太赫茲超材料生物傳感器的應用研究進展

楊 君， 亓麗梅*， 武利勤， 蘭 峰， 蘭楚文， 陶 翔， 劉紫玉

1. 北京郵電大學電子工程學院， 北京 100876 2. 北京市輻射中心， 北京 100875 3. 電子科技大學電子科學與工程學院， 四川 成都 610054 4. 北京郵電大學通信與信息工程學院， 北京 100876 5. 毫米波國家重點實驗室， 江蘇 南京 210096

引 言

太赫茲(Terahertz, THz)波， 頻率范圍為0.1～10 THz， 在電磁波譜中處于紅外與微波之間[1]， 如圖1所示。 具有非電離， 非侵入性， 高穿透性， 高分辨率和光譜指紋[2-3]等特性， 可以避免電離副作用， 實現無損檢測。 在醫學成像， 安檢， 危險品檢測和通信中具有潛在的應用價值[4-6]。 物質的濃度越高， 可以測量的吸收光譜就越明顯， 傳統THz時域光譜(THz-TDS)系統要求制備顆粒形式的樣品以增加待測物的濃度， 有時還需要高壓或高溫處理。 因此， 需要專門設計用于測量痕量樣品或液態樣品的附加信號放大裝置。 當分子以非常低的濃度溶解在諸如水的液體中時， 由于水對太赫茲的吸收和太赫茲波強度檢測的可靠性不高的影響， 很難實現對生物分子的高靈敏度檢測。

圖1 電磁波譜

基于超材料的生物傳感可以通過合理設計結構， 實現亞波長分辨， 大大提高傳感器的分辨率與靈敏度[7-8]。 超材料是一種人造的周期結構， 易于大規模制造。 太赫茲超材料傳感器的工作原理是將傳感器周圍介電常數的變化轉換為電磁信號頻譜變化， 具體表現為諧振峰位置或幅度的變化。 太赫茲超材料對生物樣品進行檢測的性能指標主要有靈敏度穩定性和品質因數等。 其中， 品質因數定義為

FOM=S/FWHM

(1)

式(1)中， FWHM是太赫茲檢測譜的半峰全寬，S為檢測靈敏度， 定義為[9]

S=df/dn

(2)

式(2)中， df是頻率偏移量， dn是折射率變化量。 折射率的變化與介電常數有關， 減小介電常數可以有效提高檢測的靈敏度。 采用特殊超材料結構、 低介電常數和損耗低的薄襯底可以提高超材料的探測靈敏度， 從而有利于探測物質微小變化和減少樣品用量。 襯底材料可以是剛性的， 也可以是柔性的。 此外， 通過合理設置超材料， 增強生物分子與太赫茲電磁波的相互作用， 也可以提高超材料太赫茲傳感器的靈敏度。

超材料太赫茲傳感器為生物醫學領域提供了一種新的檢測方法， 具有明顯的優越性， 如(1)靈敏度很高且分析物用量很?。?(2)響應速度快， 檢測流程簡易； (3)無標記， 不需要借助任何的物理化學試劑， 可直接對待測物檢測。 隨著微納加工技術的快速發展， 制作超材料太赫茲傳感器的成本不斷降低， 從而在生物醫學領域具有非常大的潛在應用價值。 在過去的幾十年中， 基于超材料的太赫茲傳感器受到國內外研究人員的廣泛關注[10-13]。 但是只有很少工作研究了實際性的生物樣本(例如組織， 血液和尿液)中生物標記的鑒定。 對于這些樣品， 各種物質(例如水， 蛋白質， 脂肪， 纖維和其他有機成分)含量很高， 目標物質通常只占很小的一部分， 導致目標物質吸收峰的信噪比非常小， 因此難以識別目標物質。

