一种基于微流控技术的太赫兹生物传感系统

本发明涉及生物传感器，具体提供一种集成微流控芯片的太赫兹生物传感系统。

背景技术：

1、太赫兹波的频率在0.1～10thz，由于太赫兹能量低，许多生物分子的骨架振动和能级在太赫兹波段，因此太赫兹技术可以应用于生物医学领域中，太赫兹生物传感器为其中一个应用；太赫兹生物传感器由超材料构成，超材料是一种人工合成的材料，它由周期性的亚波长结构组成。

2、微流控技术是指在微米级别的通道内操控流体的一种技术，一般被操控的流体的体积为皮升或者纳升的级别，现阶段许多科研小组将太赫兹技术与微流控技术结合起来用于液体样品的测试，减小太赫兹与液体的作用距离；如文献“george,paul,a,etal.microfluidic devices for terahertz spectroscopy of biomolecules[j].optexpress,2008”中，paul等设计了一种由zeonor1020r材料制作的微流控芯片，并用其在太赫兹时域光谱系统中测量出从0.5thz到2.5thz的牛血清白蛋白透射光谱特性，所获得的结果与之前科研小组采用大功率太赫兹源一致；文献“范宁,苏波,武亚雄,等.夹心式太赫兹微流控芯片[j].光谱学与光谱分析,2018,38(5):6”中，范宁等设计了微流控芯片，采用环烯烃共聚物(zeonor1420r)作为基片和盖片，聚二甲基硅氧烷(pdms)作为沟道夹层，通过对太赫兹光谱的分析得到了去离子水、1,2-丙二醇等液体的透射谱；文献“武亚雄,苏波,文毅伟,等.太赫兹微流控芯片[j].太赫兹科学与电子信息学报,2019,17(5):5”中，武亚雄等设计了一款pmma-zeonor-pdms式太赫兹微流控芯片，用去离子水对该芯片进行了初步测试，证明了该太赫兹微流控芯片的可行性；文献“叶萍,杨逸舟,苏波.微流控芯片与光电导天线集成的太赫兹探测装置”中，叶萍等设计了一种微流控芯片与光电导天线集成的太赫兹探测装置，制作简单，高度集成化体型小巧。这些微流控技术都是用于太赫兹远场探测时域光谱技术，然而，目前超材料太赫兹生物传感器对溶液样品的探测为远场探测，即太赫兹波从太赫兹源发射需要经历一段自由空间才到达待测样品，同时，经过待测样品的太赫兹波也需要经历一段光路后才到达光电导探测天线，这个过程中由于空气中水蒸气吸收等影响，信噪比降低，导致灵敏度降低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有太赫兹生物传感器存在的信噪比低、灵敏度低的问题，提供一种集成微流控芯片的太赫兹生物传感系统；本发明通过一体化设计，采用coc板与集成化太赫兹生物传感器在支撑主体中形成微流腔，使得太赫兹波通过微流腔后直接到达光电导探测天线，避免了太赫兹波在自由空间光路中的衰减，即具有结构紧凑、信噪比高、灵敏度高的优点。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于微流控技术的太赫兹生物传感系统，包括：支撑主体3、coc(环烯烃共聚物)板2、集成化太赫兹生物传感器4以及光电导探测天线1；其特征在于，

4、所述支撑主体3由一对垂直支撑体3-1及其之间悬空设置的水平支撑体3-2固定连接构成；所述水平支撑体3-2的上表面中心位置沿垂直方向开设矩形窗口3-3，所述coc板2沿水平支撑体的上表面卡和于矩形窗口中，所述集成化太赫兹生物传感器4沿水平支撑体的下表面卡和于矩形窗口中，且coc板与集成化太赫兹生物传感器之间预留间隙、于矩形窗口中形成微流腔3-4；所述水平支撑体的侧面上对应微流腔3-4设置一对待测液进出口3-5，所述水平支撑体3-2的上表面还设置有一组下螺纹孔3-6、用于安装光电导探测天线1；所述垂直支撑体3-1中均内嵌设置铁磁体3-7，共同为集成化太赫兹生物传感器提供外置磁场；

