基于柔性超材料的太赫兹超高灵敏度生物传感器设计

王书宁 ,王子兰 ,曹 暾,

(1.大连理工大学生物医学工程学院,辽宁 大连 116024;2.大连理工大学 光电工程与仪器科学学院,辽宁 大连 116024)

太赫兹(Terahertz,THz)波段是位于微波和红外辐射之间的电磁波谱部分,在生物医学领域有着独特的优势。太赫兹电磁波是一种非侵入性、非接触性和非电离辐射特性的技术,对暴露在其中的生物样本无害,在无损检测中具有优异的性能[1]。太赫兹电磁波对细胞含水量十分敏感,适合研究人体疾病,如在癌症检测中用于区分病变组织和正常组织[2]。超材料是一种由周期性排列的亚波长元件组成的人工设计的电磁材料,它通过改变单元结构的几何形状和方向来改变电磁特性,可以激发出一系列有趣的特性,例如人工磁性[3]、负折射率[4]、波长选择性吸收[5]、手性[6]和电磁感应透明[7-8]等,进而在太赫兹波段进行超透镜[9]、光通信[10]、吸收器[11]、隐身[12]、极化转化和传感器等应用[13-16]。此外,太赫兹超材料使局部电场增强,获得较大的质量因子(Quality Factor,Q值),对微小的环境变化表现出高灵敏度,因此适合于生物传感应用。

在太赫兹传感中,通常可以利用LC 共振增强局部电场,从而提高生物传感器灵敏度,法诺共振是方法之一。法诺共振产生于超材料的窄的离散共振(暗模式)和宽谱线或连续谱线(亮模式)之间的相互耦合[17],通过法诺共振产生的强电场能极大地增强电磁波与物质的相互作用,表现出不对称的、线宽较窄的尖锐谱线,具有较强的电磁场约束,进而对周围介质环境变化呈现出较高的Q值和灵敏度。基于这些优良的特性,法诺共振在设计太赫兹高灵敏度器件方面有很大的潜力。2017 年,Geng 等[18]设计了可用于早期肝癌细胞检测的太赫兹不对称金属环结构传感器,灵敏度为150 GHz/RIU(Refractive Index Unit)。2019 年,Yan 等[19]利用双不对称开口环谐振器进行癌细胞检测和抗癌药物浓度分析,所设计传感器灵敏度为455.7 GHz/RIU。2020 年,Cheng 等[13]提出了一种在柔性聚酰亚胺(Polyimide,PI)基底上制备的平面阵列法诺不对称开口圆环谐振器,用于蛋白质传感,灵敏度为240 GHz/RIU。但以上传感器灵敏度均有待提升。另一方面,柔性材料具有介电常数低、性能稳定、可折叠等优点,同时对生物物质无害,与某些生物物质兼容[20],可用于提升生物传感器的泛用性。

因此本文提出了一种在柔性聚酰亚胺电介质上制备的平面阵列法诺不对称开口环谐振器,利用法诺共振激发的尖锐谱线进行传感。该生物传感器的灵敏度高达1018 GHz/RIU,可以提高生物样本检测极限,特别是对癌症生物标志物的微量检测[21],这可能是未来柔性超材料生物传感器的一个重要应用方向。此外,该传感器对待测物厚度容差性较大,对生物样本要求宽松,便于实验。本文设计的生物传感器在太赫兹波段实现了高灵敏度,且基于柔性材料设计,易集成于可穿戴式设备,在生物传感器方向有良好的应用前景。

1 结构设计与仿真模拟

图1(a)所示为太赫兹波段柔性超材料生物传感器的周期阵列结构示意图,它由金/电介质(聚酰亚胺)/金组成。图1(b)是该传感器单元示意图,上表面为两个相同的开口环180 度旋转拼接成不对称开口环谐振器,l、w、h1分别为金属条的长度、宽度和厚度,g为开口宽度。下表面是厚度为h3的连续金层,可以达到增强反射的效果,金的电导率为4.561×107S/m[22]。两者之间的介质是厚度为h2的柔性材料聚酰亚胺,相对介电常数为3+j0.05[23]。其中,单个单元结构的x和y方向周期参数为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。

