一种电磁诱导透明的时频双域超表面传感器

1.本实用新型涉及超表面在生物传感领域的应用，具体涉及基于电磁诱导透明的时频双域超表面传感器。


背景技术：

2.生物大分子相互作用是重大生命现象与病变产生的关键动因，其中以蛋白质最为典型。mk蛋白质中期因子是一种低分子量蛋白，其过度表达意味着癌细胞的恶性程度，是癌症恶化程度的潜在生物指标。常用检测mk蛋白质中期因子的方法——酶联免疫吸附测定（elisa）通过抗体与酶复合物结合，最终利用显色变化进行检测，但这种方法存在测量时间长（通常花费2~4小时）和假阳性问题的缺点。太赫兹（thz）波是指频率在0.1
‑
10 thz（波长为0.03mm
‑
3mm）范围内的电磁波，在长波段与毫米波（亚毫米波）相重合，正好能够覆盖有机体和生物大分子等物质的特征谱。因此，thz在生物医学检测方面具有重大的应用价值。但当待测物浓度为痕量，由于thz波相对于待测物电学尺寸较长，导致物质与thz波相互作用不明显，所以寻找其它途径用于增强太赫兹波与物质相互作用成为了亟待解决的问题。超表面被定义为人工亚波长复合结构材料，只需要通过设计谐振结构就可以灵活地控制其电磁特性。特别是入射电场在超材料表面转变为表面等离激元(spp)时，会产生一个强烈的局域电场，大大增强了传感灵敏度。因此，太赫兹(thz)波段工作的超表面在生物检测方面，尤其是在生物样品的高灵敏传感识别方面表现出很大的潜力，为当前重大疾病及早诊断，及早治疗提供先进的技术手段。


