太赫兹超材料生物传感器的应用研究进展

太赫兹（THz）波,是指频率范围在0.1～10 THz的电磁波,在电磁波谱中处于红外与微波之间。太赫兹波的光子能量相对于可见光更低,1 THz对应的能量大约只有4.14 meV,意味着这将大大减少对生物体内组织器官的辐射而引起的伤害,不会对生物分子产生电离。因此,该波段在基础科学、人体安检、危险品检测、高速通信和医学成像等领域具有重要的潜在应用价值。但在医药和生物探测的应用中,通常需要检测微量的分析物,这就需要更高的灵敏度和检测的准确度。但是现存的检测方法受到太赫兹波强度检测可靠性不高的影响。基于超材料的生物传感可以通过增强局域电磁谐振,实现亚波长分辨,大大提高了传感器的分辨率与灵敏度,引起了人们的广泛关注。超材料是一种人工设计的周期性结构,通过合理设计可以增强局域电磁谐振响应,实现亚波长分辨,大大提高传感器的分辨率与灵敏度。太赫兹超材料传感器为生物传感领域提供了一种新的检测方法,具有灵敏度高、响应速度快、无标记检测等优点。随着微纳加工技术的快速发展,制作超材料太赫兹传感器的成本不断降低,从而在生物医学领域具有非常大的潜在应用价值。基于超材料的太赫兹传感器的研究已成为目前一个非常热门的国际前沿方向。但是关于太赫兹超材料传感器的最新研究进展未见报道,为此通过大量搜集并整理相关资料,综述了太赫兹超材料传感器在各种生物探测场景中的最新应用,分别从医学诊断、食品安全、农药检测等方面展开介绍。最后,对太赫兹超材料在生物传感器的发展和应用前景进行了总结和展望。该研究将为人们充分掌握太赫兹超材料生物传感器的最新应用进展提供重要参考,同时为太赫兹超材料传感器的发展和应用提供方向性的指导。     

基于太赫兹超材料的微流体折射率传感器

太赫兹生物医学是目前光谱研究领域的热点,其主要难点在于如何有效避免水分的干扰,进行液相环境下样本的灵敏分析与检测。超材料太赫兹传感器由于具有高灵敏、快速检测、痕量分析等优势,而成为太赫兹生物医学传感领域的重要研究方法。设计加工了一种基于单开口谐振环超材料的太赫兹液相传感芯片,为了有效克服水对太赫兹波的强烈吸收,利用微纳加工技术刻蚀深度为50 μm的流体通道。传感芯片整合了超材料基底与PDMS流道,在THz频段有两个位于0.771和2.129 THz的谐振峰。以水、无水乙醇作为常见化学溶剂进行传感实验,相对于空白传感器本身的THz时域谱而言,液体的加入导致时域峰的相位延迟和幅度减小。同时,由于水的折射率大于乙醇,THz透射频谱结果显示为水的频移改变量大于乙醇,且峰2大于等于峰1。上述结果表明,构建的超材料液相传感芯片是一个灵敏的折射率传感器,也证明了该传感器在测量液态样品方面的可行性。此外,利用该芯片研究了不同浓度的PBS溶液,发现水溶液中加入离子会导致谐振频率红移（以水为参考）,随着离子浓度增加,谐振频率改变量依次增加,10X PBS红移量最大,峰1为22.9 GHz,峰2为30.5 GHz。比较两个谐振峰的传感性能,峰2的传感能力更好,但是峰1对低浓度的离子溶液更加敏感。因此,构建的微流体传感器及检测体系作为一个灵敏的折射率传感器,可开发一个灵敏的无标记THz传感平台,为太赫兹生物医学研究提供新思路。     

工字形太赫兹超材料吸波体的传感特性研究

利用超材料吸波体对材料参数的电磁响应, 可将其应用于传感. 本文设计了一种工字形单元结构的超材料吸波体, 基于频域算法对其在太赫兹频段的传感特性进行数值模拟, 研究了待测样品折射率、厚度及电介质隔层厚度对超材料吸波体传感器的频率灵敏度、振幅灵敏度及品质因数的影响. 研究结果表明:当待测样品厚度为40 μm时, 折射率频率灵敏度可达到153.17 GHz/RIU, 折射率振幅灵敏度可达到41.37%/RIU; 待测样品折射率一定时, 厚度频率灵敏度随其厚度的增大而线性减小; 随着待测样品厚度的增加, RFOM呈增大趋势, 但增大幅度在逐渐减小; TFOM随待测样品厚度的增加而减小.     

