太赫兹波段超材料在生物传感器的应用研究进展_闫昕

闫 昕１，张 兴 坊１，梁 兰 菊１，姚 建 铨２＊
１．枣庄学院光电工程学院，山东 枣庄 ２７７１６０ ２．天 津 大 学 精 密 仪 器 与 光 电 子 工 程 学 院 ，天 津 ３０００７２
摘 要 超材料对电磁场的局域增强以及对周 围 环 境 的 介 电 性 质 敏 感 等 特 性 ，可 用 于 无 标 记 生 物 检 测，因 而越来越受到国内外的学术关注，特别是太赫 兹 波 段 的 超 材 料 生 物 传 感 器 。总 结 了 近 年 来 太 赫 兹 波 段 超 材 料在生物传感器方面取得的进展。首先介绍了 超 材 料 生 物 传 感 器 的 基 本 原 理 ，接 着 分 析 和 讨 论 了 衬 底 材 料 和厚度的选择、超材料结构对传感器灵敏度的影响。分析表明，通过优化结构、采用低介电 常 数 和 损 耗 低 的 薄 衬 底 ，能 进 一 步 提 高 生 物 传 感 器 的 灵 敏 度 ，并 且 多 种 物 质 在 太 赫 兹 波 段 都 有 直 接 的 电 磁 响 应 特 征 ，因 此 利 用太赫兹波段超材料实现无标记生物检测具有很大的 应 用 潜 力。最 后 初 步 探 讨 了 该 生 物 传 感 器 的 发 展 趋 势 与前景。
生物传感器在许多领域是必不可少 的 重 要 工 具，如 疾 病 诊断 ，环 境 监 测 ，食 品 安 全 等［３２］。一 般 情 况 下 ，表 征 生 物 传
感器的性能指标主 要 有 灵 敏 度、探 测 极 限、稳 定 性、响 应 时
间等参数。
为了提高生物传感器的灵敏度，必须 增 强 电 磁 波 与 样 品
感主要有超材料的几何参数 决 定 的，如 果 是 非 磁 性 材 料，只
要超材料的几何结构参数确 定，电 感 就 基 本 不 发 生 变 化。而
电容 Ｃ 与周围媒质的介电常数和电场有关系，将待测物 质 覆 盖在超材料结构上，随着 周 围 介 电 常 数 的 增 加，整 体 电 容 Ｃ 将发生变化，引起共 振 频 率 的 变 化。对 于 电 场 的 变 化，通 过
以提高超材料的探测灵敏度，从而有利于 探 测 物 质 微 小 变 化
和减少样品 用 量。衬 底 材 料 可 以 是 刚 性 的，也 可 以 是 柔 性
的。这里主要从衬底，超材料结 构 等 分 类 介 绍 了 近 年 来 太 赫
兹超材料在生物传感器应用方面取得的研究进展。
２ 太 赫 兹 波 超 材 料 在 生 物 传 感 器 方 面 应 用 研 究进展
２．１ 基于半导体厚衬底的太赫兹 ＳＲＲ 环超材料生物传感器
Ｆｉｇ．１ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ＳＲＲ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ ｗｉｔｈｏｕｔ（ａ）ａｎｄ ｗｉｔｈ （ｂ）ａ １６μｍ ｔｈｉｃｋ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ ｏｖｅｒｌａｙｅｒ
Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ （ａ）ＯＤＴ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＳＲＲｓ ｓｕｒｆａｃｅｓ （ｂ）ｂｉｏｔｉｎｙｌａｔｉｏｎ ｏｎ ＯＤＴ；（ｃ）ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｂｉｏｒｅｃｏｇｎｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＳＡ．Ｔｏｐ－ｌｅｆｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ＳＥＭ ｏｆ ＳＲＲｓ ｗｉｔｈｏｕｔ ａｎｄ ｗｉｔｈ ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ｆｏｒ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ
