CN113702326A - 用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太赫兹检测领域，具体涉及一种用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面。通过均具有介电基底、箕舌线型微腔以及双金属边带滤波器的多个阵列排布的超表面单元，使得双金属边带结合箕舌线型渐变增强的结构能够在立方微米空间内增强光子密度。本发明连续的双金属边带增强了超表面单元的整体电容，进一步减小传统的箕舌线型尖端的电磁有效增强空间，与没有连续金属带的超表面腔相比，使用连续的金属边带的超表面腔能在立方微米范围内储存更多的电磁能量，使得品质因数与有效模体积之比极大的增强。因此，本发明的用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面提高了太赫兹波检测微量蛋白分子的灵敏度，可以达到皮克量级。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹检测领域，具体涉及一种用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面。
背景技术
从20世纪80年代开始蛋白分子的研究进入科学家的视野，蛋白分子是生物体里面非常重要的一个大分子，研究病毒中的蛋白分子为攻克癌症、为抗病毒及传染病的研究有重大意义。目前在世界上一些特效的药物里面，有相当多的药是蛋白分子核酸，所以说这个领域的研究有很重要的前景。另外，近几十年来，太赫兹波以其独特的优点，已成为世界上各国研究的一个重要领域。太赫兹波是指频率在0.1-10THz范围(波长在0.03到3mm范围)的电磁波，在电磁波谱中位于毫米波与红外光学之间的电磁波谱间隙。太赫兹波特殊的电磁波谱位置使得它具有许多独特的优点：具有携带信息量丰富、高时空相干性、低光子能量等特性，在天文、生物、计算机、通信等科学领域有着巨大的应用价值。
目前，医学上对微量蛋白分子存在检测困难或者检测过程复杂等问题，建立一种简便、迅速、准确的检测微量蛋白分子的方法是必要的。而太赫兹电磁波可以作为医学诊断光源，其与传统的医学诊断光源相比，其穿透力更强，可直接对可见光区域内不可见的物体透视成像，并且对于非极性物质和一些介电材料也可以轻易穿透。由于太赫兹电磁波的光子能量非常低，约为4meV(毫电子伏特)，大约是X射线光子能量的百万分之一，对于生物分子结构的破坏性几乎可以忽略不计，这些特点使得太赫兹成像技术快速发展。同时，对某些生物大分子、生物体的标志物的检测及物质进行鉴别也有很好的效果。
此外，提高太赫兹检测灵敏度的有效方法是增强光与物质的相互作用。超表面结构利用等离子共振效应，将太赫兹波束缚在结构表面，从而增强了器件的品质因数，提升了检测灵敏度。以经典的蝴蝶结型超表面结构为例，其具有束缚电磁波能量在蝴蝶结尖端区域的能力，广泛应用于局域场增强相关的超表面传感器的设计和应用。此外，微小空间内束缚电磁波的能力，对于增强光子密度，提升检测灵敏度，同样重要。在空间上对光子的束缚能力可用有效模体积描述。然而，这方面对器件的优化设计结构很少被人提及。
发明内容
为解决上述问题，提出了一种用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面，其特征在于，包括：阵列排布的多个超表面单元，其中，多个超表面单元均具有介电基底、箕舌线型微腔以及双金属边带滤波器，箕舌线型微腔以及双金属边带滤波器均位于介电基底上。本发明提供的用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面，还可以具有这样的特征，其中，超表面单元呈矩形，且该超表面单元的单元尺寸为数十个微米量级，阵列排布的多个超表面单元组成的有效模体积优化太赫兹超表面的尺寸为厘米量级。
本发明提供的用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面，还可以具有这样的特征，其中，双金属边带滤波器具有两个金属边带，且该两个金属边带相互平行，双金属边带滤波器的厚度为100nm-200nm，双金属边带滤波器的材质为铝、金以及银中的任意一种，两个金属边带的长为介电基底的长的三分之一，两个金属边带的宽与介电基底的宽相同。
