CN215066155U - 对偏振无要求的血或尿液太赫兹超材料检测芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种对偏振无要求的血或尿液太赫兹超材料检测芯片，包括两层，下层为长方形基底层，上层为带阵列排列的谐振环单元结构的金属层，金属层空间整体构成超材料，谐振环单元结构上覆盖金属，谐振环外部分无金属覆盖，谐振环单元由4个相同的非对称单向开口谐振环上下左右对称排列，谐振环开口循环角向，抵消光偏振。采用循环角向结构，有效提高生物医学检测的检测灵敏度和准确度，相比于传统方法灵敏度提升1000倍；操作简单，适用于普通医护人员；可调谐一系列参数来适配不同波段，便于用于市面上的光谱仪器，简单方便；复杂的前处理手段有效提高了生物医学检测的速度，提高了医疗资源利用率。

Description

对偏振无要求的血或尿液太赫兹超材料检测芯片

技术领域

本实用新型涉及一种检测技术，特别涉及一种对偏振无要求的血或尿液太赫兹超材料检测芯片。

背景技术

目前医学检测方法本质多为化学检测，需要采用试剂与样本发生反应，不仅检测时间长、损耗样本，且后续无法进行二次检测，因此准确性和重复性较低。医学研究仍在不断寻找无损、快速且准确的新型检测方法。

太赫兹(THz)波是介于毫米波与红外波之间的电磁波，具有低电离能、高穿透性、指纹谱识别、相干性等性质，不会损害细胞组织，从而实现无损检测；能够与多数生物分子发生共振吸收，从而得到物质本身的物理与化学信息。所以利用太赫兹技术在探索物质分析的应用中有重要价值，相较于传统医学检测方法更精准，快速。然而，传统太赫兹波对样本检测时，其特征峰幅值随样品浓度的降低会急剧下降，检测限仅在毫克量级。但实际人体样本中待测疾病因子的浓度却在微克量级以下，无法满足医学的检测需求。此外，现阶段实际样本的混合物特性使得太赫兹光谱繁杂难辨，还未能有真正适用于医学临床的太赫兹检测方法和成果出现。针对这些问题，一些研究学者们提出结合太赫兹和超材料生物传感器件突破传统传感器极限来进行检测，此技术的传感器具有1)样品用量少、灵敏度高；2)无需加入其他试剂，无标记检测；3)响应快，测量简单等优点。而传统的超材料芯片其响应原理需要设计为单向缺口结构，用于增强电场。但是这种结构会引起光的偏振变化，从而引起信号幅度的变化，使得对操作具有较高要求，不同的人操作误差也大有不同，对实验和检测具有较大干扰。

发明内容

为了避免太赫兹技术检测局限性，提出了一种对偏振无要求的血或尿液太赫兹超材料检测芯片，基于反射式太赫兹时域光谱检测技术，使得检测更快速、简便，且更为精准，对医学实时监控病情发展和辅助医生的准确诊断具有重要作用。本实用新型的技术方案为：一种对偏振无要求的血或尿液太赫兹超材料检测芯片，包括两层，下层为长方形基底层，上层为带阵列排列的谐振环单元结构的金属层，金属层空间整体构成超材料，每个谐振环单元结构上覆盖金属，谐振环外部分无金属覆盖，每个谐振环单元结构相同均由4个相同的非对称单向开口谐振环上下左右对称排列，每个谐振环单元中谐振环开口方向不相同，4个谐振环构成的循环角向，抵消光偏振。

优选的，所述4个谐振环开口方向依次0、90°、180°、270°顺时针排列。

优选的，所述金属层为导电性能好的金。

优选的，所述基底层选用对入射太赫兹波波长选择性反射或对太赫兹波反射小的材料。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型对偏振无要求的血或尿液太赫兹超材料检测芯片，采用循环角向结构，有效提高生物医学检测的检测灵敏度和准确度，相比于传统方法灵敏度提升1000倍；操作简单，大大降低操作难度，适用于普通医护人员；可调谐一系列参数来适配不同波段，便于用于市面上的光谱仪器，简单方便；复杂的前处理手段有效提高了生物医学检测的速度，提高了医疗资源利用率。

附图说明

图1为本实用新型对偏振无要求的血或尿液太赫兹超材料检测芯片结构示意图；

图2为本实用新型中一个谐振环单元示意图；

图3为本实用新型对偏振无要求的血或尿液太赫兹超材料检测芯片电场强度图；

图4为实施例一不同角度排列的谐振环单元结构仿真图；

图5为实施例二不同角度排列的谐振环单元结构仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示对偏振无要求的血或尿液太赫兹超材料检测芯片结构示意图，芯片由两层组成，下层为长方形基底层，其材料为石英(SiO2)，上层为带阵列排列的谐振环单元结构的金属层，金属层空间整体构成超材料，谐振环单元结构上覆盖金属，构成图形设计，谐振环外部分无金属。