1 太赫茲超材料在醫療診斷方面的應用

基于超材料的太赫茲傳感器已被廣泛應用于蛋白質濃度檢測[14]、 病毒檢測[15]、 和癌細胞及其標記物檢測[16， 20， 23]。

2016年， Bui等[14]設計了如圖2(a)所示共振頻率與蛋白質分子的振動頻率相匹配的微米級Ag-Si-Ag三層薄板超材料， 用于對牛血清白蛋(BSA)分子進行檢測。 由圖2(b)可知超材料傳感器使傳輸信號獲得明顯增強。 作為對照， 在圖2(c)中， 若丹明6G和3,3′-二乙硫代三碳菁的小分子樣品在整個范圍內透過率接近100%。 這種增強光譜技術為生物大分子的無損探測提供了一種快速簡單的方法。 2017年， Lee等[15]將H5N2， H1N1和H9N2三種不同禽流感病毒加載到超材料表面并進行了識別與檢測， 如圖2(d)所示。 由圖2(e)可知， 與沒有加載病毒樣本相比， 加載病毒樣本后超材料的透射譜頻率發生明顯了偏移。 三個樣本的光學響應不同， 如圖2(f)所示。 從而可以通過該超材料傳感器在THz頻段實現有效的識別和區分。 蛋白質是生命的物質， 是生命活動的主要載體， 也是酶、 抗體和抗原的基本組成部分， 被用作癌癥干細胞的標記物[16]。 聚乙烯醇可作為潤滑劑預防或治療眼部刺激癥狀， 或改善眼部的干燥癥狀。 2017年， Liu等[17]利用太赫茲超材料通過實驗實現了對聚乙烯醇納米粒子摻雜薄膜的檢測。 圖2(g)是太赫茲超材料滴加薄膜示意圖。 圖2(h)和(i)是x和y極化下頻移/折射率與樣品摻雜濃度之間的關系， 可見x偏振的濃度和折射率靈敏度都比y偏振的濃度和折射率靈敏度高兩倍。 這是因為x極化的Q品質因子高于y極化的Q品質因子。 較高的Q品質因子和較高的諧振頻率有利于檢測靈敏度。 隨著摻雜濃度的增加， 薄膜的折射率逐漸增加， 界面附近的局部場強變強， 導致電磁諧振頻率發生紅移。

圖2 (a)Ag-Si-Ag三層薄板超材料結構； (b)使用和不使用超材料結構對BAS分子探測的結果； (c)超材料結構對DTTCI和RH6G分子探測的結果； (d)超材料對禽流感病毒的檢測； (e)， (f)對不同病毒進行區分識別示意圖； (g)太赫茲超材料滴加薄膜示意圖； (h)， (i)x/y極化下頻移/折射率與樣品摻雜濃度之間的關系

癌癥是人口死亡的主要原因之一， 其初期的診斷對成功治療至關重要。 癌細胞的凋亡在細胞器的形成和細胞的增殖、 調節以及免疫系統缺陷和過剩細胞的清除中起著關鍵作用[18-19]。 因此， 開發靈敏的檢測技術， 不僅可以在早期發現癌細胞， 而且可以在抗癌藥物作用下檢測細胞凋亡。 2018年， Zhang等[20]采用周期性金屬SRRs陣列構成的THz生物傳感器對口腔癌細胞及其凋亡過程進行了檢測。 設計的雙層SRRs結構的超材料如圖3(a)所示。 對應實驗結果如圖3(b)和(c)所示， 可見， 共振頻率隨癌細胞濃度的增加而發生紅移， 這是因為電容分裂間隙中的電荷積累， 局域電場增強， 介電環境的微小變化導致超材料共振頻率的變化。 循環腫瘤細胞(CTCs)是由原發腫瘤擴散進入人體外周血循環的腫瘤細胞， 是癌癥轉移的關鍵原因[21-22]， 可用于診斷癌癥和監測癌癥狀況。 同年， Zhu等[23]介紹了一種如圖3(d)所示微流體裝置， 將三維超材料設計集成到微流控芯片中， 從紅細胞中分離出CTCs， 通過 THz 光譜檢測捕獲的CTCs。 圖3(e)給出的是設計的多個不同組合的結構， 從結果圖3(f)可以發現， 設計的超材料結構在加載腫瘤細胞后頻率和幅度都發生了明顯的改變， 為未來使用超材料診斷和治療癌癥提供理論指導。

異丙醇作為棉籽油的萃取劑， 可用于動物源性組織膜的脫脂， 同時也用于醫藥、 農藥和化妝品等。 2019年， Zhang等[24]在超材料的強電場區域設置多個微流通道蝴蝶結陣列對異丙醇-水小體積混合溶液進行檢測， 如圖3(g)所示。 由圖3(h)和(i)可知， 隨著混合水溶液濃度的降低， THz吸收增加， 共振頻率發生紅移。 隨著濃度的增加， 共振頻率處的傳輸幅度不斷降低。 因此該結構可實現高靈敏度無標簽液體濃度檢測。