单壁碳纳米管太赫兹超表面窄带吸收及其传感特性

由于碳纳米管具有优异的电学和光学特性,因此在光电子学领域具有广泛的应用前景.本文使用真空抽滤法,将单壁碳纳米管粉末分散液通过真空过滤的方式,制备了一种各向同性的单壁碳纳米管薄膜;进而提取了薄膜在0.4—2.0 THz范围内介电参数,并设计了一种基于单壁碳纳米管薄膜的新型太赫兹超表面窄带吸收器,这种超表面吸收器是由方形与工字形狭缝谐振器构成.实验和仿真结果表明,提出的太赫兹超表面吸收器在0.65,0.85,1.16和1.31 THz处存在4个明显的共振吸收峰,实现了最高可达90%的完美吸收.利用多重反射干涉理论阐明了这种多频带新型太赫兹超表面的吸收机制.通过在超表面器件表面覆盖具有不同折射率的介质层,深入研究了超表面作为折射率传感器的传感性能.研究结果表明,这种新型超表面吸收器用于折射率传感具有较高的灵敏度,为进一步开发新型碳基太赫兹超表面吸收器提供了新的思路和方案.     

基于四峰超材料THz传感器的B族维生素检测

水溶性B族维生素是维持人体正常生理功能必需的营养成分,摄取适量有益于生长、代谢和发育,摄入过量严重危害身体。因此,维生素检测方法的研究受到质量监控部门和国内外学者的重视。传统测量维生素的光谱法、化学法和高效液相色谱法存在操作繁琐、样品处理复杂、成本高等问题,迫切需要开发操作简单快速准确的B族维生素检测技术。太赫兹波的特殊性使其广泛用于物质的检测,超材料奇异的电磁特性和对表面介质的敏感性,促进太赫兹波段内的超材料传感器在检测领域发展和应用。提出了一种利用四峰太赫兹超材料传感器进行同浓度水溶性B族维生素检测的方法。利用有限积分法设计了一种由不对称开口的正六边形和圆环组成的四峰超材料结构,四峰的频率分别为0.46, 0.57, 0.66和0.90 THz。通过表面电流研究四谐振峰的形成机理和传感性能,四个谐振峰对入射的太赫兹波响应特性不同,导致了其不同的传感灵敏度。实验过程中,将同浓度(0.5 mg·μL~(-1))不同类型B族维生素B_1, B_3, B_5和B_6水溶液滴于超材料传感器表面,利用太赫兹时域系统测量透射谱,得到了四个谐振峰在测四种维生素时的频率偏移量。实验结果验证了由正六边形外环和内圆环组成的不对称开口环结构传感器的传感特性。结果表明,由内外环耦合形成的传感器灵敏度明显大于仅由外环或内环的电偶极子振荡形成的传感器灵敏度。该太赫兹超材料传感器的四个峰均可用于物质传感,其中内外环耦合形成的谐振峰传感灵敏度最高。不对称的双开口环具有优越的传感性能,可用于生物医学等领域样品传感检测。     

基于双开口环结构的太赫兹超材料生物传感器

为了拓展超材料在太赫兹波段的生物传感应用,设计了一种双开口环结构的太赫兹超材料生物传感器,通过两个等效电容电感(LC)谐振实现了高折射率灵敏度传感。首先,使用有限积分技术(FIT)数值计算了该传感器的太赫兹光谱,并对其进行了结构尺寸优化。然后,在传感器表面放置了一层折射率可变的分析物,通过对不同透射光谱的计算分析,验证了该传感器具备161.06 GHz/RIU(RIU为折射率单位)的折射率灵敏度和1.98的品质因素(FOM)值。最后,采用传统光刻技术和剥离工艺在石英衬底上制作铜金属结构,制备了该传感器,利用其对牛血清白蛋白(BSA)溶液进行了实际测试,实验得到传感灵敏度为59.02 GHz/(ng·mm^-2)和检测下限为0.004 mg/mL。     

基于二氧化钒的可调谐太赫兹宽带带通滤波器

提出了一种基于二氧化钒超材料的可调谐宽带带通滤波器.仿真结果表明:该滤波器在中心频率5.19 THz处的3 dB带宽为1.71 THz,最高传输率能够达到0.77,并且在入射角0°～40°范围内具有稳定的宽带传输性能.运用谐振频率处的表面电流分布和等效电路法,阐述了其实现宽带传输的物理机制.由于二氧化钒独特的相变特性,通过改变二氧化钒的电导率,滤波器的带宽可以从1.71 THz动态调谐至2.31 THz.该滤波器具有结构设计简单、宽通带以及可调谐等特性,有望在宽带太赫兹通信、传感以及其他新兴的太赫兹领域发挥重要的作用.     

