CN113484276A - 一种可获取宽带增强太赫兹吸收谱的生物传感器及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可以获取宽带增强太赫兹吸收谱的生物传感器，它包括太赫兹波折射透镜、亚波长金属传感结构,所述的太赫兹波折射透镜为半球体形状，所述的亚波长金属传感结构为一个金属板，在金属板上均匀分布有多个格栅，所述太赫兹波折射透镜的圆切面与亚波长金属传感结构的光栅相对设置，在太赫兹波折射透镜与亚波长金属传感结构形成有待测间隙。本发明所发明的生物传感器创新性地采用将亚波长金属传感结构和半球柱透镜结合，形成一定微小间隙，利用入射太赫兹波高效激发传感结构上的表面等离基元共振效应，利用其电磁增强效应实现对微量样品的增强太赫兹吸收谱检测，对生物分子的无标记传感检测有重要应用价值。
Description
技术领域
本发明属于生物传感技术领域，具体涉及一种可获取宽带增强太赫兹吸收谱的生物传感器及测试方法。
背景技术
太赫兹(Terahertz，THz)波是指频率在0.1THz-10THz波长在0.03mm-3mm范围内的电磁波，其频谱位于红外和微波之间。不同于红外光谱、X射线等传统光谱分析技术，很多生物有机分子如蛋白质、DNA、RNA、氨基酸、糖等的骨架振动、转动光谱以及分子间弱的相互作用力能级处在太赫兹波段，使得太赫兹光谱技术在研究生物分子有着先天优势和重要应用。
表面等离激元是一种高度局域在金属表面的表面波，它对金属表面介电环境十分敏感，因此它可被用做生物传感器。这种传感方法只对金属表面亚波长空间范围内的介质敏感，可降低了样品用量，实现对微量样品的探测。表面等离基元的电磁场在传感金属表面有极大电磁增强的特点，可增强入射波和物质的相互作用，有助于增强样品的光谱吸收。
目前基于表面等离激元的生物传感器大都应用在光学波段，在太赫兹波段极少，而且都是用于折射率传感，无法实现对样品的宽带吸收光谱检测分析。本发明是通过利用设计的传感器结构，扫描入射角度激发不同频率等离激元共振，利用电磁增强效应获得宽带的增强太赫兹吸收光谱，实现对微量生物样品的太赫兹吸收光谱分析，具有重要应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以获取宽带增强太赫兹吸收谱的生物传感器及测试方法，利用金属传感层中激发的表面等离基元电磁增强效应增大入射波和样品的相互作用，利用扫描入射角度获得不同频率点附近增强吸收效果，实现对样品的宽带的增强太赫兹吸收光谱检测。
本发明解决技术问题所采用的方案是，一种可以获取宽带增强太赫兹吸收谱的生物传感器，它包括太赫兹波折射透镜、亚波长金属传感结构,所述的太赫兹波折射透镜为半球体形状，所述的亚波长金属传感结构为一个金属板，在金属板上均匀分布有多个格栅，所述太赫兹波折射透镜的圆切面与亚波长金属传感结构的光栅相对设置，在太赫兹波折射透镜与亚波长金属传感结构形成有待测间隙。
进一步的，所述的太赫兹波折射透镜的材质为太赫兹波段高折射率材质，为高阻硅、高阻锗、甲基戊烯聚合物的一种。
进一步的，所述亚波长金属传感结构的格栅的间隔尺寸是在亚波长范围内，即小于太赫兹波的波长，尺寸在5微米到900微米之间。
进一步的，所述的亚波长金属传感结构为一维周期结构或二维周期结构。
进一步的，所述待测间隙的间距大小可以调整，间距尺寸是亚波长范围即小于入射太赫兹波波长，间距在5微米到900微米之间。