圖3 (a)雙層SRRs結構測試細胞示意圖； (b)分析物占比與頻移的關系； (c)分析物折射率與頻移的關系； (d)微流體芯片示意圖； (e)不同的結構設計實物圖； (f)不同結構結果對比； (g)微流通道蝴蝶結結構； (h)， (i)不同濃度的異丙醇-水混合物對頻移和傳輸幅度的影響

2019年， Hassan等[25]利用太赫茲超材料實現了對轉移性乳腺癌細胞的高靈敏度檢測。 超材料結構如圖4(a)所示。 合成單鏈DNA適配體MAMb1和MAMa2分別結合在乳腺癌細胞MCF7和MDA-MB-415的表面， 具有高選擇性。 圖4(b)和(c)給出了超材料THz透射譜與乳腺癌細胞數量的關系， 其中MCF10A是正常乳腺細胞， 可以看到， 癌細胞數量的對數和傳輸譜幅度基本呈線性關系， 且MCF呈上升趨勢， MDA-MB-415呈下降趨勢， 而正常細胞沒有明顯變化。 皮膚癌是最危險的致死疾病之一。 2019年， Keshavarz等[26]提出基于水半導體薄膜的太赫茲超材料傳感器來實現對皮膚癌的高敏感度檢測， 結構如圖4(d)所示。 應用太赫茲脈沖反射成像， 模擬對健康皮膚和患癌皮膚檢測。 模擬顯示， 兩種皮膚的反射光譜的共振頻率發生偏移。 這是因為提出的微結構設計可以作為一種基于折射率的生物傳感器， 通過改變周圍介質的折射率， 生物傳感器的共振頻率的頻譜響應也隨之變化。 如圖4(e)和(f)所示， 折射率靈敏度和波長共振靈敏度都隨著折射率的增加而逐漸減小。 同年， Lan等[27]在實驗上構建了如圖4(g)所示的具有金屬成對環諧振器陣列的金屬-空氣-金屬雙波段超材料完美吸收體， 并驗證其具有無標簽太赫茲生物傳感器特性。 圖4(h)給出了隨著BSA溶液濃度的增大， 模式A的頻率偏移為400 GHz， 模式B的頻率偏移為310 GHz， 具有超高的靈敏度和可靠性。

圖4 (a)超材料對轉移性乳腺癌細胞探測示意圖； (b)， (c)透射譜與乳腺癌細胞數量的關系； (d)超材料傳感器對皮膚癌探測示意圖； (e)， (f)折射率對與靈敏度的關系； (g)微流體傳感器的示意圖； (h)不同BSA解決方案下兩種模式的實驗頻移

類固醇具有結構相似性和共軛多樣性， 因此檢測和區分類固醇具有很大的挑戰性。 與先天性腎上腺皮質增生癥和女性生殖生物學相關的最顯著和最重要的類固醇激素是黃體酮和17-羥孕酮。 2019年， Lee等[28]通過分子振動頻率匹配與失配， 利用太赫茲超材料傳感器實現了對黃體酮和17α-OH-孕酮的識別， 超材料結構如圖5(a)所示。 在圖5(b)中黃體酮在1.17 THz處有明顯的透射差異， 在圖5(c)中17-羥孕酮在1.51 THz處有明顯的透射差異， 這是由于在相應頻率處的吸收不同所致。 利用兩種物質的頻率偏移量曲線可以有效識別。 胰島素是Ⅱ型糖尿病的主要指標[29]， 胰島素的熱變性溫度對其在生產、 貯存和運輸過程中的安全使用以及結構變化和失活機制具有重要價值。 2019年， Li等[30]提出圖5(d)所示的THz超材料結構， 用于測量胰島素熱變性能。 圖5(e)是不同濃度胰島素溶液和偏移量的關系圖， 可以明顯地看出， 在濃度小于0.1 IU·μL-1時， 隨濃度的增加呈良好的線性關系。 當濃度大于0.1 IU·μL-1時， 頻移變化緩慢。 這意味著超材料傳感器在低濃度下具有很高的靈敏度。 圖5(f)表明胰島素的變性溫度在70 ℃左右， 溫度升高時， 不同濃度的樣品表現出相同的傾角頻移規律。 這主要是由于蛋白質變性引起的結構變化。 變性前， 蛋白質的結構是致密的螺旋結構。 在變性過程中， 蛋白質的疏水性核心會發生改變， 破壞了蛋白質的結構穩定性， 便降低了蛋白質的等效介電常數。

