1 引言

生物传感器在环境监测、疾病诊断、食品安全和生物研究等方面具有重要的应用价值^[1-2]。目前,识别、检测生物目标物的常规方法是基于标记传感器的标记测定法,包括荧光标记、放射性核素标记、酶标记等,这些标记测定法已被广泛应用于基因、蛋白质等的定量测定方面^[3-4]。然而,采用标记测定法识别生物样品前,需要对样品进行修饰或其他前处理,这些前处理不仅过程复杂、耗时长,而且还可能会影响样品的原有性质,从而限制了其应用范围和检测精度。针对以上问题,研究人员逐步将研究重点转移到开发高度敏感的免标记生物传感器上。

超材料(MM)^[5-7]具有自然材料所不具备的超常物理性质,能够以一定的方式操控电磁波,实现对入射电磁场的局域增强。基于超材料的生物传感器作为一种新的检测手段,能够突破传统生物传感器的分辨率极限,实现对生物分子的高灵敏度、无标记快速检测,在生物检测方面表现出巨大的发展潜力^[8-10]。超材料吸波器作为基于超材料的一种生物传感器,通常可通过将待测物质与超材料吸波器的表层金属谐振单元阵列相接触并监测超材料吸波器吸收频率的偏移来实现对待测生物样品的传感检测^[11-15]。

常见的太赫兹超材料吸收体传感器都是基于平面内的开口谐振环(SRR)结构^[16-19],入射电磁场会在SRR阵列中产生强烈谐振,从而实现对谐振电磁场的局域增强,当待测生物分析物与SRR阵列相接触时,可实现对生物分子折射率等介电参数的解析。然而,从谐振频率处的电磁场分布可以看到,对于平面SRR结构,一部分谐振模场被局域在谐振单元的开口处,而另一部分谐振模场被局域在介质层内部,因此限制了入射电磁场与被测物的相互作用。随着微加工工艺的发展,利用基于三维谐振结构的超材料吸波器可以实现对入射电磁波的完美吸收。基于三维谐振结构的超材料吸收体传感器可以将入射电磁场扩展到三维空间,从而增大与待测生物分析物相互接触的面积,因此其感测范围和灵敏度相较于平面超材料吸收体传感器会有大幅增大^[20-22]。此外,得益于待测生物分子与电磁场的空间重叠,将待测生物分子置于介质层中时将会极大地促进谐振场与待测生物分子之间的相互作用,进一步改善传感器的传感性能。

对于液相分析物的传感,考虑到微流体已在化学反应、单细胞分析等微观领域被广泛使用的事实,将微流体技术与基于三维SRR阵列的超材料吸波器相结合实现液相生物分子的传感将会是一种非常有前途的方法。超材料和微流体的集成在待测物质和电磁谐振之间架起了一座桥梁,不仅可以实现对液相分析物的传感检测,而且还可以有效地增大超材料传感器的传感范围和灵敏度^[23-26]。

为了实现对液相分析物的高灵敏度、无标记快速检测,本文基于三维SRR阵列和微流通道,设计实现了一款太赫兹超材料吸收体传感器。微流通道位于顶层的覆盖介质层和底层的连续金属板之间,三维金属SRR阵列位于微流通道中,因此注入到微流通道中的液体在作为待测分析物的同时还可以充当超材料吸波器的中间介电层。为了研究该超材料吸波器在太赫兹频段作为传感器对液相分析物进行传感检测的可能性与灵敏度,将具有不同折射率的待测分析物分别注入微流通道中,并对其对应的谐振频率、折射率频率灵敏度、品质因数和FOM(figure of merit,其值用F_OM表示)等进行了一系列的仿真计算。深入分析了谐振频率所对应的电磁场分布,揭示了基于三维SRR阵列和微流通道的太赫兹超材料吸收体传感器灵敏度高的原因。仿真研究了微流通道的高度和顶层覆盖介电层的厚度对太赫兹超材料吸收体传感器的折射率灵敏度的影响。依据仿真结果,选择合适的微流通道与覆盖介质层厚度可以提高传感器的灵敏度。综上所述,基于三维SRR阵列和微流通道的太赫兹超材料吸收体传感器具有大品质因数和高折射率灵敏度,可应用于对液相生物分析物的高灵敏度、无标记快速检测,在未来的生物医学传感中具有广阔的应用前景。

2 结构设计与仿真

基于三维SRR阵列和微流通道的太赫兹超材料吸波器的结构示意图如图1所示,该超材料吸波器自下至上分别由支撑基底、连续金属底板、微流通道、金属谐振单元阵列和覆盖介质层构成。其中,三维金属SRR阵列位于微流通道中,而微流通道位于顶层的覆盖介质层和底层的连续金属板之间,因此,注入微流通道的液体在作为待测分析物的同时还充当了超材料吸波器的中间介电层。

采用基于有限元法的电磁仿真软件CST Microwave Studio 2015的频域求解器对超材料吸波器的结构进行仿真优化。在仿真过程中,平面波电场E沿着x轴方向,磁场H沿着y轴方向,波矢量k沿着z轴方向。另外,在xy平面上设置周期性的边界条件, z轴方向上设置开放性的边界条件,以此来模拟无限周期阵列。最顶层的覆盖介质层采用无损的柔性聚酰亚胺 (PI) 材料,设置其相对介电常数 εr=3.5,磁导率为1,电导率为 0;三维金属SRR阵列和底层的连续金属板的材料均选用常见的金属铜,并设置其电导率σ=5.8×10⁷ S/m,介电常数为 1,磁导率为 1;底层的支撑基底采用二氧化硅材料。

