一种生化分子的太赫兹指纹谱的检测方法

1.本发明涉及人工表面等离激元学和太赫兹光谱应用技术领域，具体涉及一种生化分子的太赫兹指纹谱的检测方法。


背景技术：

2.生物安全和人体健康是当今社会重点关注的问题，生化物质的快速、灵敏、准确检测是生物安全防范和人体健康监测的必要手段。基于太赫兹(thz)波的生化物质检测是一种相对新颖的谱学传感技术，具有许多独特的优势：(1)揭示分子低频集体振动指纹模式，即能够反映出核酸、蛋白质、糖类等生物大分子的骨架转动和振动模式；这些生化分子的能级恰好落在thz频谱范围内，通过thz波技术可获取不同生化物质的thz光谱指纹特征以实现准确识别和检测。(2)快速检测。thz-tds技术仅需数秒便可获取分辨率良好的时域光谱信号，从而准确获得待测生化物质的吸收和折射参数。(3)非电离探测。thz波的光子能量极低，能够以一种非电离的方式检测活细胞，相较于x线、荧光及核素手段，能更全面保持待检活细胞的生物活性。此外，与现有红外光谱、拉曼光谱检测方式相比，thz光谱检测仍然具有非接触、无标记的优势。因此，太赫兹光谱传感技术具有广阔的应用前景。但是由于自由空间thz波与生化物质的相互作用较弱，所产生的thz能量光谱对于待测生化物质的响应度低。因此，常规的thz生化物质检测技术灵敏度低、样品用量多、不利于低浓度检测，更不利于昂贵样品的检测，不能满足高灵敏生化物质检测需求。
3.超材料是一种具有特殊物理性能的人工复合电磁材料，具有天然材料所不具备的特殊电磁性能，如实现负折射率，电磁感应透明等。通过设计特定的金属单元结构来进行排列组合可以设计出具有独特光学特性的超表面。为了解决thz波与生化物质相互作用弱的问题，研究人员主要通过超表面传感器增强太赫兹检测灵敏度。通过合理设计超表面的结构，使得超表面对样品加入后所引起的折射率变化表现出高灵敏特性，从而实现生化物质的高灵敏检测。
4.目前，主要是基于法诺共振，电磁感应透明等原理设计各种thz超表面，用于改善传感器性能，但是这些超表面单元结构复杂，设计、制造成本高，研制周期长。并且谐振模式单一，谐振峰不可控，大大限制了thz超表面传感器的应用。另一方面，表面晶格共振谐振峰受超表面周期调控，可以通过改变周期调控谐振峰的位置以耦合待测生化物质的thz“指纹谱”，提高了传感器的检测精度。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种生化分子的太赫兹指纹谱的检测方法，通过金属结构所产生的人工表面等离激元和周期性阵列所产生的瑞利异常衍射的耦合，形成表面晶格共振模式，实现生化分子的太赫兹指纹谱的检测。
6.本发明提供的技术方案如下：
7.一种生化分子的太赫兹指纹谱的检测方法，其特征在于，
8.1)制备太赫兹超表面传感器，该太赫兹超表面传感器为三层结构，其中，底层是一金属层，中间层是一电介质层，顶层是由金属结构周期性排列而成平面阵列，且金属结构在x方向和y方向的周期尺寸相同；
9.2)利用人工表面等离激元和顶层中的金属结构产生瑞利异常衍射耦合，太赫兹超表面传感器形成表面晶格共振模式；
10.3)根据公式(1)，计算太赫兹超表面传感器的表面晶格共振峰f
slrs
：
[0011][0012]
当θ＝0
°
时，公式可简化为：
[0013][0014]
其中c是真空中的光速，n
eff
为中间电介质层和顶层金属的界面有效折射率,θ是入射太赫兹波波矢k与z轴的角度，m和n为x和y方向上衍射阶数的整数，p为金属结构在x方向和y方向的周期尺寸；
[0015]
4)利用步骤3)得到太赫兹超表面传感器的表面晶格共振峰的位置来耦合不同生化分子的太赫兹指纹谱，实现生化分子的太赫兹指纹谱的检测。
[0016]
所述底层选用金、银或铜，其厚度为h1，h1≥0.04μm。
[0017]
所述中间层选用二氧化硅、聚四氟乙烯或聚酰亚胺，其厚度为h2，0.8μm≤h2≤1.50μm。
[0018]
所述顶层金属结构选用金、银或铜，其厚度为h3，h3≥2.0μm。
[0019]
所述金属结构为矩形，开口环，十字形或双矩形结构。
[0020]
本发明至少具有以下技术优势：
[0021]
(1)制备容易，工艺简单。本发明所设计的传感器顶层金属结构简单，加工方便；所需要的工艺流程简单通用，与si基cmos工艺相兼容，制备周期短，便于大量生产。
[0022]
(2)品质因子、灵敏度高。表面晶格共振可以大幅抑制辐射损耗，使共振峰急剧变窄，并且由于金属反射层的存在，提高了顶层结构的局域电磁场强度，使得传感器对外界微小折射率变化非常敏感。
[0023]
(3)应用范围广。本发明通过改变周期调整谐振峰的位置耦合待测生化物质的太赫兹“指纹谱”，可以检测大多数生化分子。
附图说明
[0024]
图1为本发明太赫兹超表面传感器结构和产生表面晶格共振模式示意图；
[0025]
图2为矩形结构太赫兹超表面传感器光学显微镜下的图像；
[0026]
图3为矩形结构太赫兹超表面传感器入射角度θ＝0
°
(虚线)和θ＝30
°
(实线)下的模拟反射光谱；
[0027]
图4为矩形结构太赫兹超表面传感器(入射角度θ＝30
°
)在谐振频率点的表面电流分布(a)0.91thz；(c)3.94thz和表面电场分布(b)0.91thz；(d)3.94thz；
[0028]