5、所述集成化太赫兹生物传感器4由从下往上依次层叠设置的自旋电子学太赫兹源4-1、衬底4-2与超材料结构4-3构成，所述衬底4-2的上表面均分为功能区与非功能区，所述超材料结构4-3位于功能区；

6、所述光电导探测天线1加工于pcb板1-2上，所述pcb板1-2上开设有两组螺纹孔1-1，pcb板1-2通过任意一组上螺纹孔安装于支撑主体中水平支撑体3-2的上表面时、使得光电导探测天线1位于集成化太赫兹生物传感器中功能区的正上方，pcb板1-2通过另一组上螺纹孔安装于支撑主体中水平支撑体3-2的上表面时、使得光电导探测天线1位于集成化太赫兹生物传感器中非功能区的正上方。

7、进一步的，所述微流腔3-4为微米量级(coc板与集成化太赫兹生物传感器之间预留间隙的距离)。

8、进一步的，所述基于上述太赫兹生物传感系统的传感方法，包括以下步骤：

9、步骤1.调节光电导探测天线1的安装位置，使其位于集成化太赫兹生物传感器中非功能区的正上方；微流腔3-4中保持为空气，集成化太赫兹生物传感器开始工作，此时，光电导探测天线1探测得到太赫兹信号f1，作为参考信号；

10、步骤2.调节光电导探测天线1的安装位置，使其位于集成化太赫兹生物传感器中功能区的正上方；微流腔3-4中保持为空气，集成化太赫兹生物传感器开始工作，此时，光电导探测天线1探测得到太赫兹信号f2；

11、步骤3.通过进液口向微流腔3-4中注入待测液样品，集成化太赫兹生物传感器开始工作，此时，光电导探测天线1探测得到太赫兹信号f3；

12、步骤4.基于太赫兹信号f1与太赫兹信号f2计算得到透过率谱α＝f2/f1，基于太赫兹信号f1与太赫兹信号f3计算得到透过率谱β＝f3/f1，基于透过率谱α与透过率谱β得到待测液样品的折射率，最后通过查找预制的折射率与类别的对应关系，得到待测液的类别。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

14、本发明提供一种基于微流控技术的太赫兹生物传感系统，通过一体化设计，采用coc板与集成化太赫兹生物传感器在支撑主体中形成微流腔，并且于coc板上直接安装光电导探测天线，使得太赫兹波通过微流腔后直接到达光电导探测天线，避免了太赫兹波在自由空间光路中的衰减，即具有结构紧凑、信噪比高、灵敏度高的优点；进一步的，本发明通过集成化太赫兹生物传感器的功能区(超材料结构)与非功能区的划分，匹配光电导探测天线的可移动设计，可以灵活切换功能，当使用功能区和非功能区时，可用于待测液样品的传感测试，当只使用非功能区时，可用于待测液样品的太赫兹透过率谱测试。综上，本发明具有结构紧凑、使用灵活、信噪比高、灵敏度高的优点。

技术特征：

1.一种基于微流控技术的太赫兹生物传感系统，包括：支撑主体(3)、coc板(2)、集成化太赫兹生物传感器(4)以及光电导探测天线(1)；其特征在于，

2.按权利要求1所述基于微流控技术的太赫兹生物传感系统，其特征在于，所述微流腔(3-4)为微米量级。

3.按权利要求1所述基于微流控技术的太赫兹生物传感系统的传感方法，包括以下步骤：

技术总结
本发明属于生物传感器技术领域，具体提供一种基于微流控技术的太赫兹生物传感系统，用以解决现有太赫兹生物传感器存在的信噪比低、灵敏度低的问题；本发明通过一体化设计，采用COC板与集成化太赫兹生物传感器在支撑主体中形成微流腔，并且于COC板上直接安装光电导探测天线，使得太赫兹波通过微流腔后直接到达光电导探测天线，避免了太赫兹波在自由空间光路中的衰减；进一步的，通过传感器的功能区与非功能区的划分，匹配光电导探测天线的可移动设计，能够灵活切换功能，实现待测液样品的传感测试及太赫兹透过率谱测试。综上，本发明提供的集成微流控芯片的太赫兹生物传感系统具有结构紧凑、使用灵活、信噪比高、灵敏度高的优点。

技术研发人员：周俊,吴书婷,兰峰,黄林,龚森,张雅鑫,杨梓强
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12