技术实现要素：

3.电磁诱导透明性（eit）是一种量子力学现象，最初传统eit现象是在三能级原子系统中产生量子相消干涉效应中实现出现一个尖锐的透明窗口。本实用新型将eit引入超材料系统，在所设计结构中产生电磁相消干涉，出现尖锐的吸收峰。当超表面外部边界条件发生改变时，附加在该变表面上的外部物质吸收电场的能量，介电环境的扰动改变了界面边界条件，很大程度上改变了相应的光谱性质。相较于传统spp超表面传感器，eit超表面由于高q因子和强电场限制，对周围介质折射率极其敏感，界面边界条件的微小扰动极大改变了相应的光谱响应特性，提高了传感器灵敏度。本实用新型为解决癌症标记物痕量的无标记检测，及早发现癌症因子的存在，争取治疗时间提供了可能。
4.本实用新型的目的是提出一种电磁诱导透明的时频双域超表面传感器，有效解决生物蛋白质检测操作复杂、假阳性的问题，并且可以同时在时频双域检测样品。
5.本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：
6.一种电磁诱导透明的时频双域超表面传感器，包括基底，在基底上刻蚀金属方环，在金属方环内的基底上刻蚀金属圆环，金属圆环设置有开口端，开口端与金属方环的中间位置相对应。
7.上述电磁诱导透明的时频双域超表面传感器，所述金属方环为闭合结构，金属圆
环为开口结构。
8.上述电磁诱导透明的时频双域超表面传感器，闭合金属方环和开口金属圆环构成外方内圆的周期性单元结构。
9.上述电磁诱导透明的时频双域超表面传感器，金属方环和金属圆环的厚度均为0.2μm。
10.上述电磁诱导透明的时频双域超表面传感器，所述基底为柔性聚酰亚胺基底。
11.上述电磁诱导透明的时频双域超表面传感器，所述基底厚度为10μm。
12.上述电磁诱导透明的时频双域超表面传感器，单位周期性结构外方内圆金属环结构材料为金，周期为140μm，厚度为0.2μm。
13.上述电磁诱导透明的时频双域超表面传感器，金属圆环外半径为31μm，开口间隙w宽为12μm，外部闭合方环外环长为116μm，方环与开口圆环的线宽都为10μm。
14.采用上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
15.1．检测生物蛋白质酶传统方法—联免疫吸附试验(elisa)方法存在测量时间长、效率低和假阳性等缺点，eit现象是在三能级原子系统中产生量子相消干涉效应中实现出现一个尖锐的透明窗口。本实用新型将传统量子eit引入超材料系统，在所设计结构中产生电磁相消干涉，出现尖锐的吸收峰。当超表面上的外部边界条件发生改变时，附加在该表面上的外部物质吸收电场的能量，介电环境的扰动改变了界面边界条件，很大程度上改变了相应的光谱性质。相较于传统spp超表面传感器，eit超表面由于高q因子和强电场限制，对周围介质折射率极其敏感，界面边界条件的微小扰动极大改变了相应的光谱响应特性，从而提高了传感器灵敏度，降低了探测极限，为解决癌症标记物痕量的无标记检测，及早发现癌症因子的存在，争取治疗时间提供了可能。
16.2．超表面传感往往只分析研究频域，本实用新型采用二次傅里叶变换得到伪时域谱，研究伪时域谱与蛋白质浓度间的关系，结果发现随着蛋白质浓度增大，对应浓度谱线所占面积逐渐增大。因此，伪时域谱也可作为蛋白质浓度水平的指标。值得一提的是，如果在时域直接扣除空气背景需要一系列复杂的数学计算来消除空气背景的影响，频域只需简单的除法，所以研究人员习惯于分析频域忽略时域。本实用新型提出的伪时域光谱将第一象限中去除空气背景影响的时域光谱对称到第二象限中的光谱信息反映为伪谱，这不仅大大解决了研究时域谱线难的问题，还同时扣除了在时域上难以扣除背景。频移作为测量蛋白质浓度横向指标，振幅差得到的时域伪谱作为测量蛋白质浓度的纵向指标，为多维度研究谱线与蛋白质浓度之间的潜在关系提供可能。
附图说明
17.图1为本实用新型的结构示意图。
18.图2为在eit透射峰的电场分布示意图
19.图3为x偏振方向上，产生eit透射峰方向，对滴涂不同浓度蛋白质的超表面透射谱图。
20.图4为x偏振方向上，产生eit透射峰方向，对滴涂不同浓度蛋白质的超表面透射频移及振幅差图。
21.图5为x偏振方向上，产生eit透射峰方向，对滴涂不同浓度蛋白质的伪时域谱图。
具体实施方式
22.以下结合附图1、图2、图3、图4和图5具体详细地说明本实用新型的结构及工作过程。
23.一种电磁诱导透明的时频双域超表面传感器，包括基底1，在基底上刻蚀金属方环2，在金属方环内的基底上刻蚀金属圆环3，金属圆环设置有开口端，开口端与金属方环的中间位置相对应，基底、金属方环和金属圆环构成外方内圆超表面传感器。
24.本实用新型电磁诱导透明的时频双域超表面传感器，所述金属方环为闭合结构，金属圆环为开口结构。闭合金属方环和开口金属圆环构成外方内圆的周期性单元结构。金属方环和金属圆环的厚度均为0.2μm。
