CN115420706A - 一种基于微流控-共面波导结合的太赫兹生物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太赫兹生物传感器技术领域，具体涉及一种基于微流控‑共面波导结合的太赫兹生物传感器，包括微流控通道结构、带有谐振结构的共面波导、矩形波导转换结构，所述微流控通道结构设置在带有谐振结构的共面波导上，所述矩形波导转换结构设置有两个，两个所述矩形波导转换结构分别设置在带有谐振结构的共面波导的两端。本发明通过脊波导转换矩形波导的TE模为TEM模，实现与共面波导的高效率耦合；并且本发明通过共面波导与谐振结构结合，实现局域电场增强，增强了太赫兹波与生物样品间的相互作用，实现太赫兹范围内的高灵敏度生物检测。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹生物传感器技术领域，具体涉及一种基于微流控-共面波导结合的太赫兹生物传感器。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10THz范围内的电磁波。THz波具有透射能力强、频率范围宽、信噪比高、单光子能量低等特点，近年来被广泛运用到物体成像、宇宙探测、分子探测、移动通讯等各种领域。
由于很多生物大分子及DNA的旋转及振动能级处于THz波段，所以可以利用THz辐射来对病变生物体及病变标志物进行检测。目前大量研究表明，可以在共面波导(CPW)上制作谐振结构，病变生物体及病变标志物和正常生物体通过谐振结构会导致THz波产生不同的振幅、波形和延迟。通过对生物分子THz吸收谱的研究得到其振动及构象变化信息，可以对相关疾病做出早期诊断。
目前由于水汽对THz波的强吸收及制造工艺等原因，细胞环境生物分子太赫兹谱不能得到有效检测，控制水溶液流量减少吸收和增强太赫兹场与分子作用是解决之一技术瓶颈的可能手段。微流控(Microfluidics)一种精确控制和操控微尺度流体，以在微纳米尺度空间中对流体进行操控为主要特征的科学技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能诸如样品制备、反应、分离和检测等缩微到一个几平方厘米芯片上的能力，其基本特征和最大优势是多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成。是一个涉及了工程学、物理学、化学、微加工和生物工程等领域的交叉学科。微流控是系统的科学技术，它使用几十到几百微米尺度的管道，处理或操控很少量的流体。
目前，引导THz传输到共面波导主要依赖天线和矩形波导。相较于传输天线，矩形波导结构简单，机械强度更大。矩形波导与共面波导在直接馈电的情况下，矩形波导中电磁波主要以TE模、TM模传输，而共面波导传输TEM模，因此需要通过转换结构对THz波进行TE模到TEM模的转换。
发明内容
针对上述矩形波导与共面波导在直接馈电的情况下，矩形波导中电磁波主要以TE模、TM模传输，而共面波导传输TEM模的技术问题，本发明提供了一种基于微流控-共面波导结合的太赫兹生物传感器，通过脊波导转换矩形波导的TE模为TEM模，实现与共面波导的高效率耦合。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于微流控-共面波导结合的太赫兹生物传感器，包括微流控通道结构、带有谐振结构的共面波导、矩形波导转换结构，所述微流控通道结构设置在带有谐振结构的共面波导上，所述矩形波导转换结构设置有两个，两个所述矩形波导转换结构分别设置在带有谐振结构的共面波导的两端。
两个所述矩形波导转换结构之间连接有底座，所述带有谐振结构的共面波导通过光刻胶粘附在底座上。
所述微流控通道结构采用PDMS材料或PMMA材料。
所述微流控通道结构采用PDMS材料时，所述PDMS材料通过热熔键设置在带有谐振结构的共面波导上；所述微流控通道结构采用PMMA材料时，所述PMMA材料与带有谐振结构的共面波导通过可拆卸螺栓和可拆卸螺母连接。
所述微流控通道结构上开设有微流控通道，所述带有谐振结构的共面波导上设置有共面波导谐振结构，所述微流控通道设置在微流控通道结构与带有谐振结构的共面波导的接触面上。
所述共面波导谐振结构包括第一金属臂、第二金属臂和两个相对设置的尖端，所述第一金属臂和第二金属臂均设置在带有谐振结构的共面波导，两个相对设置的尖端分别固定在第一金属臂和第二金属臂上，所述第二金属臂呈回形结构，两个相对设置的尖端之间形成公共电容间隙，所述微流控通道设置在两个尖端的正上方。
