基于太赫兹超材料技术的生物医学传感器

Metamaterials are artificially made electromagnetic materials consisting of periodically arranged metallic elements which are less than wavelength of incident electromagnetic (EM) wave in size, and they can amplify the evanescent wave,exhibit a strong localization and enhancement of fields and realize sub-wavelength resolution, which may provide novel tools to significantly enhance the sensitivity and resolution of sensors, and open new degrees of freedom in sensing design aspect. In this project,on the basis of our previous study on Terahertz metamaterials and biomedical devices, we will develop cost-effective,label-free biomedical sensors with high sensitivity and resolution for the demand of life science，disease diagnosis and food examination.Special THz metamaterials suitalbe for the application of biomedical sensors are to be developed on GaAs or SiO2 substrates through optimizatin and modification of metamaterial unit cells, the resonance response of metamaterials, the relationship of unit cell structure with incident electromagnetic wave and biomaterials such as cancer cells,glucose and urea et al.,will be investigated in detail to realize new biomedical sensors with high sensitivity and selectivity.

超材料是由亚波长结构的金属元胞通过周期性排列构建的人工电磁材料，它可通过放大倏逝波（又称衰逝波)，增强局域电磁谐振，实现亚波长分辨，从而大大提高传感器的分辨率与灵敏度,为传感器的设计提供了新的研究思路。本项目将立足项目组前期在太赫兹超材料及生物医学仪器研究开发方面的经验积累，面向生命科学、疾病诊断、食品检测等领域的重大应用需求，研制低成本、免标记、高分辩率及高灵敏度的太赫兹生物医学传感器。通过优化改进超材料的元胞结构设计，在GaAs 或SiO2衬垫材料获得适合传感器应用的太赫兹超材料。着重研究超材料电磁谐振，超材料与太赫兹电磁波以及肿瘤细胞、萄萄糖、尿素等生物材料的相互作用机理，获得高灵敏度、高选择性的生物医学传感器。

生物传感器的研究和应用广泛，但目前一个通常的问题是检测浓度的灵敏性不够，而且数据分析方式简单。目标是设计一个灵敏度高，均一性好，价格低廉的生物传感器用于检测细胞。.在研究中我们首先设计了一个新型谐振式生物传感器，一个nested split-ring resonator (nSRR)，建立了模型和仿真，制备了SiO2基半导体衬底材料上谐振式微纳传感器，并且进行了生物实验，每次在2.6mm谐振腔内添加PDMS溶液的时候可以观察到一个频率的变化。接着在传感器修饰制备过程中，加入戊二醛、Anti-CEA一抗、10 ng/mL CEA 抗原溶液后分别进行扫频测试，观察传感器系统谐振时带宽的变化。发现在电极上修饰不同物质，所对应的带宽值变化显著。随着电极表面修饰的生物化学物质越多，带宽值变化越大。也就是说，传感器表面状态的细微变化就能引起传感器系统电容值的变化，使得谐振点的频率特性也随之改变。因此，该传感器能够灵敏地检测出不同的修饰状态，能够检测出传感器系统细微的变化，具有良好的灵敏度。 另外配制浓度梯度为1，10，100，1000ng/mL的CEA抗原溶液，与固定在电极上的Anti-CEA抗体进行特异性结合反应后传感器系统的响应与频率带宽呈线性关系。.我们设计和制备了第二种结合微流控的全对称3D电容式生物传感器，基于叉指电极结构，但有外环和内环，内圈对应于A电极，外圈对应于B电极。通常情况下，叉指电极传感器的外边缘电场不均匀。然而，基于完全对称的三维结构，边缘电场变得均匀。在传感器内部，细胞附着在任何位置，对电容的影响都是一样的。同时，由于3D电极有一定的厚度，两个电极的相对面积也增加了，因此可以获得较高的电容变化率，从而提高灵敏度。接着在电容式传感器上再覆盖微流控芯片。实验结果表明在PBS和MEF溶液中，裸电极和包被电极的响应差异明显。进一步的实验得到了电容、频率、驱动电压之间多重相关关系的三维图，显示了所测得的细胞电容变化量和细胞浓度对数的线性关系。未来，该生物传感器测试采集系统可用于细胞株的耐药敏感性检测、细胞分类和细胞生存状态评价。