25.本实用新型电磁诱导透明的时频双域超表面传感器，所述基底为柔性聚酰亚胺基底，厚度为10μm。
26.具体做法为：在清洗干净的硅片上旋涂粘度为3600厘泊聚酰亚胺溶液，把旋涂好的聚酰亚胺溶液放在真空干燥箱里面进行固化，固化过程是分别在温度为120℃、200℃和230℃时各烘烤1小时，然后在温度为250℃时再烘烤2小时，最后自然冷却至室温取出。
27.本实用新型电磁诱导透明的时频双域超表面传感器，所述上述电磁诱导透明的时频双域超表面传感器，单位周期性结构外方内圆金属环结构材料为金，周期为140μm，厚度为0.2μm；金属圆环外半径为31μm，开口间隙w宽为12μm，外部闭合方环外环长为116μm，方环与开口圆环的线宽都为10μm。
28.获得上述金属结构具体做法为：在光刻机上放置涂好光刻胶的基片和制备好的掩模板（mask）并对准，将基片与mask贴紧，用光刻机上的显微镜观察，并调整好曝光时间，曝光时间为9.8秒，曝光4次。曝光完以后接着进行反转烘烤，在110℃下烘烤1分钟。然后反曝光45秒，最后利用显影液显影，时间为45秒，显影后进行后烘，烘烤温度为90℃，时间为10分钟。在露出的聚酰亚胺膜上面蒸200nm厚的金。将蒸金属的样品浸泡在丙酮溶液中进行剥离去除剩下的光刻胶az5214与所述光刻胶上的第一层金属，浸泡时间20分钟左右即可。然后用异丙醇及去离子水清洗。
29.本实用新型，如图1所示。包括如下两层结构：底层由柔性材料聚酰亚胺制成；表层的表面图形化金属层由等间距排列的（单位周期性结构）金属方环2与金属圆环3组成。其中，金属开口圆环3处于方环2内部正中间，方环2为闭合结构，组成外方内圆金属环单元。柔性基底层与外方内圆的周期性单位结构组成的表面图形化金属层构成超表面传感器。本结构在入射电磁波沿x偏振方向振荡的透射谱上产生高q值高灵敏度的电磁诱导透明峰，对滴涂于超表面不同浓度的蛋白质产生不同程度的频率偏移与振幅差，频移作为测量蛋白质浓度横向指标，振幅差得到的时域伪谱作为测量蛋白质浓度的纵向指标，多维度分析解决了太赫兹波段高灵敏度蛋白质的快速无标记检测。
30.将整个eit结构分解为两个子部分：方形框架结构(sf)和双水平金属线+圆形环 (ew)。每个子部分和整个结构光谱响应及电场分布如图2所示。从图中观察到，在eit窗口处，sf单元支持的亮模与ew支持的暗模之间的干扰在整个结构中产生了eit共振。在这一机制中，亮模通过近场相互作用将能量耦合到暗模，激发ew结构的lc共振。在相对宽的吸收带中，lsp和lc之间的相消干涉导致尖锐的透明峰出现。在0.64thz处，sf结构作为亮模，电场主要分布在正方形的左侧和右侧，伴随着电流沿上、下金属线相流动，显然形成了典型的具
有偶极子模式的lsp共振。对于ew结构充当发暗模，虽然电场保持在左侧和右侧，但强度比sf结构小一个数量级，在图中几乎不可观察。同时，金属线和内圆环都不产生明显的电流分布。值得注意的是，只有两个子部件组合在一起，内部分裂环在诱导强循环电流之前没有产生明显的电流，并产生相应的lc共振。由于这种模式以前不是由入射的太赫兹波激发的，它意味着明亮的模式通过近场相互作用将能量耦合到暗模。因此，由于两种模式之间的相消干涉，亮模被完全抑制，沿金属框架的偶极子模式下的电流密度变弱。
31.由于电磁诱导透明结构中明模被完全抑制，所有光谱线型的变化都归因于外部介电环境改变所致，因此具有极高的灵敏度。将不同浓度mk蛋白质溶液滴在超表面传感器上，溶液均匀覆盖在周期性单元结构上，图3显示了eit超表面在不同mk蛋白质浓度下的透射幅度谱。与空白样品相比，被mk蛋白滴涂后的样品eit峰位频率上都发生了明显的红移，并且随着mk蛋白质浓度的增加，红移偏移量更大。
32.图4所示为进一步提取的频移δf及峰值振幅随mk蛋白质浓度变化的依赖关系。随着mk蛋白质浓度从0.2μg/ml增加到50μg/ml，0.67thz处的透明峰频移逐渐增大，并达到最大值47 ghz。由于超表面近场有效介电常数的变化，δf变成了一个实际有用的指标，有助于快速确定无标记mk蛋白质的浓度。
33.由于直观、准确的优点，直接研究时域信号能够更全面地提取数据多维信息。图5所示为对样品全光谱振幅差应用两次傅里叶变换得到的伪谱图。这种方法大大解决了在时域上难以去除背景信号的问题。结果表明，mk蛋白质表达水平可直接通过伪谱识别。当mk蛋白质浓度增加到20μg/ml时，伪谱强度达到最高。当mk蛋白质浓度降到最小值0.5μg/ml时，伪谱峰值接近0.02，仍然可以被清楚地识别。因此，该方法的检测限(lod)小于0.5μg/ml。这样的特征充分体现了伪时谱在mk蛋白质痕量检测中的优越性。
34.以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。