[发明专利]一种新型高灵敏度和无标记测量单分子层的太赫兹传感器

说明书

本发明公开了一种新型高灵敏度和无标记测量单分子层的太赫兹传感器，包括周期结构的双层超材料，所述周期结构的单元结构为开口极化方向相互垂直的两个劈裂环。本发明还公开了一种将上述太赫兹传感器用于生物单分子层检测的方法，在所述太赫兹传感器的一侧覆盖一层单分子层物质。本发明实现了对生物单分子层无标记的高灵敏检测。

技术领域

本发明涉及一种太赫兹传感器，特别涉及一种新型高灵敏度和无标记测量单分子层的太赫兹传感器。

背景技术

目前常用的研究分子特性的方法，是对分子进行荧光标记，再利用流式仪对标记的分子进行测量。这个方法是破坏性的，不能对生物分子的动态过程进行连续的观察。且价格昂贵，耗时长。生物分子无标记的测量具有快速、代价小、无损和可抛弃等优点，高灵敏的无标记测量是生命科学家一直追求的目标。

利用高品质因素的光学微腔可以实现无标记的高灵敏度检测，它的高灵敏度可以感知单分子层的变化。但是这种方法热稳定性差，制备较为复杂，且光学微腔是立体结构不宜集成，这些缺点导致其很难在实际中得到应用。太赫兹波具有光子能量低，对生物分子没有离子化效应；生物分子的振动和转动能级落在太赫兹波段，可以有吸收谱特性；而且太赫兹波可以被水强烈的吸收；因此太赫兹波与生物分子可以发生很强的相互作用，也说明太赫兹波是非常适合研究生物分子电磁特性的波段。

利用太赫兹波进行生物分子无标记的测量有三种方法，一是根据微扰法设计的超构材料，目前测量的灵敏度是在50GHz/RIU/μm（ RIU, Refractive Index Unit, 表示单位折射率变化），第二种方法是基于表面等离激元，它的测量灵敏度与超构材料的方法相当。第三种方法是利用棱镜的内反射原理，其灵敏度要低于上面两种方法。由于单分子层的厚度很小（10nm左右），为了测量单分子层的变化，需要传感器具有非常高的灵敏度。目前上述方法的灵敏度都太低，不足以用来测量单分子层的变化。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种具有高灵敏度、可以无标记测量生物单分子层的太赫兹传感器的设计方案，以及用于生物单分子层传感识别的高灵敏度测量的方案。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的第一种技术方案为一种新型高灵敏度和无标记测量单分子层的太赫兹传感器，包括周期结构的双层超材料（人工电磁媒质，英文为metamaterial），所述周期结构的单元结构为开口极化方向相互垂直的两个劈裂环(splitting ring resonators, 简写为SRRs)。利用空-时称性点（又称奇异点，英文是Exceptional Point, 简写为EP）处谐振腔的谐振频率劈裂的大小对外界扰动非常敏感的特性，实现对外界环境微小变化的探测。

进一步的，所述双层超材料的中间为介质基底薄膜。

进一步的，所述介质为聚酰亚胺。

进一步的，所述介质基底薄膜的厚度为5μm。

进一步的，所述两个劈裂环的材质均为金属。

进一步的，所述两个劈裂环的材质为两种电导率相差较大的两种金属，这里相差较大的标准为相差十倍以上。

进一步的，所述两个劈裂环的材质分别为金和钛或银和铅。

本发明采用的第二种技术方案为将如上所述的太赫兹传感器用于生物单分子层检测的方法，其特征在于，在所述太赫兹传感器的一侧覆盖一层单分子层物质。所提供的谐振频率劈裂值大到5GHz，足以用太赫兹时域光谱系统进行测量。

有益效果：本发明设计的太赫兹传感器相比以往结果，采用了两种金属材料构成双层超材料且工作在EP附近，灵敏度非常高，可以实现生物单分子层的无标记测量。

附图说明

图1为本发明太赫兹传感器单元结构的立体图、正视图和侧视图。