本发明提供的用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面，还可以具有这样的特征，其中，箕舌线型微腔位于两个金属边带的中间，并且箕舌线型微腔与两个金属边带的间距均相同，箕舌线型微腔的间隙尺寸为微米量级。
本发明提供的用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面，还可以具有这样的特征，其中，介电基底由对太赫兹透明的材料制成，其厚度为亚毫米量级。
本发明提供的用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面，还可以具有这样的特征，其中，箕舌线型微腔的箕舌线的方程为：
上式中，以超表面单元的底边长的中点作为坐标原点，底边长为纵轴建立的直角坐标系，x为直角坐标系的横轴，y为直角坐标系的纵轴，a为箕舌线型的底边长的一半。
发明作用与效果
根据本发明的用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面，通过均具有介电基底、箕舌线型微腔以及双金属边带滤波器的多个阵列排布的超表面单元，使得双金属边带结合箕舌线型渐变增强的结构能够在立方微米空间内增强光子密度。本发明阵列排布形成的连续的双金属边带增强了超表面单元的整体电容，进一步减小传统的箕舌线型尖端的电磁有效增强空间(减小为五分之一)。同时，连续的双金属边带允许捕获的共振激励通过超表面传输，而抑制非共振激励的传输。与没有连续金属带的超表面腔相比，使用连续的金属边带的超表面腔能在立方微米范围内储存更多的电磁能量，使得品质因数与有效模体积之比极大的增强。因此，本发明的有效模体积优化太赫兹超表面提高了太赫兹波检测微量蛋白分子灵敏度，可以达到皮克量级。
此外，通过有效模体积优化太赫兹超表面检测蛋白分子，有效模体积最小化的超表面和待检样品之间的相互作用检测微量蛋白分子，超表面结构简单，生产工艺成熟，易于批量生产，兼容各类太赫兹频域检测设备，与待测样本简单叠加即可使用，效果明显且易于操作。
附图说明
图1是本发明实施例中用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面的超表面单元的阵列排布图；
图2是本发明实施例中超表面单元结构的主视图；
图3是本发明实施例中超表面单元结构的侧视图；
图4是本发明实施例中超表面单元结构场分布图；
图5是本发明实施例中对待测蛋白进行抗原修饰的过程图；
图6是本发明实施例中实施太赫兹光谱分析系统进行检测的过程示意图；
图7是本发明实施例中微量蛋白分子对应的透射谱；
图8是本发明实施例中微量蛋白分子与频率平移量的拟合曲线。
具体实施方式
以下结合附图以及实施例来说明本发明的具体实施方式。
<实施例>
本实施例提供一种用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面。
图1是本发明实施例中用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面的超表面单元的阵列排布图。
如图1所示，用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面1000包括阵列排布的多个超表面单元100。该超表面单元100为长为80微米，宽为85微米的矩形。阵列排布的多个超表面单元100组成的有效模体积优化太赫兹超表面每片边长15毫米，且内含超表面单元100的数目约为22500个。
图2是本发明实施例中超表面单元结构的主视图；图3是本发明实施例中超表面单元结构的侧视图。
如图2和图3所示，多个超表面单元100均具有介电基底10、箕舌线型微腔20以及双金属边带滤波器30，箕舌线型微腔20以及双金属边带滤波器30均位于介电基底10上，通过光刻以及镀膜工艺使得箕舌线型微腔20以及双金属边带滤波器30附着于介电基底10上。
数个相同的超表面单元100的双金属边带滤波器30中两个金属边带31分别首尾直线对齐排列，并且所有箕舌线型微腔20一样，形成一列超材料，数列超表面单元100同方向对齐最终组成一片完整的由超材料单元横竖阵列排布的超材料结构，即本实施例中的有效模体积优化太赫兹超表面1000。
