检测；铝和不锈钢效果适中价格便宜，适合大量使用。金属光栅2和高阻硅基底4尺寸为1cm×1cm，夹持薄片尺寸为2cm×2cm，若采用金属铜作为夹持薄片，其开孔尺寸为0.8cm×0.8cm，样品池3的厚度为100μm，样品池3开孔直径0.7cm。

实际使用时，将高阻硅基底4放在平台上，之后将样品池3放在硅基底4上，用注射器取少量待测生物化学样品，滴一到两滴在样品池3中，随后迅速用镊子将金属光栅2放在样品池3上，形成液体层，由于液体表面张力，样品池3中的液体会将高阻硅基底4和金属光栅2黏在一起，再用夹持薄片1-1和1-2夹持住，用透明胶带缠住夹持薄片两端，形成金属光栅SPR生物检测芯片。将芯片放在THz-TDS系统中，就可以进行检测。若夹持薄片选择Zeonor1420R，由于它在太赫兹波段有非常高的透过率，而且在THz-TDS系统检测的干燥环境中可以隔离芯片中液体的水分，保证液体浓度，相对于开孔的金属铜效果更好，有条件时优先选择。

本发明的工作原理如下：

如图4所示，当太赫兹波入射到金属光栅2时，由于光栅的周期性调制，会在光栅表面形成表面等离子体偏振(SPP)，从而产生倏逝波。当入射到液体层的太赫兹波矢与表面等离子波矢匹配时发生共振(SPR)，保证太赫兹光波照射到金属光栅4产生的共振峰位于生物化学样品的太赫兹信息频带以内；则共振时透射光因共振增强，并携带样品信息，在光谱上将显示为特征增强峰，如图5和6所示。高阻硅基底4对太赫兹吸收率较低且没有吸收峰，对检测没有影响。由于倏逝波对周围环境的微小改变比较敏感，不同样品折射率和吸收系数不同，所引起的波矢量也不相同，即使同一种样品，不同浓度时所引起的波矢量也会不同。因此可以通过增强峰的位置和强度来确定样品的种类和样品的浓度。采用该方法检测，样品消耗少、无需标记且检测速度快。

在检测完后，若样品易溶于水，芯片用清水清洗后用热风吹干即可重复利用，若不溶于水，使用相应清洗液用超声波清洗机清洗即可重复使用。

太赫兹波矢与表面等离子波矢匹配条件

$f_{spp}=\left|k_{in}+G_{mn}\right|\frac{c}{2\mathrm{\π}}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m+{\mathrm{\ϵ}}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_m{\mathrm{\ϵ}}_d}\right)}^{1/2}$

这里k_in是入射太赫兹波的入射平面的波矢量，G_mn＝m*2π/L+n*2π/L是结构周期晶格矢量的倒数，ε_m和ε_d是金属和界面被测介质的介电常数。由于我们系统采用垂直入射，入射太赫兹波在界面水平分量为零，故k_in为零；同时在太赫兹波段金属的介电常数远大于被测介质的介电常数，上式可化简为:

${\mathrm{\λ}}_{sp}^{mn}=L\frac{{\left({\mathrm{\ϵ}}_d\right)}^{1/2}}{\sqrt{m^2+n^2}}$

由此式就可知共振峰位与被测介质的介电常数有关，不同样品有不同的介电常数，从而根据光谱的共振峰峰位的不同，鉴别和区分样品。

从文献Real-timequantitativeterahertzmicrofluidicsensingbasedonphotoniccrystalpillararray,Appl.Phys.Lett.102,121113(2013)中可知光栅的周期不同，对同一样品光谱峰位变化影响不同，文献EffectofWood’sanomaliesontheprofileofextraordinarytransmissionspectrathroughmetalperiodicarraysofrectangularsubwavelengthholeswithdifferentaspectratio,OPTICSEXPRESS200917(4)2631中可知光栅的占空比会影响透射光的幅值和峰宽，对光谱的影响也比较明显。某些样品对太赫兹存在特征吸收，因此存在光栅参数与样品配合从而得到更好的光谱。这就是为什么设计不同参数的光栅的原因。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.用于THz-TDS系统的金属光栅(4)表面等离子体效应生物检测芯片，其特征在于，包括基底(2)、金属光栅(4)、位于基底(2)和金属光栅(4)之间的样品池(3)，以及分别夹持在基底(2)和金属光栅(4)外侧的两个夹持薄片；

所述基底(2)采用电阻率不低于20Ω·m的高阻硅材料；

所述金属光栅(4)的光栅常数根据样品的吸收峰位置确定，保证太赫兹光波照射到金属光栅(4)产生的共振峰位于生物化学样品的太赫兹信息频带以内；

所述样品池(3)为具有开孔的薄片结构，所述开孔用于容纳待测的生物样本；

所述两个夹持薄片允许THz-TDS系统发射的光波从所述样品池(3)的开孔位置透过。

2.如权利要求1所述的用于THz-TDS系统的金属光栅(4)表面等离子体效应生物检测芯片，其特征在于，所述夹持薄片为金属薄片，与样品池(3)开孔对应位置开有通孔。

3.如权利要求1所述的用于THz-TDS系统的金属光栅(4)表面等离子体效应生物检测芯片，其特征在于，所述夹持薄片的材料为环烯烃聚合物，型号为1420R。

4.如权利要求1所述的用于THz-TDS系统的金属光栅(4)表面等离子体效应生物检测芯片，其特征在于，所述金属光栅(4)的材料采用金、银、铝及不锈钢中的一种，优选为金或银。

5.如权利要求1所述的用于THz-TDS系统的金属光栅(4)表面等离子体效应生物检测芯片，其特征在于，所述金属光栅(4)尺寸为1cm×1cm。

6.如权利要求1所述的用于THz-TDS系统的金属光栅(4)表面等离子体效应生物检测芯片，其特征在于，所述高阻硅基底(2)尺寸为1cm×1cm。

7.如权利要求1所述的用于THz-TDS系统的金属光栅(4)表面等离子体效应生物检测芯片，其特征在于，所述夹持薄片尺寸为2cm×2cm。

8.如权利要求7所述的用于THz-TDS系统的金属光栅(4)表面等离子体效应生物检测芯片，其特征在于，若采用金属铜加工夹持薄片，所述通孔尺寸为0.8cm×0.8cm。

9.如权利要求7所述的用于THz-TDS系统的金属光栅(4)表面等离子体效应生物检测芯片，其特征在于，样品池(3)的材质为铜、铝或不锈钢；厚度为100μm，其上开孔直径为0.7cm。