圖5 (a)超材料傳感器對類固醇探測示意圖； (b)， (c)黃體酮和17-羥孕酮透射率變化； (d)超材料傳感器對胰島素探測示意圖； (e)胰島素濃度與偏移量的關系； (f)溫度與偏移量的關系

2 太赫茲超材料在食品安全中的應用

據世界衛生組織統計， 全球每年因誤食污染食物而致病的人口高達6億， 其中約42萬人死亡。 食品安全問題歷來是一個影響大、 范圍廣的安全問題， 解決食品安全問題的關鍵是快速準確地識別問題食品。 抗生素用于破壞各種細菌和病原微生物， 但是抗生素的過度使用會引發細菌具有抗性， 導致動物源性食品中殘留抗生素， 對人體健康存在巨大風險。 2015年， Xie等[12]設計了一種可用于定性和定量生物傳感的超材料結構， 如圖6(a)所示。 通過使用這個裝置， 可以檢測到微量的硫酸卡那霉素， 最低檢測濃度可達100 pg·L-1。 由圖6(b)可知， 隨著硫酸卡那霉素濃度的增加， 透射光譜峰值由1 pg·L-1時的47% 變為10 ng·L-1時的51%。 這種檢測方法適用于產品質量和安全檢查的實時篩選程序， 從而解決了對高度敏感， 可靠和非侵入性的傳感技術的需求。

圖6 (a)超表面檢測微量硫酸卡那霉素示意圖； (b)濃度與頻移的關系； (c)三分裂環諧振器探測； (d)AFb1和AFb2頻移與濃度的關系圖

黃曲霉毒素(AFs)是由真菌中的曲霉菌產生的真菌毒素， 對人類而言毒性極高。 在不同的AFs中， 黃曲霉素b1(AFb1)被認為是人類和動物的第一類致癌物， 是迄今為止已知的最強的自然致物。 因此， 對這些物質進行快速、 準確的檢測和鑒定， 對于防止人類和動物因食用這些物質而出現健康問題至關重要。 2020年， Zhao等[31]在聚酰亞胺襯底上設計了一種如圖6(c)所示的三分裂環諧振器組成的平面陣列結構太赫茲生物傳感器， 實現了對黃曲霉毒素B1和B2有效區分。 圖6(d)顯示了不同劑量AFb1和AFb2的透射光譜偏移量。 雖然AFb1和AFb2的有相當大的相似性， 但是AFb2型生物傳感器的共振頻率明顯高于AFb1型生物傳感器， 這是因為AFb1/AFb2的不同含量引起了磁介質周圍介質的變化， 導致傳感共振頻率發生明顯的紅移。 因此可以用太赫茲超材料區分AFb1和AFb2。

3 太赫茲超材料在農藥檢測中的應用

毒死蜱是一種有毒性的有機磷農藥[32]， 這種農藥的濫用對農業和環境造成了不利影響， 對人類健康有很大的危害[33]。 食品中毒死蜱殘留檢測在食品安全領域具有極其重要的意義。 2018年， Xu等[34]從實驗上證明了單層石墨烯-異向介質異質結構超材料可以對微量甲基毒死蜱實現有效檢測， 最低檢測量可達到0.2 ng。 采用的超材料結構模型如圖7(a)所示， 由圖7(b)和(c)可知， 甲基毒死蜱的π分子和石墨烯的π分子相互作用比沒有π電子的分子強很多。 2019年Nie等[35]設計了一款緊湊的全介質THz超材料吸波器用于對有機氯農藥進行檢測， 在溫度濕度和時間周期的影響下， 測試了吸收體傳感器的穩定性。 在實驗中， 將不同濃度的有機氯農藥溶液滴在超材料表面， 如圖7(d)， 得到含有有機氯農藥溶液和無有機氯農藥溶液的超材料吸收器的平均吸收譜， 如圖7(e)和(f)所示。 結果表明， 隨著有機氯農藥濃度的增加， 共振峰向高頻方向移動， 而峰值強度向低頻方向移動， 最低濃度可達0.1 mg·L-1， 極大地提高了檢測靈敏度。 為食品安全領域快速、 準確地檢測化合物提供了可能。

圖7 (a)超材料對毒死蜱進行檢測； (b)π與(c)非π分子與超材料相互作用強度； (d)環形吸收器對有機氯農藥檢測； (e)， (f)諧振峰頻移變化圖； (g)環形吸收器對有機氯農藥檢測； (h)， (i)低頻和高頻處濃度與頻移的關系