关 键 词 传 感 器 ；太 赫 兹 ；时 域 光 谱 ；超 材 料 ；生 物 ；进 展 中 图 分 类 号 ：ＴＢ３４；Ｏ４４１ 文 献 标 识 码 ：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－０５９３（２０１４）０９－２３６５－０７
引 言
超材料是由周期性排列的人工电 磁 材 料［１］，特 殊 设 计 的 结构会表现出普通材料所不 具 备 的 特 性 ，如 负 折 射［２］，突 破 衍 射 极 限 成 像［３，４］，隐 身 等 方 面［５－７］，这 些 奇 异 的 性 能 在 很 大 程度上取决 于 超 材 料 分 子 的 几 何 形 状 ，而 不 是 它 们 的 组 合 物［８］。此外，超材料还表现出对电 磁 场 的 局 域 性 增 强 以 及 对 周围环境介 电 性 质 等 敏 感 特 性 ，可 以 用 来 检 测 少 量 的 分 析 物［９］。太赫兹波（Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ，ＴＨｚ）指频率为０．１～１０ＴＨｚ 的 电 磁波，具有能量低、带宽宽、穿透性强等特性，在通信、安 检 、生 物 医 学 等 方 面 具 有 重 要 的 应 用 前 途 。特 ［１０，１１］ 别 是 在 生 物传 感 器 方 面，这 是 因 为 ＴＨｚ波 的 低 光 子 能 量 特 性 能 激 发 出生物 分 子 的 集 体 振 荡 模 式，增 强 生 物 探 测 分 子 的 灵 敏 性 。 ［１２，１３］
图１为设计的双环 ＳＲＲ 结构和测量的太赫 兹 传 输 曲 线， 在０．２～１．８ＴＨｚ之间有三个谐振，分别为 ＬＣ 共振，ωＬＣ／２π ＝０．４６ ＴＨｚ，等 离 子 共 振 ωｄ／２π＝１．３５６ ＴＨｚ，还 有 内 部 ＳＲＲ 环产生弱 共 振，ωｉ／２π＝１．１６ＴＨｚ。当 旋 涂 １６μｍ 厚 介 电 层 （介 电 常 数εｒ ＝２．７±０．２）时，三 个 谐 振 偏 移 量 分 别 为 ３６，６０ 和７８ＧＨｚ。旋 涂 介 电 层 以 后 ，改 变 了 超 材 料 结 构 的 周 围媒质，共振频率发生了偏移。总之，利用简 单 的 ＳＲＲ 超 材 料能够实现频率的偏移，但是这种办法还 不 能 满 足 生 物 传 感 器的实际需求。为了实现单分 子 检 测，吴 晓 君 等 利 用 太 赫 兹 超材料对生物素与链霉亲和素的特异性结合实现了无标记的 检测，通过共振频率的不同偏移检测了不 同 浓 度 的 链 霉 亲 和 素 。 ［３６］
设计特殊的超材料结构就可以实现高品质因子共振和强局域
场 分 布 ，从 而 可 以 提 高 传 感 器 灵 敏 度 。
超材料的高频共振，理解为 等 离 子 体 共 振，其 共 振 频 率
表 示 为［３４］
ωｄ ∝ １／（２ｄεｅ１ｆ／ｆ２）
（２）
式中，ｄ 主要由超材料的几 何 参 数 决 定 ，εｅｆｆ为 环 境 的 平 均 介
电常数。当生物分子连接到超材料结构上 引 起 周 围 介 电 常 数
的 变 化 ，从 而 共 振 频 率 发 生 变 化 。
超材料一般由制作在半导体衬底或者电介质上的亚波长
金属结构组成。衬底也会引起 超 材 料 的 共 振 偏 移，这 是 因 为
超材料与衬底发生 相 互 作 用，衬 底 与 超 材 料 之 间 也 有 电 容。
