基于柔性超材料的太赫茲超高靈敏度生物傳感器設(shè)計(jì)

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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。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(duì)暴露在其中的生物樣本無害,在無損檢測(cè)中具有優(yōu)異的性能[1]。太赫茲電磁波對(duì)細(xì)胞含水量十分敏感,適合研究人體疾病,如在癌癥檢測(cè)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(zhǎng)元件組成的人工設(shè)計(jì)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(zhǎng)選擇性吸收[5]、手性[6]和電磁感應(yīng)透明[7-8]等,進(jìn)而在太赫茲波段進(jìn)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(chǎng)增強(qiáng),獲得較大的質(zhì)量因子(Quality Factor,Q值),對(duì)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(qiáng)局部電場(chǎng),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(qiáng)電場(chǎng)能極大地增強(qiáng)電磁波與物質(zhì)的相互作用,表現(xiàn)出不對(duì)稱的、線寬較窄的尖銳譜線,具有較強(qiáng)的電磁場(chǎng)約束,進(jìn)而對(duì)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(jì)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(jì)了可用于早期肝癌細(xì)胞檢測(cè)的太赫茲不對(duì)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(duì)稱開口環(huán)諧振器進(jìn)行癌細(xì)胞檢測(cè)和抗癌藥物濃度分析,所設(shè)計(jì)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(duì)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(diǎn),同時(shí)對(duì)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(duì)稱開口環(huán)諧振器,利用法諾共振激發(fā)的尖銳譜線進(jìn)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(cè)極限,特別是對(duì)癌癥生物標(biāo)志物的微量檢測(cè)[21],這可能是未來柔性超材料生物傳感器的一個(gè)重要應(yīng)用方向。此外,該傳感器對(duì)待測(cè)物厚度容差性較大,對(duì)生物樣本要求寬松,便于實(shí)驗(yàn)。本文設(shè)計(jì)的生物傳感器在太赫茲波段實(shí)現(xiàn)了高靈敏度,且基于柔性材料設(shè)計(jì),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(jì)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(gè)相同的開口環(huán)180 度旋轉(zhuǎn)拼接成不對(duì)稱開口環(huán)諧振器,l、w、h1分別為金屬條的長(zhǎng)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(qiáng)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(duì)介電常數(shù)為3+j0.05[23]。其中,單個(gè)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(jì)的仿真模擬計(jì)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(shí)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(duì)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(gè)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(gè)參數(shù)。質(zhì)量因子Q表示共振傾角的銳度,影響頻移的識(shí)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(duì)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(cè)物時(shí)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(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率。該設(shè)計(jì)的ΔF為0.46 THz,根據(jù)計(jì)算得到其Q值為21,對(duì)于傳感器設(shè)計(jì)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

2 傳感原理分析

為了進(jìn)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(chǎng)分布和歸一化表面電流分布,如圖3 所示。圖3(a)表明電場(chǎng)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(jìn)行諧振的金屬條上,中間的金屬條上的電流由于同時(shí)存在向上和向下兩個(gè)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(chǎng)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(chǎng)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(dòng)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(gè)環(huán)流,來實(shí)現(xiàn)更好的傳感效果。由于該設(shè)計(jì)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(huì)改變,等效后的總電感定義為L(zhǎng)e。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(cè)物涂覆在超材料傳感器表面,就會(huì)形成一個(gè)新的電容Csensor。隨著周圍介電常數(shù)和待測(cè)物厚度Δ0的變化,Csensor的數(shù)值將會(huì)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jìn)而在待測(cè)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(shí)現(xiàn)高靈敏度的傳感器。同時(shí)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(cè)介電常數(shù)的微小變化,因此可以減少測(cè)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(jìn)行生物物質(zhì)識(shí)別時(shí),需將待檢測(cè)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(chǎng)作用下會(huì)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(huì)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(duì)生物樣品濃度進(jìn)行檢測(cè)分析,可計(jì)算得到所設(shè)計(jì)的傳感器靈敏度。在仿真生物溶液濃度檢測(cè)時(shí),設(shè)置具有不同介電常數(shù)的待測(cè)物覆蓋在超材料生物傳感器的表面,假設(shè)該待測(cè)物厚度h0為3 μm,通過仿真模擬得到不同折射率的待測(cè)物的反射譜,如圖5(a)所示。當(dāng)待測(cè)物的折射率增大時(shí),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(duì)變化。根據(jù)計(jì)算得到該傳感器的靈敏度為1018 GHz/RIU。同時(shí),圖5(a)中呈現(xiàn)出折射率線性變化時(shí),共振頻率的偏移量也基本一致,為了定量地描述所設(shè)計(jì)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(jì)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(shí),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(jì)算得到該傳感器的FOM 值為2.21。

接下來就傳感器對(duì)正常細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞的檢測(cè)性能進(jìn)行了研究。太赫茲波段對(duì)細(xì)胞含水量十分敏感,細(xì)胞含水量的微小變化會(huì)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(duì)此進(jìn)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(shí),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(jì)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(duì)比圖Fig.6 Comparison of normal cell and cervical cancer

待測(cè)物層的厚度也會(huì)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(cè)物的厚度h0,得出不同h0時(shí)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(cè)物的厚度從0 到1 μm 變化時(shí),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(cè)物時(shí)的頻率偏移量,表明該傳感器在有待測(cè)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(cè)物的厚度逐漸增大至3 μm 以上時(shí),共振頻率偏移量很小,可以忽略不計(jì),這說明待測(cè)物厚度超過3 μm 時(shí),厚度對(duì)超材料傳感器靈敏度的影響很小。表面待測(cè)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(shí)驗(yàn)過程中在傳感器表層涂抹生物分子的厚度誤差對(duì)該傳感器的影響較小。

圖7 (a) 不同待測(cè)物厚度情況下的反射光譜;(b) 隨著待測(cè)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(jì)并提出了一種基于柔性材料的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)金屬不對(duì)稱開口環(huán)的超材料生物傳感器,獲得了超高靈敏度,并對(duì)其傳感特性和共振機(jī)理進(jìn)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(shí)現(xiàn)了太赫茲頻段的超高靈敏度、高Q值折射率傳感。同時(shí),當(dāng)待測(cè)物的厚度超過3 μm 時(shí),厚度對(duì)傳感器靈敏度影響較小,適合生物分子濃度檢測(cè)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)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(gè)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(jì)中也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。