在農作物應用方面， 雖然有機氯農藥可以消除果蔬栽培過程中的害蟲， 然而， 如果有機氯農藥的含量過高， 會對人體造成極大的危害。 2019年， Liu[36]等提出了一種基于環形吸收器的高靈敏度有機氯農藥殘留檢測方法。 設計結構如圖7(g)所示。 由于環形吸收器與入射太赫茲波強相互作用， 在0.1～2 THz 段出現兩個強吸收峰。 如圖7(h)和(i)給出了兩個強吸收峰處添加不同濃度的毒殺芬溶液時， 吸收體諧振峰頻率發生的紅移變化。 環形吸收體的使用可以增強太赫茲波與樣品的相互作用， 因此可以利用超材料吸收體共振峰的頻移信號提高樣品檢測的靈敏度， 實現痕量樣品的檢測與分析。

4 太赫茲超材料在其他檢測方面中的應用

酵母能在廣泛的底物上快速生長， 提供與其他真核細胞直接相關的信息[37]。 2014年， Park等[38]利用太赫茲超材料檢測出了單個酵母細胞和酵母膜， 超材料結構如圖8(a)所示。 由于酵母細胞本身就具有較高的介電常數， 實驗中縫隙寬度的減小增加了場強， 因此酵母沉積后槽區傳輸譜發生了明顯的偏移， 如圖8(b)所示。 此外， 模擬發現基于低介電常數基片的超材料傳感器比基于高介電常數基片的傳感器具有更高的靈敏度。

脂肪酸廣泛分布于自然界， 在生物膜中作為脂質的成分影響著脂質的流動性、 完整性和膜結合酶的活性[39]， 脂肪酸在微量水平上發揮著調節多種生理和生物功能的重要作用。 2019年， Tang等[40]設計了具有SRRs的太赫茲超材料研究油酸， 亞油酸， α-亞油酸和γ-亞油酸的不同的雙鍵數和分子構型引起的電磁頻率響應。 結果如圖8(c)所示， 不同脂肪酸對應的共振頻率發生明顯變化， 從而可以采用太赫茲超材料實現對不同的脂肪酸進行鑒別。

圖8 (a)酵母細胞感應THz縫隙天線的示意圖； (b)有、 無酵母細胞的THz縫隙天線的傳輸譜； (c)不同脂肪酸的頻率響應

5 發展與趨勢

綜上所述， 近幾年， 太赫茲超材料傳感器從材料選擇到結構設計， 從測試物與超材料的相互作用到利用特異性對特定生物分子進行檢測等方面都取得了很大進展， 探測的靈敏度和可靠性也得到了進一步的提高， 為太赫茲大分子生物的鑒別提供了新的機遇。 在未來的研究中， 太赫茲超材料傳感器的發展可從以下幾個方向進行展開：

(1)區分和鑒別手性分子。 現有報道的太赫茲超材料傳感器是基于太赫茲的線極化波的傳輸或者反射譜， 利用諧振的偏移研究傳感器的特性。 無法完成對左右旋圓極化波有不同吸收特性的手性分子的檢測。 互為對映體的分子所表現的大多數化學與物理性質相同， 但在生物體中的活性存在非常明顯的差異[41]。 例如， 一些手性分子在治療疾病的同時， 它的對映體卻有可能是極其有害的。 因此， 利用太赫茲超材料傳感器實現對手性分子的檢測將具有重要的研究價值。

(2)利用超材料的特異型， 提高檢測的靈敏度。 目前研究的太赫茲超材料傳感器在實驗中大都是配置的單一的溶液模擬生物環境， 由于生物環境的復雜性， 在實際應用中探測結果受其他因素影響較大， 因此如何提高特異性， 加強響應強度是值得關注的一個重點。

(3)采用高效算法實現快速、 準確的結果預期和實驗數據分析。 在仿真時， 為提高鑒別精度和計算效率， 可以將算法和仿真軟件結合使用對超材料傳感器的檢測效果進行預期。 在對實驗數據進行處理時， 不同算法和處理方式可能會快速提取有效信息， 也有可能會丟失掉某些重要信息。 在實際操作過程中， 選擇何種算法， 最大化避免丟失有效信息， 對提高傳感器的探測靈敏度和有效性具有著重要的研究意義。