太赫兹波段电磁超材料吸波器折射率传感特性

太赫兹超材料吸波器作为一类重要的超材料功能器件,除了可以实现对入射太赫兹波的完美吸收外,还可以作为折射率传感器实现对周围环境信息变化的捕捉与监测.通常从优化表面金属谐振单元结构和改变介质层材料和形态两个方面出发,改善太赫兹超材料吸波器的传感特性.为深入研究中间介质层对太赫兹超材料吸波器传感特性的影响,本文基于金属开口谐振环阵列设计实现了具有连续介质层、非连续介质层和微腔结构的3款太赫兹超材料吸波器,并对其传感特性与传感机理进行了深入研究.结果表明,为了提高太赫兹超材料吸波器的折射率灵敏度、最大探测范围等传感特性,除了可以选用相对介电常数较小的材料作为中间介质层外,还可以改变中间介质层的形态,进而减小中间介质层对谐振场的束缚,增强谐振场与被测分析物之间的耦合.与传统的具有连续介质层的太赫兹超材料吸波器相比,具有非连续介质层和微腔结构的超材料吸波器具有更优越的传感特性,可应用于对待测分析物的高灵敏度、快速检测,在未来的传感领域具有更加广阔的应用前景.     

生物基底材料的超宽频带太赫兹光谱研究

作为一种新兴的方式,太赫兹时域光谱和成像已经被广泛应用到研究不同生物组织的光学特性。在空气等离子体处施加偏置电场对太赫兹波脉冲进行外差式相干检测(air-biased-coherent-detection,ABCD)的太赫兹系统具有超宽频带和可以在较远距离进行成像的优点,十分适用于对生物组织进行超宽谱研究,而对生物组织进行光谱测量通常需要基底材料。利用太赫兹ABCD系统对四种典型的基底材料(石英,高密度聚乙烯,聚四氟乙烯和石蜡)的光学参数进行测定,并计算其在1~15THz频率范围内的吸收系数和折射率。结果表明,高密度聚乙烯和石蜡可以很好的被用作生物组织超宽频带太赫兹光谱测量的基底材料。同时,虽然石英和聚四氟乙烯都是窄带(0.1~3THz)太赫兹系统中常用的基底材料,但是由于它们在高于5THz的频率范围内对太赫兹波具有较强的吸收,所以不能用作超宽频带太赫兹光谱测量的基底材料。     

基于电磁场作用增强的超材料吸收体太赫兹微流传感器

为解决因分析物与局部增强电磁场弱相互作用而导致传感器灵敏度偏低的问题,通过引入微流控技术,提出一种基于电磁场作用增强的超材料吸收体太赫兹微流传感器。传感器与太赫兹波相互作用产生磁偶极子共振,在0.4～1.4 THz频段内可产生两个吸收率高于98%的谐振峰。同时,通过集成微流通道,极大促进了分析物与位于法布里-珀罗谐振腔内局部增强电磁场的相互作用,传感器灵敏度可达537 GHz/RIU。另外,结构单元设计为四重旋转对称结构,传感器具备良好的极化不敏感和宽入射角度不敏感特性。结果表明,所设计的传感器具有灵敏度高和偏振不敏感等特性,在无标记微量物质检测领域具有良好的应用潜力。     

交联聚苯乙烯的太赫兹光谱特性

交联聚苯乙烯是一种热固性塑料,具有优异的介电特性和耐高压击穿能力等特性。采用基于太赫兹波空气电离相干探测法(THz-ABCD)的太赫兹时域光谱系统,测量了交联聚苯乙烯和聚苯乙烯样品在太赫兹的光谱特性,得到了其在2~13 THz频段的吸收系数、折射率等光学参数。研究结果表明:交联聚苯乙烯和聚苯乙烯的吸收谱形状相似,在6.6,9.8和12.25 THz等处存在多个吸收峰,但是交联聚苯乙烯的吸收系数在12 THz以下高于聚苯乙烯,在12 THz以上低于聚苯乙烯;交联聚苯乙烯的折射率高于聚苯乙烯,聚苯乙烯的折射率在1.58~1.59之间,交联聚苯乙烯的折射率在1.59~1.62之间。     