介电基底10为高阻硅，其厚度为500微米。
箕舌线型微腔20的箕舌线型通过光刻工艺及蚀刻工艺制备，箕舌线的方程为：
上式中，以超表面单元的底边长的中点作为坐标原点，底边长为纵轴建立的直角坐标系，x为直角坐标系的横轴，y为直角坐标系的纵轴，a为箕舌线型的底边长的一半，本实施例中定圆直径a为6um。箕舌线型是箕舌线关于横轴对称而形成的，两个箕舌线型尖端形成的箕舌线型微腔20的间隙为2um。箕舌线型微腔20位于两个金属边带31的中间，该箕舌线型微腔20的腔壁为双金属边带滤波器30。箕舌线型微腔20位于两个金属边带31中间，并且箕舌线型微腔20与两个金属边带31的间距均相同。
双金属边带滤波器30的厚度为0.2um，双金属边带滤波器30的材质为铝。双金属边带滤波器30具有两个金属边带31，且该两个金属边带31平行于箕舌线型微腔20的左右两边。两个金属边带31的宽均为25um，约为介电基底的长的三分之一。两个金属边带31的长与介电基底的长相同。
图4是本发明实施例中超表面单元结构场分布图。
如图4所示，品质因数为7，有效模体积为3.63um3，品质因数和有效模体积的比值为1.92。品质因数为箕舌线型微腔20中的能量与单位时间减小的能量之比。有效模体积为在离超表面上下数十微米的空间内对电场强度E(r)的平方和介电常数ε(r)的乘积的体积分，与此空间内电场强度E(r)的平方和介电常数ε(r)的乘积的最大值之比。
本实施例中的待测样本为Aβ1-42抗原蛋白，通过有效模体积优化太赫兹超表面1000检测蛋白分子的方法包括如下步骤：
步骤S1，将待测的Aβ1-42抗原蛋白与抗体特异性结合，对Aβ1-42抗原蛋白进行抗原修饰。
图5是本发明实施例中对待测蛋白进行抗原修饰的过程图。
如图5所示，步骤S1包括如下子步骤：
步骤S1-1，去离子水和乙醇清洗有效模体积优化太赫兹超表面三次，去除表面杂质，并晾干。然后，将浓度为2％的3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)滴到有效模体积优化太赫兹超表面表面，并在25℃孵育20分钟。之后，用去离子水洗涤有效模体积优化太赫兹超表面表面，并晾干。
步骤S1-2，在有效模体积优化太赫兹超表面表面加入5μl的金纳米粒子(AuNPs)，并在4℃孵育3小时。
步骤S1-3，将Aβ1-42抗体溶液(Antibody)添加到有效模体积优化太赫兹超表面表面，并在25℃孵育1小时。Aβ1-42抗体溶液为1ng/ml、20ng/ml以及150ng/ml三种不同的浓度。
步骤S1-4，将牛清蛋白(BSA)滴加到有效模体积优化太赫兹超表面表面，用与占据未结合抗体的金纳米颗粒，然后用磷酸缓冲盐液清洗多余的BSA。
步骤S1-5，将Aβ1-42抗原(Antigen)滴加有效模体积优化太赫兹超表面表面孵育，使抗原抗体结合，然后用磷酸缓冲盐液清洗多余的抗原。Aβ1-42抗原的浓度为0.1ng/ml～25ng/ml。
步骤S2，将经过抗原修饰的待测样本进行太赫兹检测。
步骤S2包括如下子步骤：
步骤S2-1，将经过牛清蛋白孵育后的有效模体积优化太赫兹超表面吹干后放置于太赫兹检测设备内，测量其透射谷对应的谐振频率f1。
步骤S2-2，将经过抗原孵育后的有效模体积优化太赫兹超表面吹干后放置于太赫兹检测设备内，测量其透射谷对应的谐振频率f2。
步骤S2-3，基于谐振频率f2与谐振频率f1之差检测抗原的浓度变化。
图6是本发明实施例中实施太赫兹光谱分析系统进行检测的过程示意图。
如图6所示，利用太赫兹检测设备的时域太赫兹波谱系统或者频率可调的固态太赫兹扫描透射系统，太赫兹光源200输出频率为0.1-3THz太赫兹时域信号，光谱仪300测量经Aβ1-42抗原孵育后的有效模体积优化太赫兹超表面100的透射谱。
图7是本发明实施例中微量的蛋白分子对应的透射谱。
如图7所示，图中的曲线为Aβ1-42的质量分别为0pg、200pg、400pg、600pg、800pg以及100pg时对应的透射谱。
图8是本发明实施例中微量的蛋白分子与频率平移量的拟合曲线。
如图8所示，Aβ1-42的质量与频率平移量的拟合曲线为：y＝0.16629x+0.52381，其中，x为Aβ1-42的质量，y为频率平移量。
实施例作用与效果
