太赫茲超材料生物傳感芯片及其測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太赫茲超材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種以太赫茲超材料與金屬諧振環(huán)構(gòu)成的生物傳感芯片及其測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲的輻射是從0.1THZ到10THZ(光子能量從0.41meV至41.4meV，波長為30-3000um)的電磁福射，它介于紅外和微波福射之間，是光子學(xué)技術(shù)與電子學(xué)技術(shù)、宏觀與微觀的過渡區(qū)域。亞波長金屬結(jié)構(gòu)(亦稱超材料)是指其結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)小于波長的金屬結(jié)構(gòu)，具有奇特的電磁諧振性質(zhì)，諸如負(fù)折射、異常透射以及介電環(huán)境敏感等。太赫茲超材料是一種利用太赫茲人工合成的新材料，通過亞波長金屬結(jié)構(gòu)的共振增強(qiáng)特性，可增強(qiáng)生物分子與太赫茲波的相互作用，有望提高生物探測的靈敏度。在過去的十多年，利用這一原理的傳感器在光波波段已獲得廣泛研宄，并發(fā)展出了高靈敏的局域表面等離子體共振傳感器、表面增強(qiáng)拉曼散射傳感器、表面增強(qiáng)紅外吸收傳感器等。
[0003]然而，現(xiàn)有的生物傳感芯片，由于光波波段波長短，其對應(yīng)亞波長金屬結(jié)構(gòu)的尺寸小，加工難度大，不僅造成制作成本高，而且結(jié)構(gòu)的均勻性無法確保，導(dǎo)致傳感重復(fù)性較差，因此，在這波段中需要一種新的生物傳感芯片。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種太赫茲超材料生物傳感芯片及其測試方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中生物傳感芯片，因光波波段波長短，其對應(yīng)亞波長金屬結(jié)構(gòu)尺寸小、加工難度大、造成制作成本高、傳感重復(fù)性差、靈敏度低的問題。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種太赫茲超材料生物傳感芯片，用于檢測太赫茲波輻射源的太赫茲波長頻率，所述太赫茲超材料生物傳感芯片包括:
[0006]襯底，以及附在所述襯底上的亞波長金屬諧振環(huán)陣列；
[0007]其中，所述襯底為在太赫茲波段下，吸收系數(shù)小于0.δαιΓΗ在光的傳播方向上每單位長度內(nèi)的光波數(shù))的材料構(gòu)成，所述亞波長金屬諧振環(huán)陣列包含多個(gè)諧振環(huán)單元，每個(gè)所述諧振環(huán)單元均為方形金屬框，且在所述方形金屬框每條邊的中間均設(shè)有一大小相同的開口。
[0008]優(yōu)選地，所述襯底材料為高阻硅。
[0009]優(yōu)選地，所述亞波長金屬材料為鋁。
[0010]優(yōu)選地，所述亞波長金屬諧振環(huán)采用光刻與刻蝕制作而成。
[0011]優(yōu)選地，所述亞波長金屬諧振環(huán)陣列周期為50?lOOum。
[0012]優(yōu)選地，所述諧振環(huán)單元的金屬框線寬為2?10um。
[0013]優(yōu)選地，所述亞波長金屬諧振環(huán)陣列中每兩個(gè)諧振環(huán)單元之間的間距為2?1um0
[0014]優(yōu)選地，所述諧振環(huán)單元中的開口大小為I?4um。
[0015]本發(fā)明的另一目的在于提供一種太赫茲超材料生物傳感芯片的測試方法，所述測試方法具體包括:
[0016]步驟1:將所述太赫茲超材料生物傳感芯片放置于太赫茲透射光譜下，測量其在透射谷所對應(yīng)的頻率&，即為亞波長金屬諧振環(huán)在太赫茲波段的諧振頻率；
[0017]步驟2:將待測的生物樣本放置于所述太赫茲超材料生物傳感芯片表面，將其置于太赫茲透射光譜下，測量其在透射谷所對應(yīng)的諧振頻率f\。
[0018]優(yōu)選地，所述待測生物樣本引起的介電環(huán)境改變，與所述諧振頻率和所述諧振頻率&之差成正比。
[0019]如上所述，本發(fā)明的太赫茲超材料生物傳感芯片及其測試方法，具有以下有益效果:
[0020]本發(fā)明的太赫茲超材料生物傳感芯片中的襯底通過太赫茲超材料制成，以及所述襯底上依附設(shè)置有亞波長金屬諧振環(huán)陣列，所述亞波長金屬諧振環(huán)陣列包含多個(gè)諧振環(huán)單元，每個(gè)所述諧振環(huán)單元整體均為方形金屬框，且在所述方形金屬框每邊中間位置均設(shè)有一大小相同的開口。本發(fā)明與現(xiàn)有的生物傳感器相比，由于采用太赫茲超材料制作，提高了所述太赫茲超材料生物傳感器結(jié)構(gòu)的均一性，根據(jù)其均一性以及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，提升了傳感靈敏度。
【附圖說明】
[0021]圖1顯示為本發(fā)明實(shí)施例提供的太赫茲超材料生物傳感芯片的結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖2顯示為本發(fā)明實(shí)施例提供的太赫茲超材料生物傳感芯片的測試方法流程圖；
[0023]圖3顯不為本發(fā)明實(shí)施例提供的轉(zhuǎn)染腺病毒EIA基因的人腎上皮細(xì)胞系--293t
細(xì)胞，在顯微鏡下，太赫茲超材料生物傳感芯片上細(xì)胞分布圖；
[0024]圖4顯示為本發(fā)明實(shí)施例提供的測試太赫茲超材料生物傳感芯片靈敏度的第一實(shí)施例；
[0025]圖5顯示為本發(fā)明實(shí)施例提供的測試太赫茲超材料生物傳感芯片靈敏度的第二實(shí)施例。
[0026]元件標(biāo)號說明
[0027]1、襯底，2、諧振環(huán)單元，3、開口。
【具體實(shí)施方式】
[0028]以下由特定的具體實(shí)施例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)及功效。
[0029]請參閱圖1至圖5。須知，本說明書所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的限定條件，故不具技術(shù)上的實(shí)質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在不影響本發(fā)明所能產(chǎn)生的功效及所能達(dá)成的目的下，均應(yīng)仍落在本發(fā)明所揭示的技術(shù)內(nèi)容得能涵蓋的范圍內(nèi)。同時(shí)，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的范圍，其相對關(guān)系的改變或調(diào)整，在無實(shí)質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容下，當(dāng)亦視為本發(fā)明可實(shí)施的范疇。
[0030]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的太赫茲超材料生物傳感芯片的結(jié)構(gòu)圖，用于檢測太赫茲波輻射源的太赫茲波長頻率，所述太赫茲超材料生物傳感芯片包括:
[0031]襯底1，以及附在所述襯底I上的亞波長金屬諧振環(huán)陣列；
