[发明专利]一种基于温度不敏感的太赫兹波超材料的生物传感装置

说明书

本发明提供了一种基于温度不敏感的太赫兹波超材料的生物传感装置，包括：太赫兹源、准直系统、斩波器、迈克尔逊干涉系统、太赫兹传感系统和探测系统；其中太赫兹传感系统，具体包括自下而上依次设置的衬底层、超材料层；衬底层为0.65CaTiO₃‑0.35NdAlO₃介电陶瓷，超材料层包括具有周期性微纳米结构的太赫兹PIT结构阵列和两个电极；太赫兹PIT结构阵列包括多个石墨烯PIT(等离子体诱导透明)单元；相邻两列石墨烯PIT单元连接到不同的电极；通过外加电压的改变，可以改变石墨烯内部载流子的浓度，可以在太赫兹传感装置中实现对生物样品的透明窗口进行动态调制。本发明的有益效果是：解决了太赫兹波单谱传感器中存在温度影响大、灵敏度低、光谱探测波长不能动态调谐等问题。

技术领域

本发明涉及生物检测领域，尤其涉及一种基于温度不敏感的太赫兹波超材料的生物传感装置。

背景技术

随着太赫兹辐射产生和探测技术的发展，太赫兹波在传感检测方面的应用引起了极大的关注。太赫兹传感器在机场安检系统、材料检测、空间信号探测、航天航空和工农业生产等众多领域都有着广泛地应用。由于太赫兹PIT(等离子体诱导透明)结构具有窄的带宽和高Q值，因此基于超材料的太赫兹波传感器具有体积小、谐振特性、灵敏度高以及易于调节的优点，并得到实际广泛地研究。

然而在实际应用中器件的工作温度以及基底材料的介电性能对调制器的调制特性存在很大的影响。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于温度不敏感的太赫兹波超材料的生物传感装置，基于0.65CaTiO_3-0.35NdAlO₃陶瓷的工作于太赫兹波段的太赫兹超材料进行研究，获得近零谐振频率温度系数的太赫兹生物组织传感装置。其目的在于，解决现有太赫兹波单谱传感器中存在的温度影响大、灵敏度低、光谱探测波长不能动态调谐等的技术问题。另外由于石墨烯本身为单分子层，能够和黏附在其表面的生物分子产生强烈的相互耦合作用，本专利石墨烯超材料直接和生物传感装置相连，致使太赫兹PIT的透明窗口可以利用外加电压的方式实现动态可调，因此石墨烯等离子体诱导透明结构在无标记生物传感上有大的应用空间。

一种基于温度不敏感的太赫兹波超材料的生物传感装置，包括：太赫兹源、准直系统、斩波器、迈克尔逊干涉系统、太赫兹传感系统和探测系统；斩波器设置在准直系统和迈克尔逊干涉系统之间的光路上；

所述太赫兹传感系统包括自下而上依次设置的衬底层、超材料层；其中，衬底层为0.65CaTiO₃-0.35NdAlO₃介电陶瓷，超材料层包括具有周期性微纳米结构的太赫兹PIT结构阵列和两个电极；两个电极分别位于超材料层的两侧，且两电极之间连接有可变电压源，用于提供电压；

所述太赫兹PIT结构阵列包括多个石墨烯PIT单元；相邻两列石墨烯PIT单元连接到不同的电极；通过外加电压的改变，可以改变石墨烯内部载流子的浓度，从而可以在太赫兹传感装置中实现对生物样品的透明窗口进行动态调制；

太赫兹源产生的太赫兹波经过准直系统准直后进入斩波器，斩波器将接收的太赫兹波周期性的送入迈克尔逊干涉系统，经迈克尔干涉系统产生的干涉光入射到太赫兹传感系统中的生物样品中，太赫兹传感系统中射出的带有生物样品信息的光信号被探测系统接收，实现对生物样品的光谱扫描。

进一步地，每个石墨烯PIT单元包括五根石墨烯棒，分别为第一石墨烯棒、第二石墨烯棒、第三石墨烯棒、第四石墨烯棒和第五石墨烯棒；

第二石墨烯棒、第三石墨烯棒、第四石墨烯棒和第五石墨烯棒组成互不相连的矩形结构：第二石墨烯棒和第三石墨烯棒为矩形结构的两条长边，第四石墨烯棒和第五石墨烯棒为矩形结构的两条短边，且第二石墨烯棒和第三石墨烯棒均不与第四石墨烯棒和第五石墨烯棒相连，以实现第二石墨烯棒、第三石墨烯棒与第四石墨烯棒和第五石墨烯棒之间的近场耦合；