CN115901673A - 基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器及其制备方法和探测光谱系统，涉及生物医学检测领域，包括：基底，由太赫兹高透过率材料制成；超表面结构，集成在基底表面，包括金属开口环和金属切割导线；其中，成对的金属开口环作为环形偶极子的谐振器，每一对金属开口环之间设有金属切割导线，金属切割导线作为电偶极子的谐振器。超表面所产生的耦合共振的灵敏度和共振强度被显著提高，金属介质的复合结构将场的能量限制在其表面的微小空间内，增强太赫兹波与待测物的相互作用，实现了对微小生物物质的超高灵敏度探测，同时具有便携、快速、免标签等优点。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学检测领域，具体而言，涉及基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器。
背景技术
太赫兹(THz)作为一种新型的光学检测技术，凭借其低光子能量、强穿透性等特点，在生物医学领域得到了广泛的应用。生物物质在THz波段的指纹频率，THz技术为生物大分子(包括DNA、RNA、氨基酸和蛋白质等)的定性和定量检测提供了一个全新的平台。然而，由于缺乏强大的辐射源，以及生物分析物在THz区域内的分子间或分子内振动非常微弱，严重限制了THz技术在生物检测应用的发展。
超表面是由周期性排列的亚波长原子或纳米天线组成的超薄的平面结构。通过控制其微结构与电磁辐射之间的相互响应，在超表面上实现了新颖的物理效果。超表面的一些超凡特性，如负折射率和隐形，吸引了各个领域研究人员的广泛关注。随着几十年的快速发展，超表面在诸多领域取得了突破性的发展，如消色差透镜、激光束和多色全息等，并迅速渗透到现代纳米光子学的各个分支。超表面为以期望的方式控制光学响应来增强光与物质的相互作用提供了一个理想的方式。由于其强大的近场增强，高灵敏度的超表面被用作感知微小变化的光学传感器。但是现有的基于超表面结构的探测器普遍存在灵敏度较低和共振强度较弱等问题，在微小生物物质的检测和鉴别中难以满足超高灵敏的需求。
因此，如何进一步改进现有的太赫兹生物传感器以满足超高灵敏度的需求成为需要解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术或相关技术中存在的技术问题之一，提供了一种基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器，实现了对微小生物物质的超高灵敏度鉴别和定量探测，同时具有便携、快速、免标签等优点。
本发明的第一方面提供了一种基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器，包括：基底，由太赫兹高透过率材料制成；超表面结构，集成在基底表面，包括金属开口环和金属切割导线；其中，成对的金属开口环作为环形偶极子的谐振器，每一对金属开口环之间设有金属切割导线，金属切割导线作为电偶极子的谐振器，以使两种偶极子同时激发并产生建设性和破坏性干涉；环形偶极子对电偶极子具有增益效应，超表面结构所产生的耦合共振的灵敏度以及共振强度被显著提高，金属介质的复合结构将场的能量限制在其表面的微小空间内，增强太赫兹波与待测物的相互作用。
根据本发明提供的基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器，优选地，超表面结构为周期排列的多个单元结构，每个单元结构包括一对金属谐振器和一条金属切割导线；金属谐振器为开口谐振环；两个金属谐振环的开口居中设置，组成一对金属谐振器用来激发环形偶极子；在同一平面里上下对称设置的金属谐振器之间由一条金属切割导线分隔。
根据本发明提供的基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器，优选地，一对开口谐振环激发环形偶极子，一条金属切割导线分别激发电偶极子。
根据本发明提供的基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器，优选地，金属开口环由金、银或铝中的任意一种制备而成。
根据本发明提供的基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器，优选地，制备太赫兹生物传感器的方法包括：采用丙酮和异丙醇对石英衬底进行清洗，制得基底；采用光刻和离子束蚀刻方法将金属开口环和金属切割导线集成至基底表面；其中，一对对称分布的金属开口环和置于金属开口环之间的一条金属切割导线组成一个单元结构，多个单元结构周期排列。
根据本发明提供的基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器，优选地，石英衬底厚度为500μm。
根据本发明提供的基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器，优选地，采用阶梯光刻法和离子束刻蚀法在钛和金膜上制备金属超表面结构。
根据本发明提供的基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器，优选地，钛的厚度为10nm，金膜的厚度为160nm。
本发明取得的有益效果至少包括：由于环形偶极子对电偶极子的增益效应，超表面所产生的耦合共振的灵敏度和共振强度被显著提高，金属介质的复合结构将场的能量限制在其表面的微小空间内，增强了太赫兹波与待测物的相互作用，从而在实际应用中实现对微小生物物质的鉴别和定量探测，同时具有便携、快速、免标签等优点。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器的平面结构示意图。
图2示出了根据本发明实施例的基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器的电磁场分布示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
如图1所示，根据本发明的一个实施例，公开了一种基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器，包括：由太赫兹高透材料制成的基底2，以及集成在基底表面的超表面结构；该超表面结构包括金属开口环3和金属切割导线1；其中，成对的金属开口环作为环形偶极子的谐振器，每一对金属开口环之间设有金属切割导线，金属切割导线作为电偶极子的谐振器，以使两种偶极子同时激发并产生建设性和破坏性干涉；环形偶极子对电偶极子具有增益效应，超表面结构所产生的耦合共振的灵敏度以及共振强度被显著提高，金属介质的复合结构将场的能量限制在其表面的微小空间内，增强太赫兹波与待测物的相互作用。