[0032]其中，所述襯底I為在太赫茲波段下，吸收系數(shù)小于0.5CHT1的材料構(gòu)成，所述亞波長金屬諧振環(huán)陣列包含多個(gè)諧振環(huán)單元2，每個(gè)所述諧振環(huán)單元2均為方形金屬框，且在所述方形金屬框每條邊的中間均設(shè)有一大小相同的開口 3。
[0033]具體地，所述襯底I材料選擇在太赫茲波段下，吸收系數(shù)小于0.5CHT1的材料構(gòu)成，其中，所述襯底I材料優(yōu)先為尚阻娃。
[0034]具體地，所述亞波長金屬材料(包括結(jié)構(gòu)特征尺寸與工作波長相當(dāng)，或者結(jié)構(gòu)特征尺寸比工作波長更小的周期結(jié)構(gòu)的金屬，同時(shí)，還包括結(jié)構(gòu)特征尺寸與工作波長相當(dāng)，或者結(jié)構(gòu)特征尺寸比工作波長更小的非周期結(jié)構(gòu)的金屬)，其中，所述亞波長金屬材料優(yōu)選為銷O
[0035]具體地，在本實(shí)施例中，所述太赫茲超材料生物傳感芯片的制作過程如下:選擇拋光的高阻硅片作為生物傳感芯片的襯底1，依次用丙酮、無水乙醇進(jìn)行超聲清洗，去除表面污漬，直到所述高阻硅片襯底I表面無污漬時(shí)；采用電阻率大于18.25兆歐的去離子水沖洗，再將所述高阻硅片襯底I放入100°C以下的電烤爐中，脫水烘焙大約lOmin，使得所述高阻硅片襯底I的水分徹底蒸發(fā)為止。還可以在所述高阻硅片襯底I表面涂抹化合物(六甲基乙硅氮烷或三甲基甲硅烷基二乙胺)，提高光刻膠在所述高阻硅片襯底I表面的附著能力。
[0036]在所述高阻硅片襯底I的硅表面蒸鍍一層厚度大約為50um的鋁膜；將型號為S1805的光刻膠均勻的涂在所述高阻硅片襯底硅表面，并將其放入80°C以下的電烤爐中，前烘大約20min，拿出所述高阻硅片襯底1，直到其表面自然冷卻；通過前烘提高了光刻膠依附在所述高阻硅片襯底I上附著性。
[0037]將所述高阻硅片襯底I在特定波長的紫外線下，進(jìn)行30秒定時(shí)曝光，光刻膠中的感光劑會發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，從而使正光刻膠被照射區(qū)域(感光區(qū)域)，負(fù)光刻膠未被照射的區(qū)域(非感光區(qū))化學(xué)成分發(fā)生反應(yīng)；將曝光后的高阻硅片襯底I在AZ300K顯影液中顯影，通過加入所述顯影液，使得正光刻膠的感光區(qū)、負(fù)光刻膠的非感光區(qū)，均溶解于所述顯影液中，從而使得光刻膠層中圖像顯現(xiàn)出來。
[0038]選用體積比為H2P04:H20:CH3COOH:HNO3= 16:2:1:1的酸性溶液，刻蝕金屬鋁膜；將經(jīng)過刻蝕的鋁膜，采用濕法去膠或者干法去膠，此處優(yōu)選濕法去膠，用大量去離子水沖洗，最后用無水乙醇去除光刻膠。
[0039]實(shí)施例1
[0040]襯底1，以及附在所述襯底I上的亞波長金屬諧振環(huán)陣列；
[0041]其中，所述襯底I為在太赫茲波段下，吸收系數(shù)小于0.5cm—1的材料構(gòu)成，所述亞波長金屬諧振環(huán)陣列包含至少4個(gè)諧振環(huán)單元2，每個(gè)所述諧振環(huán)單元2整體均為方形金屬框，且在所述方形金屬框每邊中間位置均設(shè)有一大小相同的開口 3。
[0042]具體地，所述亞波長金屬諧振環(huán)陣列周期為50um。
[0043]具體地，所述諧振環(huán)單元2的金屬框線寬為2um。
[0044]具體地，所述亞波長金屬諧振環(huán)陣列中每兩個(gè)諧振環(huán)單元2之間的間距為2um。
[0045]具體地，所述諧振環(huán)單元2中的開口 3大小為lum。
[0046]實(shí)施例2
[0047]襯底1，以及附在所述襯底I上的亞波長金屬諧振環(huán)陣列；
[0048]其中，所述襯底I為在太赫茲波段下，吸收系數(shù)小于0.5cm—1的材料構(gòu)成，所述亞波長金屬諧振環(huán)陣列包含至少4個(gè)諧振環(huán)單元2，每個(gè)所述