基于柔性超材料的太赫茲超高靈敏度生物傳感器設(shè)計

王書寧 ,王子蘭 ,曹 暾,

(1.大連理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,遼寧 大連 116024;2.大連理工大學(xué) 光電工程與儀器科學(xué)學(xué)院,遼寧 大連 116024)

太赫茲(Terahertz,THz)波段是位于微波和紅外輻射之間的電磁波譜部分,在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著獨特的優(yōu)勢。太赫茲電磁波是一種非侵入性、非接觸性和非電離輻射特性的技術(shù),對暴露在其中的生物樣本無害,在無損檢測中具有優(yōu)異的性能[1]。太赫茲電磁波對細(xì)胞含水量十分敏感,適合研究人體疾病,如在癌癥檢測中用于區(qū)分病變組織和正常組織[2]。超材料是一種由周期性排列的亞波長元件組成的人工設(shè)計的電磁材料,它通過改變單元結(jié)構(gòu)的幾何形狀和方向來改變電磁特性,可以激發(fā)出一系列有趣的特性,例如人工磁性[3]、負(fù)折射率[4]、波長選擇性吸收[5]、手性[6]和電磁感應(yīng)透明[7-8]等,進而在太赫茲波段進行超透鏡[9]、光通信[10]、吸收器[11]、隱身[12]、極化轉(zhuǎn)化和傳感器等應(yīng)用[13-16]。此外,太赫茲超材料使局部電場增強,獲得較大的質(zhì)量因子(Quality Factor,Q值),對微小的環(huán)境變化表現(xiàn)出高靈敏度,因此適合于生物傳感應(yīng)用。

在太赫茲傳感中,通?？梢岳肔C 共振增強局部電場,從而提高生物傳感器靈敏度,法諾共振是方法之一。法諾共振產(chǎn)生于超材料的窄的離散共振(暗模式)和寬譜線或連續(xù)譜線(亮模式)之間的相互耦合[17],通過法諾共振產(chǎn)生的強電場能極大地增強電磁波與物質(zhì)的相互作用,表現(xiàn)出不對稱的、線寬較窄的尖銳譜線,具有較強的電磁場約束,進而對周圍介質(zhì)環(huán)境變化呈現(xiàn)出較高的Q值和靈敏度?；谶@些優(yōu)良的特性,法諾共振在設(shè)計太赫茲高靈敏度器件方面有很大的潛力。2017 年,Geng 等[18]設(shè)計了可用于早期肝癌細(xì)胞檢測的太赫茲不對稱金屬環(huán)結(jié)構(gòu)傳感器,靈敏度為150 GHz/RIU(Refractive Index Unit)。2019 年,Yan 等[19]利用雙不對稱開口環(huán)諧振器進行癌細(xì)胞檢測和抗癌藥物濃度分析,所設(shè)計傳感器靈敏度為455.7 GHz/RIU。2020 年,Cheng 等[13]提出了一種在柔性聚酰亞胺(Polyimide,PI)基底上制備的平面陣列法諾不對稱開口圓環(huán)諧振器,用于蛋白質(zhì)傳感,靈敏度為240 GHz/RIU。但以上傳感器靈敏度均有待提升。另一方面,柔性材料具有介電常數(shù)低、性能穩(wěn)定、可折疊等優(yōu)點,同時對生物物質(zhì)無害,與某些生物物質(zhì)兼容[20],可用于提升生物傳感器的泛用性。

因此本文提出了一種在柔性聚酰亞胺電介質(zhì)上制備的平面陣列法諾不對稱開口環(huán)諧振器,利用法諾共振激發(fā)的尖銳譜線進行傳感。該生物傳感器的靈敏度高達(dá)1018 GHz/RIU,可以提高生物樣本檢測極限,特別是對癌癥生物標(biāo)志物的微量檢測[21],這可能是未來柔性超材料生物傳感器的一個重要應(yīng)用方向。此外,該傳感器對待測物厚度容差性較大,對生物樣本要求寬松,便于實驗。本文設(shè)計的生物傳感器在太赫茲波段實現(xiàn)了高靈敏度,且基于柔性材料設(shè)計,易集成于可穿戴式設(shè)備,在生物傳感器方向有良好的應(yīng)用前景。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真模擬

圖1(a)所示為太赫茲波段柔性超材料生物傳感器的周期陣列結(jié)構(gòu)示意圖,它由金/電介質(zhì)(聚酰亞胺)/金組成。圖1(b)是該傳感器單元示意圖,上表面為兩個相同的開口環(huán)180 度旋轉(zhuǎn)拼接成不對稱開口環(huán)諧振器,l、w、h1分別為金屬條的長度、寬度和厚度,g為開口寬度。下表面是厚度為h3的連續(xù)金層,可以達(dá)到增強反射的效果,金的電導(dǎo)率為4.561×107S/m[22]。兩者之間的介質(zhì)是厚度為h2的柔性材料聚酰亞胺,相對介電常數(shù)為3+j0.05[23]。其中,單個單元結(jié)構(gòu)的x和y方向周期參數(shù)為Px=Py=36 μm,h1=0.2 μm,h2=5 μm,h3=0.2 μm,l=20 μm,w=1.25 μm,g=1.25 μm。