根据本实施例的用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面，通过均具有介电基底、箕舌线型微腔以及双金属边带滤波器的多个阵列排布的超表面单元，使得双金属边带结合箕舌线型渐变增强的结构能够在立方微米空间内增强光子密度。本实施例的双金属边带增强了超表面单元的整体电容，进一步减小传统的箕舌线型尖端的电磁有效增强空间(减小为五分之一)。同时，阵列排布形成的连续的双金属边带允许捕获的共振激励通过超表面传输，而抑制非共振激励的传输。与没有连续金属带的超表面腔相比，使用连续的金属边带的超表面腔能在立方微米范围内储存更多的电磁能量，使得品质因数与有效模体积之比极大的增强。因此，本实施例的用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面提高了太赫兹波检测微量蛋白质质量的灵敏度，可以达到皮克量级。
本实施例中的用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面提高了太赫兹波检测微量蛋白分子的灵敏度，可以达到皮克量级。基于有效模体积最小化的超表面和待检样品之间的相互作用检测微量蛋白分子，这种超表面结构简单，生产工艺成熟，易于批量生产，兼容各类太赫兹频域检测设备，与待测样本简单叠加即可使用，效果明显且易于操作。
上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。
Claims (7)
1.一种用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面，其特征在于，包括：
阵列排布的多个超表面单元，
其中，多个所述超表面单元均具有介电基底、箕舌线型微腔以及双金属边带滤波器，
所述箕舌线型微腔以及所述双金属边带滤波器均位于所述介电基底上。
2.根据权利要求1所述的用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面，其特征在于：
其中，所述超表面单元呈矩形，且该超表面单元的单元尺寸为数十个微米量级，
阵列排布的多个所述超表面单元组成的有效模体积优化太赫兹超表面的尺寸为厘米量级。
3.根据权利要求1所述的用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面，其特征在于：
其中，所述双金属边带滤波器具有两个金属边带，且该两个金属边带相互平行，
所述双金属边带滤波器的厚度为100nm-200nm，
所述双金属边带滤波器的材质为铝、金以及银中的任意一种，
两个所述金属边带的长为所述介电基底的长的三分之一，
两个所述金属边带的宽与所述介电基底的宽相同。
4.根据权利要求3所述的用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面，其特征在于：
其中，所述箕舌线型微腔位于两个所述金属边带的中间，并且所述箕舌线型微腔与两个所述金属边带的间距均相同，
所述箕舌线型微腔的间隙尺寸为微米量级。
5.根据权利要求1所述的用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面，其特征在于：
其中，所述介电基底由对太赫兹透明的材料制成，其厚度为亚毫米量级。
6.根据权利要求1所述的用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面，其特征在于：
其中，所述介电基底的材料为高阻硅或石英。
7.根据权利要求1所述的用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面，其特征在于：
其中，所述箕舌线型微腔的箕舌线的方程为：
上式中，以所述超表面单元的底边长的中点作为坐标原点，底边长为纵轴建立的直角坐标系，x为直角坐标系的横轴，y为直角坐标系的纵轴，a为所述箕舌线型的底边长的一半。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张俊卿 等: "改进型蝴蝶结超表面及在痕量铅离子检测中的应用", 《光电工程》 * |
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