外差式相干探测时域光谱仪对磷化铟（InP）晶片的超宽频带太赫兹光谱的探测

磷化铟（InP）属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料, 在毫米波的应用中展示出了高性能,在非线性太赫兹器件应用上具有很大的潜力。以前关于InP的研究主要集中于太赫兹频率在0.1～4 THz的频率范围内,在4～10 THz频率范围内InP的太赫兹光学数据还是空白。该研究利用空气等离子体相干探测太赫兹波的时域光谱系统研究了无掺杂的InP晶片在超宽THz频率范围（0.5～18 THz）内的光学特性, 实验中用电离的空气作为太赫兹的发射器和探测器, 利用可以调制的局部偏压诱导二次谐波产生,使在气体中太赫兹波的相干探测成为可能,明显提高了系统的动态范围和灵敏度。产生的太赫兹频谱宽度主要被激光脉冲持续时间所限制,太赫兹脉冲通过InP晶片后相对于参考脉冲会延迟,同时振幅会降低。另外,太赫兹信号的频谱振幅在6.7～12.1 THz范围内下降到本底噪声。同时还可以看出InP晶片在6.7～12.1 THz频率范围内不透光,在0.8～6.7 THz以及12.1～18 THz频率范围内InP的吸收系数相对较低,特别是在15～17.5 THz范围内吸收系数很低并且保持相对稳定,与此同时它的折射率单调增加。这些发现将有助于基于InP晶片的非线性太赫兹器件设计。     

不同参数多壁碳纳米管太赫兹谱特性

探索不同管径和长度的多壁碳纳米管(MWCNT)的太赫兹(THz)谱特性,采用透射型太赫兹时域光谱系统研究了5个不同管径和长度的MWCNT样品的太赫兹吸收谱和折射率谱,并对比和分析了它们的差异。结果表明:在0.2~2.0THz内,多壁碳纳米管太赫兹吸收没有特征吸收峰,吸收强度随着频率的增加而增加,并可以拟合为不同斜率的直线,且MWCNT在THz波段的吸收强度与管径和长度成正比。折射率随着频率的增加呈指数衰减,同时,管径是影响其折射率的一个重要因素,而长度对其影响不大。     

Stark位移对两全同原子Tavis-Cummings模型中的原子纠缠的影响

食用香料是人们在烹饪过程中必不可少的调味品,对食用香料的鉴别和食用安全性检测也尤为重要.本文利用太赫兹时域光谱技术对食用香料进行测试,得到了黑胡椒、白胡椒、花椒、大料、姜粉、甘草、香叶以及五香粉、十三香等香料在太赫波段的吸收谱和折射率谱.结果表明,不同种类的香料都有其独特的特征吸收光谱,样品的吸收谱在0.2~1.25 THz频段内以不同的斜率单调递增,在1.25~2.0 THz频段呈现出不同的吸收峰.样品的折射率值在1.3~1.8之间变化,并且,样品的折射率在其吸收峰所对应的频率处出现了反常色散.通过对吸收系数的斜率、峰值位置以及折射率进行定标分析,太赫兹时域光谱技术可以用于不同种香料的定性检测.实验数据为食用香料的鉴别提供了依据,可以用于建立食用香料的太赫兹波谱数据库.     

食用香料的太赫兹时域光谱

食用香料是人们在烹饪过程中必不可少的调味品,对食用香料的鉴别和食用安全性检测也尤为重要.本文利用太赫兹时域光谱技术对食用香料进行测试,得到了黑胡椒、白胡椒、花椒、大料、姜粉、甘草、香叶以及五香粉、十三香等香料在太赫波段的吸收谱和折射率谱.结果表明,不同种类的香料都有其独特的特征吸收光谱,样品的吸收谱在0.2～1.25THz频段内以不同的斜率单调递增,在1.25～2.0THz频段呈现出不同的吸收峰.样品的折射率值在1.3～1.8之间变化,并且,样品的折射率在其吸收峰所对应的频率处出现了反常色散.通过对吸收系数的斜率、峰值位置以及折射率进行定标分析,太赫兹时域光谱技术可以用于不同种香料的定性检测.实验数据为食用香料的鉴别提供了依据,可以用于建立食用香料的太赫兹波谱数据库.     