所述矩形波导转换结构上连接有脊波导，所述脊波导由三段金属脊构成，所述三段金属脊的长度由上至下依次减小。
所述带有谐振结构的共面波导上设置有纳米孔结构。
所述微流控通道的长度为1.5cm，所述微流控通道的宽度为10um，所述微流控通道的高度为10um。
所述矩形波导转换结构上开设有凹槽，所述脊波导连接在矩形波导转换结构凹槽的上表面，所述脊波导的三段金属脊由上至下的长度分别为245um、200um、140um，所述脊波导的三段金属脊由上至下的距下壁高度分别为230um、80um、35um，所述脊波导的三段金属脊厚度均为140um，所述矩形波导转换结构的材料采用铜，所述矩形波导转换结构凹槽的尺寸为864um×432um。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
1、本发明通过脊波导转换矩形波导的TE模为TEM模，实现与共面波导的高效率耦合；并且本发明通过共面波导与谐振结构结合，实现局域电场增强，增强了太赫兹波与生物样品间的相互作用，实现太赫兹范围内的高灵敏度生物检测。并且本发明通过转换结构对太赫兹波实现模式转换，使其作用于共面波导上，共面波导的谐振结构可以将增强的电磁场高效耦合于微流体通道中的生物样品，从而实现对生物分子的无损定量检测。
2、本发明还可结合纳米孔技术实现单分子检测，通过在共面波导上制备纳米孔实现太赫兹共面波导-固态纳米孔结构，用于探测单个分子穿过固态纳米孔产生的电流信号和太赫兹共振响应从而辨别和表征单个分子。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本发明的装配示意图；
图2为本发明的xz方向示意图；
图3为本发明的xy方向示意图；
图4为本发明中矩形波导转换结构示意图；
图5为本发明中带谐振结构共面波导示意图；
图6为本发明中PDMS微流控通道结构示意图；
图7为本发明采用PMMA制作微流控通道时装配方式图；
图8为本发明共面波导-纳米孔结合的结构示意图；
图9为本发明矩形波导转换结构传输效率图；
图10为本发明共面波导与谐振结构结合的S21参数图。
其中：1为微流控通道结构，2为带有谐振结构的共面波导，3为矩形波导转换结构，4为微流控通道，5为共面波导谐振结构，501为第一金属臂，502为第二金属臂，503为尖端，504为公共电容间隙，6为底座，7为脊波导，8为可拆卸螺母，9为可拆卸螺栓，10为纳米孔结构。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制；基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本实施例中，如图1-4所示，通过脊波导7将矩形波导转换结构3的TE模转换为为TEM模，实现与带有谐振结构的共面波导2的高效率耦合。并且带有谐振结构的共面波导2与共面波导谐振结构5结合实现局域电场增强，增强了太赫兹波与生物样品间的相互作用，实现太赫兹范围内的高灵敏度生物检测。如图6、图7所示，微流控通道结构1优选采用PDMS材料或PMMA材料，当微流控通道结构1使用PDMS材料时，PDMS材料通过热熔键设置在带有谐振结构的共面波导2上，上述结构采用不可逆键和方式进行芯片封装；微流控通道结构1还可使用PMMA材料等硬质材料制备微流控通道结构，则PMMA材料与带有谐振结构的共面波导2通过可拆卸螺栓9和可拆卸螺母8连接，实现芯片的重复利用。
进一步，如图5所示，共面波导谐振结构5包括第一金属臂501、第二金属臂502和两个相对设置的尖端503，其中尖端503生长在第一金属臂501的末端，第二金属臂502呈回形结构，另一尖端503生长在所述第二金属臂502上，两尖端503之间形成公共电容间隙504。尖端503有局域电场增强效果，将增强的电磁场高效耦合于微流控通道4中的生物样品，从而实现对生物分子的无损定量检测。
进一步，如图8所示，带有谐振结构的共面波导2表面制备纳米孔结构10，用于探测单个分子穿过固态纳米孔产生的电流信号和太赫兹共振响应从而辨别和表征单个分子。
进一步，如图9、图10所示，图9为矩形波导转换结构传输效率图，图中曲线为该矩形波导S21曲线，太赫兹波通过该矩形波导后损耗小于-3db；图10为共面波导与谐振结构结合的透射光谱图(S21参数)，其频率范围为0.2到1THz。通过对谐振结构的设计优化，可以实现多个谐振峰，从而获得较大频率范围内的传感。
