基于纳流道棱镜波导的生物分子太赫兹特征波谱的研究

The strong absorption of water as well as the random vibration modes of biomolecules in solution hampered terahertz (THz) absorption signatures detection of dissolved biomolecules. The existing research shows some resonance absorption signatures of the dissolved biomolecules can be measured via dispersing biological solution into linear arrays of channels in hundreds of nanometers. However, this method adopted transmission detection, the optical path of THz beam through the sample is less than 1 μm, the measured signal to noise ratio (SNR) is very low. In order to retain the local enhancement effect of nanochannel structure on vibration modes of biomolecules, meanwhile increase the effective optical path of THz beam with samples, based on the principle of absorption bands enhancement by multiple attenuated total reflection (M-ATR), the array of nanochannels and the THz M-ATR shall be combined in this project to research on THz signatures detection of dissolved biomolecules based on nano-fluidic prism waveguide technique. Firstly，aimed at THz M-ATR, the theoretical relationships between the signal enhancement factor and the parameters of the nano-fluidic prism waveguide will be studied, the design method and fabrication process of the nano-fluidic prism waveguide are presented. Secondly, typical biological samples will be measured, methods for analyzing THz emission signals and for extracting characteristic spectra of biomolecules will be studied, then characterization of the high SNR signatures will be finally achieved.

水对太赫兹波的强吸收以及生物分子在溶液中振动模态的随机性，是探测溶液中生物分子太赫兹特征吸收信号的障碍。已有研究表明，将生物溶液注入百纳米级的流道阵列，可以测得溶液中生物分子的一些共振吸收特征信号。然而，该方法采用透射式探测，太赫兹波束与样本的作用光程不足1微米，测出的特征信号的信噪比很低。为了保留纳流道结构对生物分子振动模态的局域增强效应，同时增加太赫兹波与样品的有效作用光程，基于多次衰减全反射增强吸收谱带的原理，本项目拟将阵列式纳流道与太赫兹多重全反射相结合，开展基于纳流道棱镜波导技术的溶液中生物分子太赫兹特征波谱探测的研究。首先，针对太赫兹波段的多次衰减全反射，研究信号增强值与纳流道棱镜波导各参数的理论关系，并提出纳流道棱镜波导的设计方法与制作工艺路线。其次，探测典型生物样本，研究太赫兹出射信号的解析方法以及生物分子特征波谱的提取方法，最终实现特征波谱的高信噪比表征。

太赫兹波谱有望对生物分子做无标记、直接指认。对于固态生物分子，分子在晶格中的振动会对太赫兹波产生共振吸收，在波谱上形成具有分子特异性的特征吸收信号。然而由于水对太赫兹波的强吸收以及生物分子在溶液中振动模态的随机性，溶液中的生物分子往往不表现任何特征吸收。所以通过信号增强手段来检测溶液中生物分子的太赫兹特征信号，是太赫兹生物检测领域亟需突破的关键问题。.为了增强溶液中生物分子的太赫兹特征信号，本项目将微纳流道芯片和衰减全反射检测模式相结合。通过微纳流道来减少太赫兹波与溶液中水的相互作用，以突出生物分子的太赫兹信号；同时通过衰减全反射模式来增强生物分子特征信号的强度，以达到高灵敏探测。首先，我们开发了微纳流道棱镜波导，在器件设计和加工方面实现了太赫兹衰减全反射棱镜和微纳流道芯片的集成。其次，我们建立了倏逝波入射双层介质的物理模型和中间层介电的计算方法。进一步运用微纳流道棱镜波导，我们检测了有机溶剂如丙酮、乙醚，以及提纯生物大分子溶液如IDH1、BSA蛋白，成功了提取了上述液相样本的太赫兹介电特征。再次，我们开发出一种阵列式微流道芯片，在液相太赫兹检测中，该芯片能有效减少水的背景吸收。进一步运用该芯片，我们表征了藻毒素适配体的太赫兹特征特征吸收信号。最后，我们模拟和解析了生物分子在纳流道中的受限效应，对生物分子太赫兹波谱的影响。整个项目围绕微纳流道芯片和衰减全反射原理，研究了溶液中生物分子太赫兹特征信号的检测和增强技术；建立了生物分子溶液介电谱的提取方法以及溶液中生物分子特征波谱的解析方法。.本项目的研究成果可应用到活性生物分子的太赫兹表征中，将为生物分子的构象变化和生物分子间的相互作用提供太赫兹探测与解析手段。在项目执行的三年内，本项目发表论文9 篇，其中SCI 收录5 篇；申请专利2项，其中授权1项；培养硕士研究生3名。