图1 (a) 超材料生物传感器结构三维示意图;(b) 单元示意图Fig.1 (a) Schematic 3D view of metamaterial biosensor structure;(b) Schematic diagram of unit cell

该设计的仿真模拟计算全部使用CST Microwave Studio 电磁仿真软件完成。图2 所示为太赫兹电磁波垂直入射时超材料生物传感器的反射光谱,偏振方向与开口一致(沿x轴)。由于不对称开口的设置,超材料生物传感器的反射光谱分别在3.3 THz 和4.83 THz处有明显的低谷,其中在4.83 THz 处得到一个更加尖锐的谱线。通常传感器的传感性能主要表现为灵敏度S、质量因子Q和FOM 值三个参数。质量因子Q表示共振倾角的锐度,影响频移的识别,理论表明,质量因子数值越大,意味着传感器性能越好,对传感器的性能起到决定性的作用,具体的表达式如公式(1)所示:

图2 无待测物时超材料生物传感器反射光谱Fig.2 Reflection spectrum of metamaterial biosensor without analyte

式中:F0是反射谱低谷处的中心频率;ΔF=;F1和F2则分别是最大反射率值的一半处对应的两个频率。该设计的ΔF为0.46 THz,根据计算得到其Q值为21,对于传感器设计是一个不错的选择。

2 传感原理分析

为了进一步分析共振频率为4.83 THz 处超材料生物传感器的效果,仿真研究了传感器的归一化电场分布和归一化表面电流分布,如图3 所示。图3(a)表明电场主要分布集中在开口间隙附近,图3(b)表明电流主要分布在进行谐振的金属条上,中间的金属条上的电流由于同时存在向上和向下两个方向而相互抵消不显示,但是电流依旧通过该金属条。

图3 (a) 4.83 THz 处的归一化电场分布;(b) 4.83 THz 处的归一化表面电流分布Fig.3 (a) Normalized electric field distribution at 4.83 THz;(b) Normalized surface current distribution at 4.83 THz

根据等效电路理论,电场的产生是由于入射的太赫兹电磁波产生的感应电荷在开口处不断聚集,电流的产生则是由于电荷移动形成了环形电流,因此该传感器的震荡方式为:

从公式(2)中得出,共振频率主要由电感L、电容C决定的,所以中间的金属条起到并联作用,电流可以通过中间的金属条形成多个环流,来实现更好的传感效果。由于该设计使用非磁性材料,超材料的结构参数确定后,金属条形成的等效电感基本不会改变,等效后的总电感定义为Le。该器件的等效电容Ce与间隙形成的等效电容和金属层之间的介质层有关系,如果将待测物涂覆在超材料传感器表面,就会形成一个新的电容Csensor。随着周围介电常数和待测物厚度Δ0的变化,Csensor的数值将会改变。为了便于后续分析传感器的特性,可以将该结构的等效电路模型简化为图4,得到传感器的谐振频率为:

图4 超材料生物传感器的LC 简化等效电路图Fig.4 Simplified equivalent LC circuit model of metamaterial biosensor

由于等效器件电容Ce远小于Csensor,Csensor将主要影响传感器的等效电容,进而在待测物折射率变化很小的情况下,引起共振频率和振幅明显的变化,最终实现高灵敏度的传感器。同时采用低介电常数、低损耗和较薄的超材料可以提高传感器的灵敏度,有利于检测介电常数的微小变化,因此可以减少测量所需样品分子的数量。

3 传感性能效果分析

超材料生物传感器在进行生物物质识别时,需将待检测生物样本附着于传感器表面。因附着在其表面的生物样本的差异性,在电场作用下会表现出不同的介电常数,从而可以分析出表面物质的生物特性。在本文中,生物样本浓度的改变会引起折射率变化,继而导致共振频率的偏移。根据共振频率偏移量对生物样品浓度进行检测分析,可计算得到所设计的传感器灵敏度。在仿真生物溶液浓度检测时,设置具有不同介电常数的待测物覆盖在超材料生物传感器的表面,假设该待测物厚度h0为3 μm,通过仿真模拟得到不同折射率的待测物的反射谱,如图5(a)所示。当待测物的折射率增大时,共振频率红移,传感器的灵敏度通常定义为:

式中:Δf为谐振频率偏移量;Δn为生物样本折射率n的相对变化。根据计算得到该传感器的灵敏度为1018 GHz/RIU。同时,图5(a)中呈现出折射率线性变化时,共振频率的偏移量也基本一致,为了定量地描述所设计结构的灵敏度,将共振频率偏移量与Δn的函数关系绘成图5(b),发现共振频率的偏移大小随折射率n的变化呈现线性变化。此外,FOM 值考虑了影响因子带宽,也是考察传感器性能的重要指标之一,其计算公式定义为:

图5 超材料生物传感器的折射率传感性能。(a) 共振频率随折射率增加而红移;(b) 拟合曲线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 是反射谷的半高全宽最大值。当传感器的灵敏度一定时,共振频率的FWHM 越小,FOM 值越高,所以传感精度也更好。根据计算得到该传感器的FOM 值为2.21。

接下来就传感器对正常细胞与肿瘤细胞的检测性能进行了研究。太赫兹波段对细胞含水量十分敏感,细胞含水量的微小变化会引起THz 波段折射率的差别。含水量(水胞质量比)为30%～ 70%的正常细胞与含水量80%的宫颈癌细胞折射率不同,分别为1.368和1.392[24],对此进行仿真比较,如图6 所示,共振频率偏移了24 GHz,相应的灵敏度为1000 GHz/RIU。当细胞的折射率变化极其微小时,该传感器依旧可以得到一定的偏移,说明传感效果良好,该设计可以作为超高灵敏度、高Q值的生物传感器。

图6 正常细胞与宫颈癌细胞对比图Fig.6 Comparison of normal cell and cervical cancer

待测物层的厚度也会影响传感器的效果。本文选取常用的DNA 溶液,折射率n=1.3342[25],通过改变待测物的厚度h0,得出不同h0时的反射谱线,如图7(a)所示。反射谱线的共振频率与h0并不是线性红移的关系。此外,当表面待测物的厚度从0 到1 μm 变化时,传感器的共振频率偏移量很大,为342 GHz,这代表了传感器表面有和没有待测物时的频率偏移量,表明该传感器在有待测物的情况下表现出了良好的传感性能。从图7(b)可以看出,当待测物的厚度逐渐增大至3 μm 以上时,共振频率偏移量很小,可以忽略不计,这说明待测物厚度超过3 μm 时,厚度对超材料传感器灵敏度的影响很小。表面待测物形成的电容Csensor主要与厚度和本身的折射率相关,且直接影响共振频率,因此在实验过程中在传感器表层涂抹生物分子的厚度误差对该传感器的影响较小。

图7 (a) 不同待测物厚度情况下的反射光谱;(b) 随着待测物厚度变化的共振频率位移Fig.7 (a) Reflection spectrum for different analyte layeres thicknesses;(b) Resonance frequency shift vs analyte layer thickness

4 结论

综上所述,本文设计并提出了一种基于柔性材料的亚波长结构金属不对称开口环的超材料生物传感器,获得了超高灵敏度,并对其传感特性和共振机理进行了详细讨论。结果表明,该传感器的Q值为21,灵敏度高达1018 GHz/RIU,FOM 值为2.21,实现了太赫兹频段的超高灵敏度、高Q值折射率传感。同时,当待测物的厚度超过3 μm 时,厚度对传感器灵敏度影响较小,适合生物分子浓度检测的相关实验。同时该传感器使用柔性电介质,因其可以折叠弯曲的特性为可穿戴式传感器提供一个新的思路,在太赫兹波段超灵敏生物医学传感器的设计中也具有重要的应用价值。