太赫兹波段超材料在生物传感器的应用研究进展

超材料对电磁场的局域增强以及对周围环境的介电性质敏感等特性,可用于无标记生物检测,因而越来越受到国内外的学术关注,特别是太赫兹波段的超材料生物传感器。总结了近年来太赫兹波段超材料在生物传感器方面取得的进展。首先介绍了超材料生物传感器的基本原理,接着分析和讨论了衬底材料和厚度的选择、超材料结构对传感器灵敏度的影响。分析表明,通过优化结构、采用低介电常数和损耗低的薄衬底,能进一步提高生物传感器的灵敏度, 并且多种物质在太赫兹波段都有直接的电磁响应特征,因此利用太赫兹波段超材料实现无标记生物检测具有很大的应用潜力。最后初步探讨了该生物传感器的发展趋势与前景。     

基于金属光栅的氨基酸溶液太赫兹光谱检测

基于太赫兹金属光栅谐振传输现象,利用金属光栅表面等离子体共振对周围介质敏感的特性,设计了一种由金属光栅、样品池和高阻硅基底组成的免标记生物传感器.利用这种传感器在太赫兹时域光谱下测量了苏氨酸和精氨酸溶液的太赫兹透射光谱.结果表明:苏氨酸和精氨酸的共振频率随着溶液浓度改变在0.6～0.75 THz之间出现频移,并且苏氨酸和精氨酸的混合样品的光谱并不是两者光谱的线性叠加.     

基于金属光栅的氨基酸溶液太赫兹光谱检测（英文）

基于太赫兹金属光栅谐振传输现象,利用金属光栅表面等离子体共振对周围介质敏感的特性,设计了一种由金属光栅、样品池和高阻硅基底组成的免标记生物传感器.利用这种传感器在太赫兹时域光谱下测量了苏氨酸和精氨酸溶液的太赫兹透射光谱.结果表明:苏氨酸和精氨酸的共振频率随着溶液浓度改变在0.6~0.75THz之间出现频移,并且苏氨酸和精氨酸的混合样品的光谱并不是两者光谱的线性叠加.     

植物油和动物脂肪在THz波段的吸收和色散

由超短激光脉冲产生的THz脉冲是具有较宽频带的电磁辐射，属于远红外波段，该波段电磁波与物质的相互作用是个崭新的研究领域.文章应用THz光谱技术研究了5种植物油和两种动物脂肪的THz光谱，得到了这些材料在0．2—1．6THz频率范围的折射率和吸收系数.结果表 明，不同种类的油脂具有不同的折射率，其中植物油的折射率随频率的增加而略有降低，其 值在1．46—1．66之间.吸收系数在0．2—1．2THz随频率的增加而增大.动物脂肪的折射率 随频率变化基本不变，并且随温度升高而增大，其值在1．4—1．52之间.吸收系数在0．2— 1．2THz随频率的增加而增大.该研究结果对于THz时域光谱技术应用于生物成像及生物医学 有重要的意义. 关键词： THz光谱技术 折射率 吸收系数 植物油 动物脂肪     

利用样品阱实现太赫兹超材料的超微量传感

提出了一种基于太赫兹(terahertz, THz)类电磁诱导透明(electromagnetically induced transpanrency like,EIT-like)效应的样品阱超材料传感器.传感器基础单元结构由一根金属线和一对开口谐振环(split ring resonators, SRRs)组成,二者耦合产生类EIT效应,在1.067 THz处得到一个半高全宽为178 GHz的透明峰,透明峰最大透过率为89.71%.其传感单位体积灵敏度为178 GHz/(RIU·mm³),进一步分析该超材料谐振频点处的电场分布,发现两侧SRRs的开口处电场最强.我们设计构建样品阱仅在开口最强电场处,以光刻胶为待测物填入样品阱,并成功测得50 GHz频偏,验证样品阱结构可以运用于传感中.经研究分析,样品阱结构成功将样本量缩减至超微量级别,单位体积灵敏度提升至5538 GHz/(RIU·mm³),提高了31倍.该样品阱成功实现对水、人皮肤和大鼠皮肤样本的鉴别,表明了构建样品阱在THz超材料超微量检测领域具有潜在的应用价值.