图5为矩形结构太赫兹超表面传感器(入射角度θ＝30
°
)模拟(实线)和实测(虚线)
反射光谱；
[0029]
图6为生化物质太赫兹指纹谱(a)消旋卡多曲；(b)氯他雷定；
[0030]
图7为调整矩形结构太赫兹超表面传感器(入射角度θ＝30
°
)晶格周期耦合生化物质太赫兹指纹谱的反射光谱。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的描述。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的使用范围。在阅读本发明之后，本领域的技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求限定的范围。
[0032]
本发明太赫兹超表面传感器结构和原理示意图如图1所示。其自下而上包括三层材料，最下层是厚金属层，中间层是电介质层，顶层是由金属结构周期性排列而成的平面阵列，阵列中每个金属结构用于光的调控。金属结构在x方向的尺寸是p
x
，y方向的尺寸是py；p
x
＝py＝p，底层金属的厚度为h1；中间电介质层厚度为h2；顶层金属结构厚度为h3。整个传感器制备于高阻硅基底上。制备方法步骤如下：
[0033]
(1)制备底层金属：为了避免太赫兹波透射，可以选用金、银、铜三种材料中的一种，要求金属衬底厚度h1≥0.04μm。
[0034]
(2)制备中间电介质层：为了降低传感器的介电损耗，可以采用相对介电常数较低，厚度薄的材料如：二氧化硅、聚四氟乙烯或聚酰亚胺，电介质层厚度0.8μm≤h2≤1.50μm。
[0035]
(3)图像化：所设计的金属结构阵列通过甩胶、前烘、紫外光刻、显影、定影、后烘等版图设计步骤得到。金属结构的形状任意设计，为了降低加工难度，可设计为矩形，开口环，十字形，双矩形等结构。
[0036]
(4)图形转移：通过电镀，剥离，最终得到顶层金属结构周期性排列而成的平面阵列，金属结构可以选用金、银、铜三种材料中的一种(可以与底层金属材料不同)，要求顶层金属阵列厚度h3≥2.0μm。
[0037]
以金属结构是矩形结构为例，p
x
＝150μm，py＝150μm，h1＝0.4μm,h1＝1.0μm,h3＝2.4μm。底层和顶层金属均使用金，电导率为4.561
×
107s/m，中间电介质层使用二氧化硅，介电常数为3.75+j0.004。加工样品的光学显微镜照片如图2所示。
[0038]
图3为矩形结构太赫兹超表面传感器在太赫兹波不同入射角度下发生表面晶格共振的模拟反射光谱。其中第一组是位于0.91thz左右的峰j，它是金属结构单元对人工表面等离激元的激发引起的，不受入射角度变化的影响。因此，它的电场分布主要局限在矩形结构周围，并且表面电流呈现偶极子谐振的状态，第二组分别是位于3.44thz和3.94thz附近的峰k和l。这两个峰是由人工表面等离激元与瑞利异常耦合共振引起的，表面电场分布在金属结构表面，形成光栅样驻波，并且电场强度明显高于人工表面等离激元的电场强度，如图4中的色条所示。表面电流形成两个涡旋，将入射的能量捕获在单元结构表面附近，激发相邻单元结构的共振模式，而不是衰减到自由空间，因此表面晶格共振抑制了辐射损耗，表现在反射谱上峰值共振频率在3.94thz的线宽为38ghz，其q值大约为104.2。证明了太赫兹超表面传感器形成表面晶格共振模式，本发明太赫兹超表面传感器中的金属结构可以为双矩形结构，或十字形结构，或开口环结构，实验证明上述太赫兹超表面传感器在太赫兹波下
发生表面晶格共振的模拟和测试反射光谱，其性质与矩形结构太赫兹超表面传感器相同，即任意结构均可通过优化参数产生表面晶格共振。
[0039]
当p＝150μm，θ＝30
°
，m＝1，n＝0，n
eff
＝0.334时，具有周期阵列的超表面结构的表面晶格共振的频率可以计算为：
[0040][0041]
如图5所示，计算(3.99thz)与模拟(3.94thz)和实测(4.13thz)表面晶格共振频率相差不大，证实了太赫兹波段表面晶格共振理论的可行性。
[0042]
如图6、图7所示，本发明利用晶格周期调整表面晶格共振峰的位置来耦合不同生化分子的太赫兹指纹谱(如药品消旋卡多曲和氯雷他定)，实现生化物质的精准检测。
[0043]
总之，本发明所提出利用太赫兹超表面传感器，即基于由金属—介质层—金属三层结构组成，顶层金属为任意结构单元周期性排列而成，优势主要体现在结构简单，可以根据表面晶格共振峰的位置确定顶层金属结构的排列周期，可以实现高品质因数、高灵敏度生化传感。根据实际需要，对晶格周期，底层、顶层金属厚度，中间电介质层厚度和顶层金属结构参数进行优化设计，通过改变晶格周期调整表面晶格共振峰的位置来耦合不同生化分子的太赫兹指纹谱，实现生化物质的精准检测。
[0044]
尽管本发明的实施例方案已经示出，但其不仅限于说明书和实施例中所示，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。本领域的普通技术人员可以理解：在不背离本发明的原理和宗旨的情况下，可以对实施例进行多种变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。本发明的范围由权利要求及其等同限定。