在该实施例中，传感器的单个单元结构是由一条金属切割导线和一对对称的开口谐振环组成，金属切割导线位于单元中间，开口谐振环上下对称排布于金属切割导线两边；金属切割导线是激发电偶极子的谐振器，一对开口谐振环是激发环形偶极子的谐振器，两种偶极子同时激发并产生建设性和破坏性干涉；由于在金属切割导线上下增加了谐振环，从而产生耦合共振；由于环形偶极子对电偶极子的增益效应，超表面的耦合共振具有更高灵敏度和共振强度，从而实现了对微小生物物质的鉴别和定量检测。
根据上述实施例，优选地，超表面结构为周期排列的多个单元结构，每个单元结构包括一对金属谐振器和一条金属切割导线；金属谐振器为开口谐振环；两个金属谐振环的开口居中设置，组成一对金属谐振器用来激发环形偶极子；在同一平面里上下对称设置的金属谐振器之间由一条金属切割导线分隔。
根据上述实施例，优选地，一对开口谐振环激发环形偶极子，一条金属切割导线分别激发电偶极子。
根据上述实施例，优选地，金属开口环由金、银或铝中的任意一种制备而成。
如图2所示，本发明还公开了两种偶极子相干原理：
超表面单元结构的两部分，即金属切割导线和一对开口谐振环(金属开口环)，分别控制电偶极子和环形偶极子。对于电偶极子谐振器，如图2顶部所示，电流c1从正电荷流向负电荷，从而在金属切割导线周围产生磁场m1。如图2底部所示，对称的开口谐振环上的表面电流c2以相反的方向流动，形成一对反向磁偶极子。磁偶极子进一步耦合以形成环形磁场m2，该磁场被限制在小空间中并紧紧围绕金属切割导线。根据右手法则，环形偶极子T的方向与x方向平行。环形偶极子可以通过将时变磁场集中在一个小的圆形区域来局域能量，从而大大抑制结构和自由空间之间的辐射损失，并增强光-物质相互作用。当环形偶极子谐振器产生的磁场与金属切割导线产生的磁场方向相同时，环形偶极子增强了电偶极子。在相反的方向上，电偶极子被削弱。因此，共振的模式I(低频的谷)和模式II(高频的谷)分别由环形偶极子的增强和减弱形成，图2左侧显示出了环形偶极子对电偶极子的增强，图2右侧显示出了环形偶极子对电偶极子的减弱。
根据本发明的又一个实施例，还公开了基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器的制备方法，包括：采用丙酮和异丙醇对石英衬底进行清洗，制得基底；采用光刻和离子束蚀刻方法将金属开口环和金属切割导线集成至基底表面；其中，一对对称分布的金属开口环和置于金属开口环之间的一条金属切割导线组成一个单元结构，多个单元结构周期排列。
根据上述实施例，优选地，石英衬底厚度为500μm。
根据上述实施例，优选地，采用阶梯光刻法和离子束刻蚀法在钛和金膜上制备金属超表面结构。
根据上述实施例，优选地，钛的厚度为10nm，金膜的厚度为160nm。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)
1.一种基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器，其特征在于，包括：
基底，由太赫兹高透过率材料制成；
超表面结构，集成在所述基底表面，包括金属开口环和金属切割导线；
其中，成对的所述金属开口环作为环形偶极子的谐振器，每一对所述金属开口环之间设有所述金属切割导线，所述金属切割导线作为电偶极子的谐振器，以使两种偶极子同时激发并产生建设性和破坏性干涉；所述环形偶极子对电偶极子具有增益效应，所述超表面结构所产生的耦合共振的灵敏度以及共振强度被显著提高，金属介质的复合结构将场的能量限制在其表面的微小空间内，增强太赫兹波与待测物的相互作用。
2.根据权利要求1所述的基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器，其特征在于，所述超表面结构为周期排列的多个单元结构，每个单元结构包括一对金属谐振器和一条金属切割导线；金属谐振器为开口谐振环；两个金属谐振环的开口居中设置，组成一对金属谐振器用来激发环形偶极子；在同一平面里上下对称设置的金属谐振器之间由一条金属切割导线分隔。
3.根据权利要求2所述的基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器，其特征在于，一对开口谐振环激发环形偶极子，一条金属切割导线分别激发电偶极子。
4.根据权利要求1所述的基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器，其特征在于，所述金属开口环由金、银或铝中的任意一种制备而成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器，其特征在于，制备所述太赫兹生物传感器的方法包括：
采用丙酮和异丙醇对石英衬底进行清洗，制得所述基底；
采用光刻和离子束蚀刻方法将所述金属开口环和所述金属切割导线集成至所述基底表面；
其中，一对对称分布的所述金属开口环和置于所述金属开口环之间的一条金属切割导线组成一个单元结构，多个单元结构周期排列。
6.根据权利要求5所述的基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器，其特征在于，所述石英衬底厚度为500μm。
7.根据权利要求5所述的基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器，其特征在于，采用阶梯光刻法和离子束刻蚀法在钛和金膜上制备所述金属超表面结构。
8.根据权利要求7所述的基于两种偶极子相干共振的高灵敏太赫兹生物传感器，其特征在于，所述钛的厚度为10nm，所述金膜的厚度为160nm。
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|---|---|---|---|---|
| CN117589714A (zh) * | 2024-01-18 | 2024-02-23 | 中国矿业大学 | 一种环偶极子激发的高q值太赫兹超表面传感器 |
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- 2023-02-06 CN CN202310063486.2A patent/CN115901673A/zh active Pending
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| CN117589714A (zh) * | 2024-01-18 | 2024-02-23 | 中国矿业大学 | 一种环偶极子激发的高q值太赫兹超表面传感器 |
| CN117589714B (zh) * | 2024-01-18 | 2024-04-05 | 中国矿业大学 | 一种环偶极子激发的高q值太赫兹超表面传感器 |
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