第３ ４卷 ，第９期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 ２ ０ １ ４ 年 ９ 月 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ
Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．９，ｐｐ２３６５－２３７１ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２０１４
太赫兹波段超材料在生物传感器的应用研究进展
＊ 通 讯 联 系 人 ｅ－ｍａｉｌ：ｊｑｙａｏ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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光谱学与光谱分析 第３４卷
１ 超 材 料 生 物 传 感 器 的 基 本 原 理
Ｏ’Ｈａｒａ等 研 ［３６］ 究 了 基 于 ０．６４ ｍｍ 厚 硅 衬 底 双 ＳＲＲ 环 太 赫 兹 生 物 传 感 器 ，如 图 １ 所 示 。
根 据 Ｈａｒａｒ等 的 建 议 ，整 体 电 容 为［３５］
ｃ＝ｃ１ ＋ｃ２ ＋ｃ３ ＋ｃ４
（３）
式中，ｃ１ 为衬底电容，ｃ２ 为衬底 与 超 材 料 之 间 电 容 ，ｃ３ 为 超
材料结构本身电容，ｃ４ 为超材料结构与所测生物 样 品 之 间 的
电容。如果超材料结构制作在 高 阻、高 介 电 数 厚 度 比 较 大
本工作研究的超材料仍为 ＳＲＲ 环，衬底为０．５ｍｍ 厚的 硅和０．８ｍｍ 厚的石英。生物传感器 先 用 硫 醇 （ＯＤＴ）分 子 功 能化，活化后的表面再用生 物 素 分 子 （ＣＡＳ）进 行 处 理，最 后 连接上链霉亲和 素。从 太 赫 兹 传 输 曲 线 可 知 ，对 于 硅 衬 底， 如果连 接 上 链 霉 亲 和 素，硅 衬 底 的 样 品，低 频 偏 移 ０．７５ ＧＨＺ，高 频 偏 移 ２．７７ ＧＨｚ。石 英 衬 底 的 样 品，低 频 偏 移
相互作用，利用超材料是一种 比 较 有 效 的 方 法。超 材 料 结 构
共振分为低频共振和高频共振，低频共振 可 以 理 解 为 电 容 和 电 感 的 耦 合 ，共 振 频 率 表 示［３３］
ωＬＣ ＝ （ＬＣ）－１／２ ＝
１
ν
槡∫ 槡Ｌ ε０ ε（ν）Ｅ（ν）ｄν
（１）
从式（１）得出，共振频率主要有电感、电容Ｃ 决定的。其中电
生物传感器是将生物活性物质作为识别元件与理化换能 器 有机结合而形成的一种检测装置［１４］。经 过６０多年的发展 ， 人们发展出基于各种原理，各 种 结 构 的 生 物 传 感 器，主 要 分 为三 类 ：根 据 是 否 要 对 分 析 物 进 行 修 饰 或 者 前 处 理［１５］，分 为
（１）标记传感器（２）无标记传感器；根 据 敏 感 元 件 识 别 分 析 物 的方式［１６］，分为（１）生 物 亲 和 性 传 感 器 （２）代 谢 性 或 者 催 化 性传感器；根据 转 化 信 号 的 种 类 分 ［１７］ 为 （１）电 传 感 器 （２）光 传感器（３）热 传 感 器。对 于 标 记 生 物 传 感 器，标 记 过 程 比 较 复杂，耗时长，而且可 能 会 改 变 分 析 物 原 有 的 性 质；生 物 亲 和性传感器为固定生物组件与待测定之分析物发生亲和性结 合时，造成生物分子 引 起 诸 如 电 荷、厚 度、光 学 等 物 理 量 的 变化。光传感器具有 灵 敏 度 高、抗 电 磁 干 扰 能 力 强、噪 声 低 等特点，被认为很有发展前景 的 生 物 传 感。超 材 料 生 物 传 感 器是将外界折射率的变化转变为光信号 的 变 化，属 于 生 物 亲 和 性 ，无 标 记 光 学 传 感 器 。