鉴于透射式芯片受实际加工限制，总体透射率不是很高，因此将芯片改成反射结构，基底层选用对入射太赫兹波波长选择性反射或对太赫兹波反射小的材料，如石英；金属层，其材料为金，具有良好电导率。通过将谐振环单元进行循环角向设计和超材料芯片相结合，以提高检测限且消除光的偏振。如图2所示一个谐振环单元示意图，金属层中谐振环单元通过图形设计，使其成为循环角向结构，图2中有4个相同的非对称单向开口谐振环上下左右对称排列，谐振环开口方向依次0、90°、180°、270°顺时针排列，当太赫兹波入射到表面时，沿电场方向为轴线的左右部分会产生电势差，诱导电容电感效应，生成振荡电流，从而使得超结构产生特征吸收(如图3所示，电场方向与X、Y轴都呈45°，当电场穿过时，由于谐振环的不对称性，以电场方向为轴线，由于存在缺口，金属左右部分的占比不同，从而引起电势差，最终产生震荡电流)。四个谐振环组成一个周期，构成的循环角向，把光的偏振抵消，四个不对称的组成一个循环角向也就是一个周期，谐振环单元周期为L＝40μm，周期尺寸是根据太赫兹频率来调节。把50nm厚的金(Au)金属薄膜(图中灰色部分)将其覆盖在在基底上形成周期性金属开口谐振环，谐振环开口大小h＝3μm，谐振环内圆直径d1＝9μm，谐振环外圆直径d2＝16.6μm，线宽g＝3.8μm。

如图4、5所示两种不同角度、不同排列的谐振环结构仿真图；可以看到为了消除光的偏振影响，将芯片结构设计为角向，如图4所示角度变化不同或排序不同会导致等效电容不匹配，从而导致在不同偏振下结果不同，如图4中两个太赫兹光谱图中0°、45°、90°的太赫兹光偏振方向得到的结果所示。通过不断地摆放对比实验得出，必须要按照以0°、90°、180°、270°这种排列，才能保证每个环等效电容相同从而实现偏振无关的效果，故最后设计成了如图1、2所示的循环角向设计，大幅度提升信号稳定性。实施例中，对偏振无要求的血或尿液超材料检测芯片包含了基底层以及金属层，其中，金属层需要进行图形设计为循环角向结构。在芯片表面滴有血或尿液样本，放入干燥系统中，去掉样品中的水分，减少水对太赫兹波的吸收，之后将带有样品的芯片放入太赫兹时域光谱系统，当太赫兹光照射到芯片表面时，沿电场方向为轴线的左右部分会产生电势差，诱导电容电感效应，生成振荡电流，从而使得超结构产生特征吸收。基于电容电感效应，样品的介电可以等效为负值，最终使其频谱出现单峰特性。在样本的覆盖下，芯片的等效电容电感发生变化，导致电容电感共振频率发生变化。同时，对于不同样本来说，它们的介电常数是不同的，因此最终血或尿液超材料检测芯片的等效电容电感的变化会根据物质的种类发生不同变化趋势，导致出现不同的电容电感共振规律。基于这一原理，我们现已将该血或尿液超材料检测芯片用于生物传感测试。同时，通过对衬底材料、微结构图形设计、微结构参数、表面金属介质等参数进行调节，可适配于各个波段，从而适配于市面上的光谱仪器。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种对偏振无要求的血或尿液太赫兹超材料检测芯片，其特征在于，包括两层，下层为长方形基底层，上层为带阵列排列的谐振环单元结构的金属层，金属层空间整体构成超材料，每个谐振环单元结构上覆盖金属，谐振环外部分无金属覆盖，每个谐振环单元结构相同均由4个相同的非对称单向开口谐振环上下左右对称排列，每个谐振环单元中谐振环开口方向不相同，4个谐振环构成的循环角向，抵消光偏振。

2.根据权利要求1所述对偏振无要求的血或尿液太赫兹超材料检测芯片，其特征在于，所述4个谐振环开口方向依次0、90°、180°、270°顺时针排列。

3.根据权利要求1或2所述对偏振无要求的血或尿液太赫兹超材料检测芯片，其特征在于，所述金属层为导电性能好的金。

4.根据权利要求1所述对偏振无要求的血或尿液太赫兹超材料检测芯片，其特征在于，所述长方形基底层选用对入射太赫兹波波长选择性反射或对太赫兹波反射小的材料。

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