圖1 (a) 超材料生物傳感器結(jié)構(gòu)三維示意圖;(b) 單元示意圖Fig.1 (a) Schematic 3D view of metamaterial biosensor structure;(b) Schematic diagram of unit cell

該設(shè)計的仿真模擬計算全部使用CST Microwave Studio 電磁仿真軟件完成。圖2 所示為太赫茲電磁波垂直入射時超材料生物傳感器的反射光譜,偏振方向與開口一致(沿x軸)。由于不對稱開口的設(shè)置,超材料生物傳感器的反射光譜分別在3.3 THz 和4.83 THz處有明顯的低谷,其中在4.83 THz 處得到一個更加尖銳的譜線。通常傳感器的傳感性能主要表現(xiàn)為靈敏度S、質(zhì)量因子Q和FOM 值三個參數(shù)。質(zhì)量因子Q表示共振傾角的銳度,影響頻移的識別,理論表明,質(zhì)量因子數(shù)值越大,意味著傳感器性能越好,對傳感器的性能起到?jīng)Q定性的作用,具體的表達(dá)式如公式(1)所示:

圖2 無待測物時超材料生物傳感器反射光譜Fig.2 Reflection spectrum of metamaterial biosensor without analyte

式中:F0是反射譜低谷處的中心頻率;ΔF=;F1和F2則分別是最大反射率值的一半處對應(yīng)的兩個頻率。該設(shè)計的ΔF為0.46 THz,根據(jù)計算得到其Q值為21,對于傳感器設(shè)計是一個不錯的選擇。

2 傳感原理分析

為了進一步分析共振頻率為4.83 THz 處超材料生物傳感器的效果,仿真研究了傳感器的歸一化電場分布和歸一化表面電流分布,如圖3 所示。圖3(a)表明電場主要分布集中在開口間隙附近,圖3(b)表明電流主要分布在進行諧振的金屬條上,中間的金屬條上的電流由于同時存在向上和向下兩個方向而相互抵消不顯示,但是電流依舊通過該金屬條。

圖3 (a) 4.83 THz 處的歸一化電場分布;(b) 4.83 THz 處的歸一化表面電流分布Fig.3 (a) Normalized electric field distribution at 4.83 THz;(b) Normalized surface current distribution at 4.83 THz

根據(jù)等效電路理論,電場的產(chǎn)生是由于入射的太赫茲電磁波產(chǎn)生的感應(yīng)電荷在開口處不斷聚集,電流的產(chǎn)生則是由于電荷移動形成了環(huán)形電流,因此該傳感器的震蕩方式為:

從公式(2)中得出,共振頻率主要由電感L、電容C決定的,所以中間的金屬條起到并聯(lián)作用,電流可以通過中間的金屬條形成多個環(huán)流,來實現(xiàn)更好的傳感效果。由于該設(shè)計使用非磁性材料,超材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后,金屬條形成的等效電感基本不會改變,等效后的總電感定義為Le。該器件的等效電容Ce與間隙形成的等效電容和金屬層之間的介質(zhì)層有關(guān)系,如果將待測物涂覆在超材料傳感器表面,就會形成一個新的電容Csensor。隨著周圍介電常數(shù)和待測物厚度Δ0的變化,Csensor的數(shù)值將會改變。為了便于后續(xù)分析傳感器的特性,可以將該結(jié)構(gòu)的等效電路模型簡化為圖4,得到傳感器的諧振頻率為:

圖4 超材料生物傳感器的LC 簡化等效電路圖Fig.4 Simplified equivalent LC circuit model of metamaterial biosensor

由于等效器件電容Ce遠(yuǎn)小于Csensor,Csensor將主要影響傳感器的等效電容,進而在待測物折射率變化很小的情況下,引起共振頻率和振幅明顯的變化,最終實現(xiàn)高靈敏度的傳感器。同時采用低介電常數(shù)、低損耗和較薄的超材料可以提高傳感器的靈敏度,有利于檢測介電常數(shù)的微小變化,因此可以減少測量所需樣品分子的數(shù)量。

3 傳感性能效果分析

超材料生物傳感器在進行生物物質(zhì)識別時,需將待檢測生物樣本附著于傳感器表面。因附著在其表面的生物樣本的差異性,在電場作用下會表現(xiàn)出不同的介電常數(shù),從而可以分析出表面物質(zhì)的生物特性。在本文中,生物樣本濃度的改變會引起折射率變化,繼而導(dǎo)致共振頻率的偏移。根據(jù)共振頻率偏移量對生物樣品濃度進行檢測分析,可計算得到所設(shè)計的傳感器靈敏度。在仿真生物溶液濃度檢測時,設(shè)置具有不同介電常數(shù)的待測物覆蓋在超材料生物傳感器的表面,假設(shè)該待測物厚度h0為3 μm,通過仿真模擬得到不同折射率的待測物的反射譜,如圖5(a)所示。當(dāng)待測物的折射率增大時,共振頻率紅移,傳感器的靈敏度通常定義為:

式中:Δf為諧振頻率偏移量;Δn為生物樣本折射率n的相對變化。根據(jù)計算得到該傳感器的靈敏度為1018 GHz/RIU。同時,圖5(a)中呈現(xiàn)出折射率線性變化時,共振頻率的偏移量也基本一致,為了定量地描述所設(shè)計結(jié)構(gòu)的靈敏度,將共振頻率偏移量與Δn的函數(shù)關(guān)系繪成圖5(b),發(fā)現(xiàn)共振頻率的偏移大小隨折射率n的變化呈現(xiàn)線性變化。此外,FOM 值考慮了影響因子帶寬,也是考察傳感器性能的重要指標(biāo)之一,其計算公式定義為:

圖5 超材料生物傳感器的折射率傳感性能。(a) 共振頻率隨折射率增加而紅移;(b) 擬合曲線Fig.5 The refractive index sensing performance of metamaterialbiosensor.(a) The red shifted reflection spectrum;(b) Resonance frequency shift vs analyte refractive index

式中,FWHM 是反射谷的半高全寬最大值。當(dāng)傳感器的靈敏度一定時,共振頻率的FWHM 越小,FOM 值越高,所以傳感精度也更好。根據(jù)計算得到該傳感器的FOM 值為2.21。

接下來就傳感器對正常細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞的檢測性能進行了研究。太赫茲波段對細(xì)胞含水量十分敏感,細(xì)胞含水量的微小變化會引起THz 波段折射率的差別。含水量(水胞質(zhì)量比)為30%～ 70%的正常細(xì)胞與含水量80%的宮頸癌細(xì)胞折射率不同,分別為1.368和1.392[24],對此進行仿真比較,如圖6 所示,共振頻率偏移了24 GHz,相應(yīng)的靈敏度為1000 GHz/RIU。當(dāng)細(xì)胞的折射率變化極其微小時,該傳感器依舊可以得到一定的偏移,說明傳感效果良好,該設(shè)計可以作為超高靈敏度、高Q值的生物傳感器。

圖6 正常細(xì)胞與宮頸癌細(xì)胞對比圖Fig.6 Comparison of normal cell and cervical cancer

待測物層的厚度也會影響傳感器的效果。本文選取常用的DNA 溶液,折射率n=1.3342[25],通過改變待測物的厚度h0,得出不同h0時的反射譜線,如圖7(a)所示。反射譜線的共振頻率與h0并不是線性紅移的關(guān)系。此外,當(dāng)表面待測物的厚度從0 到1 μm 變化時,傳感器的共振頻率偏移量很大,為342 GHz,這代表了傳感器表面有和沒有待測物時的頻率偏移量,表明該傳感器在有待測物的情況下表現(xiàn)出了良好的傳感性能。從圖7(b)可以看出,當(dāng)待測物的厚度逐漸增大至3 μm 以上時,共振頻率偏移量很小,可以忽略不計,這說明待測物厚度超過3 μm 時,厚度對超材料傳感器靈敏度的影響很小。表面待測物形成的電容Csensor主要與厚度和本身的折射率相關(guān),且直接影響共振頻率,因此在實驗過程中在傳感器表層涂抹生物分子的厚度誤差對該傳感器的影響較小。

圖7 (a) 不同待測物厚度情況下的反射光譜;(b) 隨著待測物厚度變化的共振頻率位移Fig.7 (a) Reflection spectrum for different analyte layeres thicknesses;(b) Resonance frequency shift vs analyte layer thickness

4 結(jié)論

綜上所述,本文設(shè)計并提出了一種基于柔性材料的亞波長結(jié)構(gòu)金屬不對稱開口環(huán)的超材料生物傳感器,獲得了超高靈敏度,并對其傳感特性和共振機理進行了詳細(xì)討論。結(jié)果表明,該傳感器的Q值為21,靈敏度高達(dá)1018 GHz/RIU,FOM 值為2.21,實現(xiàn)了太赫茲頻段的超高靈敏度、高Q值折射率傳感。同時,當(dāng)待測物的厚度超過3 μm 時,厚度對傳感器靈敏度影響較小,適合生物分子濃度檢測的相關(guān)實驗。同時該傳感器使用柔性電介質(zhì),因其可以折疊彎曲的特性為可穿戴式傳感器提供一個新的思路,在太赫茲波段超靈敏生物醫(yī)學(xué)傳感器的設(shè)計中也具有重要的應(yīng)用價值。