在本实施例中，基于微流控-共面波导结合的太赫兹生物传感器的制备方法为：将制备有微流控通道结构，同时制备有入液/出液孔的PDMS基片与键合所需的共面波导放入无水乙醇试剂中超声清洗10分钟，取出后放入烘箱中进行烘干。烘干后取出，将PDMS基片微流控通道面朝上，与共面波导一起放入氧等离子体清洗机中轰击15s。将取出来的PDMS基片和共面波导对准后贴合在一起，并用镊子轻轻按压PDMS基片表面，完成PDMS与共面波导的不可逆封接。共面波导与矩形波导底座之间键和方式选择用光刻胶进行粘合。
使用PMMA等硬质材料进行微流控通道制备时，对微流控通道以及矩形波导转换结构底座相同位置进行打孔，并将共面波导镶嵌与底座中央位置，最后使用可拆卸螺栓和螺母将微流控结构与底座实现可逆键合。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于微流控-共面波导结合的太赫兹生物传感器，其特征在于：包括微流控通道结构(1)、带有谐振结构的共面波导(2)、矩形波导转换结构(3)，所述微流控通道结构(1)设置在带有谐振结构的共面波导(2)上，所述矩形波导转换结构(3)设置有两个，两个所述矩形波导转换结构(3)分别设置在带有谐振结构的共面波导(2)的两端。
2.根据权利要求1所述的一种基于微流控-共面波导结合的太赫兹生物传感器，其特征在于：两个所述矩形波导转换结构(3)之间连接有底座(6)，所述带有谐振结构的共面波导(2)通过光刻胶粘附在底座(6)上。
3.根据权利要求1所述的一种基于微流控-共面波导结合的太赫兹生物传感器，其特征在于：所述微流控通道结构(1)采用PDMS材料或PMMA材料。
4.根据权利要求3所述的一种基于微流控-共面波导结合的太赫兹生物传感器，其特征在于：所述微流控通道结构(1)采用PDMS材料时，所述PDMS材料通过热熔键设置在带有谐振结构的共面波导(2)上；所述微流控通道结构(1)采用PMMA材料时，所述PMMA材料与带有谐振结构的共面波导(2)通过可拆卸螺栓(9)和可拆卸螺母(8)连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于微流控-共面波导结合的太赫兹生物传感器，其特征在于：所述微流控通道结构(1)上开设有微流控通道(4)，所述带有谐振结构的共面波导(2)上设置有共面波导谐振结构(5)，所述微流控通道(4)设置在微流控通道结构(1)与带有谐振结构的共面波导(2)的接触面上。
6.根据权利要求5所述的一种基于微流控-共面波导结合的太赫兹生物传感器，其特征在于：所述共面波导谐振结构(5)包括第一金属臂(501)、第二金属臂(502)和两个相对设置的尖端(503)，所述第一金属臂(501)和第二金属臂(502)均设置在带有谐振结构的共面波导(2)，两个相对设置的尖端(503)分别固定在第一金属臂(501)和第二金属臂(502)上，所述第二金属臂(502)呈回形结构，两个相对设置的尖端(503)之间形成公共电容间隙(504)，所述微流控通道(4)设置在两个尖端(503)的正上方。
7.根据权利要求1所述的一种基于微流控-共面波导结合的太赫兹生物传感器，其特征在于：所述矩形波导转换结构(3)上连接有脊波导(7)，所述脊波导(7)由三段金属脊构成，所述三段金属脊的长度由上至下依次减小。
8.根据权利要求1所述的一种基于微流控-共面波导结合的太赫兹生物传感器，其特征在于：所述带有谐振结构的共面波导(2)上设置有纳米孔结构(10)。
9.根据权利要求4所述的一种基于微流控-共面波导结合的太赫兹生物传感器，其特征在于：所述微流控通道(4)的长度为1.5cm，所述微流控通道(4)的宽度为10um，所述微流控通道(4)的高度为10um。
10.根据权利要求7所述的一种基于微流控-共面波导结合的太赫兹生物传感器，其特征在于：所述矩形波导转换结构(3)上开设有凹槽，所述脊波导(7)连接在矩形波导转换结构(3)凹槽的上表面，所述脊波导(7)的三段金属脊由上至下的长度分别为245um、200um、140um，所述脊波导(7)的三段金属脊由上至下的距下壁高度分别为230um、80um、35um，所述脊波导(7)的三段金属脊厚度均为140um，所述矩形波导转换结构(3)的材料采用铜，所述矩形波导转换结构(3)凹槽的尺寸为864um×432um。
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| CN114527090B (zh) * | 2022-02-23 | 2024-10-01 | 中北大学 | 一种基于共面波导与谐振结构结合的太赫兹生物传感器 |
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