技术特征：
1.一种生化分子的太赫兹指纹谱的检测方法，其特征在于，1)制备太赫兹超表面传感器，该太赫兹超表面传感器为三层结构，其中，底层是一金属层，中间层是一电介质层，顶层是由金属结构周期性排列而成平面阵列，且金属结构在x方向和y方向的周期尺寸相同；2)利用人工表面等离激元和顶层中的金属结构产生瑞利异常衍射耦合，太赫兹超表面传感器形成表面晶格共振模式；3)根据公式(1)，计算太赫兹超表面传感器的表面晶格共振峰f
slrs
：其中c是真空中的光速，n
eff
为中间电介质层和顶层金属的界面有效折射率,θ是入射太赫兹波波矢k与z轴的角度，m和n为x和y方向上衍射阶数的整数，p为金属结构在x方向和y方向的周期尺寸；4)利用步骤3)得到太赫兹超表面传感器的表面晶格共振峰的位置来耦合不同生化分子的太赫兹指纹谱，实现生化分子的太赫兹指纹谱的检测。2.如权利要求1所述的生化分子的太赫兹指纹谱的检测方法，其特征在于，所述底层选用金、银或铜，其厚度为h1，h1≥0.04μm。3.如权利要求1所述的生化分子的太赫兹指纹谱的检测方法，其特征在于，所述中间层选用二氧化硅、聚四氟乙烯或聚酰亚胺，其厚度为h2，0.8μm≤h2≤1.50μm。4.如权利要求1所述的生化分子的太赫兹指纹谱的检测方法，其特征在于，所述顶层金属结构选用金、银或铜，其厚度为h3，h3≥2.0μm。5.如权利要求1所述的生化分子的太赫兹指纹谱的检测方法，其特征在于，所述金属结构的形状为矩形，开口环，十字形或双矩形。

技术总结
本发明公开了一种生化分子的太赫兹指纹谱的检测方法，属于人工表面等离激元学和太赫兹光谱应用技术领域。该方法通过金属结构所产生的人工表面等离激元和周期性阵列所产生的瑞利异常衍射的耦合，形成表面晶格共振模式，实现生化分子的太赫兹指纹谱的检测。本发明所需要的工艺流程简单通用，与Si基CMOS工艺相兼容。容。容。


技术研发人员：吴文刚 孙宏顺 李立业 曹云昊 陈雨萨 熊仕松 马丽筠
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/13