本发明还提供一种基于上述生物传感器的测试方法，其特征在于包括以下步骤，步骤一:在待测间隙中填入待测物品，利用太赫兹波发生器，向生物传感器的太赫兹波折射透镜射入太赫兹波，入射的太赫兹波为横磁偏振波，入射波的角度大于半球柱透镜材料的全反射临界角，入射波在半球柱透镜底面产生全反射，在底面上方形成对应的倏逝波，步骤二:入射太赫兹波反射全反射后，其产生的倏逝波耦合激发亚波长传感结构上的表面等离基元，形成表面等离激元共振现象，在传感结构附近产生电磁增强效应，增大入射波和填充样品的相互作用，在表面等离基元共振频率点附近增强样品对入射波的吸收，作用后的太赫兹反射信号从半球柱透镜另一侧射出被检测，步骤三:通过扫描不同入射角度，激发不同频率下的表面等离基元共振增强效应，在不同频率下产生样品增强吸收效果，将不同入射角度对应的反射传感信号进行整合提取得到宽带的太赫兹吸收信号，实现对被测样品的增强太赫兹吸收光谱传感分析。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：所发明的生物传感器创新性地采用将亚波长金属传感结构和半球柱透镜结合，形成一定微小间隙，利用入射太赫兹波高效激发传感结构上的表面等离基元共振效应，利用其电磁增强效应实现对微量样品的增强太赫兹吸收谱检测。此外，通过扫描入射太赫兹波的角度激发不同频率点的表面等离激元共振，得到不同频率点附近的太赫兹增强吸收光谱，通过数据整合得到样品的宽带增强太赫兹吸收谱。发明的传感器的传感方案新颖，测试方法操作便捷，能够在传感间隙中得到局域增强的太赫兹电场，减少样品用量，克服样品中水吸收影响，实现对微量生物样品(包含溶液样品)的增强太赫兹吸收光谱测量，对生物分子的无标记传感检测有重要应用价值。
附图说明
图1为本发明的传感器的结构示意图。
图2是本发明的传感器工作的原理图。
图3是待测样品的折射率和消光系数图。
图4是利用本发明传感器得到的待测样品的增强太赫兹吸收光谱对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种可以获取宽带增强太赫兹吸收谱的生物传感器，它包括太赫兹波折射透镜1、亚波长金属传感结构2,所述的太赫兹波折射透镜1为半球体形状，所述的亚波长金属传感结构2为一个金属板21，在金属板21的一面上均匀分布有多个格栅22，所述太赫兹波折射透镜1的圆切面与亚波长金属传感结构2的格栅面相对设置，在太赫兹波折射透镜1与亚波长金属传感结构2形成有待测间隙3。所述的太赫兹波折射透镜1的材质为太赫兹波段高折射率材质，为高阻硅、高阻锗、甲基戊烯聚合物的一种。所述亚波长金属传感结构的格栅的间隔尺寸是在亚波长范围内，即小于太赫兹波的波长，尺寸在5微米到900微米之间。所述待测间隙的间距大小可以调整，间距尺寸是亚波长范围即小于入射太赫兹波波长，间距在5微米到900微米之间。
一种基于上述生物传感器的测试方法，其特征在于包括以下步骤，步骤一:在待测间隙中填入待测物品，利用太赫兹波发生器，向生物传感器的太赫兹波折射透镜射入太赫兹波，入射的太赫兹波为横磁偏振波，入射波的角度大于半球柱透镜材料的全反射临界角，入射波在半球柱透镜底面产生全反射，在底面上方形成对应的倏逝波，步骤二:入射太赫兹波反射全反射后，其产生的倏逝波耦合激发亚波长传感结构上的表面等离基元，形成表面等离激元共振现象，在传感结构附近产生电磁增强效应，增大入射波和填充样品的相互作用，在表面等离基元共振频率点附近增强样品对入射波的吸收，作用后的太赫兹反射信号从半球柱透镜另一侧射出被检测，步骤三:通过扫描不同入射角度，激发不同频率下的表面等离基元共振增强效应，在不同频率下产生样品增强吸收效果，将不同入射角度对应的反射传感信号进行整合提取得到宽带的太赫兹吸收信号，实现对被测样品的增强太赫兹吸收光谱传感分析。
如图2所示，图中曲线是半球柱透镜中不同入射角度的太赫兹波的波矢和亚波长金属传感结构上表面等离基元的波矢色散曲线。图中直线(实线)是真空中波矢，直线(虚线)、直线(点画线)、直线(双点画线)分别是入射角度为25°、30°、45°时柱透镜中入射波的水平波矢，区中曲线是亚波长一维金属光栅结构传感层上表面等离基元的波矢曲线。图中可以看到，入射波的波矢和传感层上表面等离基元波矢曲线有交点，交点对应即使入射波耦合激发的表面等离基元共振。改变入射角度可以改变激发的表面等离基元共振的频率点。通过扫描入射角度，可以在宽带范围内激发表面等离激元共振，实现对样品的宽带增强太赫兹吸收光谱检测。
如图3所示，图中实线和虚线分别对应假定待测样品的折射率和消光系数，消光系数中的波峰代表样品的特征吸收峰。
如图4所示是针对图3中假定的样品，借助发明传感器得到的增强太赫兹吸收光谱对比图。图中实线是入射角度为30°时得到的吸收谱，点画线对应的是等量样品在没有使用传感器情况下得到的吸收谱。图中箭头标记的是表面等离基元共振吸收峰位置和待测样品本身对应的特征吸收峰位置。由图可以看到，当在合适入射角度下，激发的表面等离基元共振频率和样品的特征吸收峰靠近重叠时，样品的特征吸收峰被放大，由此实现了对样品的增强太赫兹吸收光谱探测。通过扫描不同入射角度，改变表面等离激元的激发频率，可以得到样品的宽带的增强太赫兹吸收光谱信息。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所做的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种可以获取宽带增强太赫兹吸收谱的生物传感器，其特征是：它包括太赫兹波折射透镜、亚波长金属传感结构,所述的太赫兹波折射透镜为半球体形状，所述的亚波长金属传感结构为一个金属板，在金属板上均匀分布有多个格栅，所述太赫兹波折射透镜的圆切面与亚波长金属传感结构的光栅相对设置，在太赫兹波折射透镜与亚波长金属传感结构形成有待测间隙。
2.根据权利要求1所述的一种可以获取宽带增强太赫兹吸收谱的生物传感器，其特征是：所述的太赫兹波折射透镜的材质为太赫兹波段高折射率材质，为高阻硅、高阻锗、甲基戊烯聚合物的一种。
3.根据权利要求1所述的一种可以获取宽带增强太赫兹吸收谱的生物传感器，其特征是：所述亚波长金属传感结构的格栅的间隔尺寸是在亚波长范围内，即小于太赫兹波的波长，尺寸在5微米到900微米之间。
4.根据权利要求1所述的一种可以获取宽带增强太赫兹吸收谱的生物传感器，其特征是：所述亚波长金属传感结构为一维周期结构或二维周期结构。
5.根据权利要求1所述的一种可以获取宽带增强太赫兹吸收谱的生物传感器，其特征是：所述待测间隙的间距大小可以调整，间距尺寸是亚波长范围即小于入射太赫兹波波长，间距在5微米到900微米之间。
6.根据权利要求1—6中任一权利要求所述的一种可以获取宽带增强太赫兹吸收谱的生物传感器的测试方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤一:在待测间隙中填入待测物品，利用太赫兹波发生器，向生物传感器的太赫兹波折射透镜射入太赫兹波，入射的太赫兹波为横磁偏振波，入射波的角度大于半球柱透镜材料的全反射临界角，入射波在半球柱透镜底面产生全反射，在底面上方形成对应的倏逝波，步骤二:入射太赫兹波反射全反射后，其产生的倏逝波耦合激发亚波长传感结构上的表面等离基元，形成表面等离激元共振现象，在传感结构附近产生电磁增强效应，增大入射波和填充样品的相互作用，在表面等离基元共振频率点附近增强样品对入射波的吸收，作用后的太赫兹反射信号从半球柱透镜另一侧射出被检测，步骤三:通过扫描不同入射角度，激发不同频率下的表面等离基元共振增强效应，在不同频率下产生样品增强吸收效果，将不同入射角度对应的反射传感信号进行整合提取得到宽带的太赫兹吸收信号，实现对被测样品的增强太赫兹吸收光谱传感分析。
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