图 1. 基于三维SRR阵列和微流通道的太赫兹超材料(MM)吸波器的单元结构示意图

Fig. 1. Unit structural diagram of THz MM absorber based on three-dimensional SRR array and microfluidic channel

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图 2. 三维金属SRR的结构示意图和尺寸标识

Fig. 2. Structural diagram and size identification of three-dimensional metallic SRR

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基于三维SRR阵列和微流通道的太赫兹超材料吸波器的结构参数如图2所示:L₁=L₂=225 μm,L₃=12.5 μm,L₄=211.5 μm,W₁=7.5 μm,W₂=10 μm,H₁=30 μm,结构单元周期P=245 μm,微流通道的高度H_a=33.1 μm,顶层覆盖介质层的厚度H_t=0.1 μm,底层金属板的厚度H_m=0.2 μm。当微流通道内的分析物为折射率n=1的空气时,太赫兹波垂直入射所对应的吸收特性曲线如图3所示,此时该太赫兹超材料吸波器在f₀=0.79 THz处产生了一个吸收率为98.8 %的吸收峰。就谐振带宽而言,该太赫兹超材料吸波器的谐振峰半峰全宽 (FWHM,其值用W_FWHM表示)为15 GHz。通常,品质因数Q反映了传感器的谐振特性,即谐振峰越尖锐,其对应的Q值越大,则传感器的灵敏度越高。此外,Q值也决定了传感器的分辨率,Q值越大,传感器的分辨率也越高。传感器的品质因数可定义为Q(f₀)=f₀/W_FWHM(其中f₀为谐振峰的谐振频率)。对于该太赫兹超材料吸波器来说,谐振峰所对应的品质因数Q(f₀)=53,较高的品质因数说明了该太赫兹超材料吸波器具有很好的频率选择性。

图 3. 太赫兹超材料吸波器的吸收特性仿真曲线

Fig. 3. Simulated absorption characteristic curve of THz MM absorber

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3 太赫兹超材料吸收体传感器的传感特性分析

对于所设计的基于三维SRR阵列和微流通道的太赫兹超材料吸波器来说,将具有不同折射率的待测液相分析物注入到微流通道会引起三维金属SRR阵列周围环境介电参数的改变,进而改变超材料吸波器的谐振特性(谐振频率、吸收率、谐振锋FWHM等),因此,通过监测该超材料吸波器的谐振频率的偏移、吸收率的改变以及谐振峰FWHM的变化,可实现对待测液相分析物的传感检测。

为了研究该太赫兹超材料吸波器作为传感器在太赫兹频段对不同的待测生物分析物进行传感检测的品质因数和灵敏度,将具有不同折射率的待测液相分析物分别注入到微流通道内,并对其对应的吸收特性进行了一系列的仿真研究。在整个仿真过程中,微流通道的高度H_a固定为33.1 μm。由于许多生物分子的折射率都处在1.0~2.0范围内,因此,在整个仿真过程中将待测生物分析物的折射率范围设定为1.0~1.8。

图 4. 液相分析物折射率从n=1变化到n=1.8时的谐振频率偏移及线性拟合结果

Fig. 4. Resonance frequency shift when refractive index of liquid-phase analyte changes from n=1 to n=1.8 and linear fitting result

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当待测液相分析物的折射率从n=1增加到n=1.8,该太赫兹超材料吸波器的谐振频率发生红移。当分析物的折射率n=1时,超材料吸波器的谐振频率f₀=0.79 THz,而当分析物的折射率增大到n=1.8时,超材料吸波器的谐振峰向低频方向移动到f₀=0.47 THz,频率偏移量Δf₀达到0.32 THz。通常,传感器的折射率频率灵敏度定义为S(f)=df/dn,其中df表示传感器谐振频率的变化,dn表示待测分析物折射率的变化。由以上灵敏度的定义可知,为计算超材料传感器的折射率频率灵敏度,需要首先计算在微流通道注入不同折射率的待测液相分析物时的谐振频率相对于微流通道内的分析物为折射率n=1的空气时的偏移量,之后将谐振频率偏移量与对应的折射率进行线性拟合,所得拟合曲线的斜率即为对应的折射率频率灵敏度。如图4所示,当微流通道的高度H_a固定为33.1 μm,注入微流通道内的液相分析物的折射率以0.1为间隔从n=1变化到n=1.8时,该太赫兹超材料吸波器所对应的折射率频率灵敏度S(f₀)=379 GHz/RIU,其中RIU代表单位折射率。由此可见,所设计的基于三维SRR阵列和微流通道的太赫兹超材料吸波器可以作为折射率传感器实现对注入微流通道内的液相分析物的高灵敏度传感检测。

此外,对于该太赫兹超材料吸波器来说,当注入微流通道的待测液相分析物的折射率从n=1增加到n=1.8,不仅谐振频率会发生偏移,谐振峰所对应的FWHM也会发生变化,导致其对应的品质因数Q值在43~70的范围内波动。虽然待测分析物的折射率对超材料吸波器的品质因数Q有一定的影响,但是在分析物折射率变化的过程中,对应的品质因数Q始终保持着较高值,由此可见,所设计的太赫兹超材料吸波器作为折射率传感器始终具有优越的频率选择性。

为了对工作在不同频段的传感器性能进行更加合理的比较,通常采用FOM对传感器特性进行描述,当传感器的灵敏度相同时,FOM值越大,则传感器的性能越好。对于该太赫兹超材料吸波器来说,当注入微流通道的待测分析物的折射率从n=1增加到n=1.8,对应的FOM值在25~47的范围内变化,其原因主要是随着待测分析物折射率的逐渐增大,谐振峰所对应的FWHM在一定范围内产生波动,从而导致FOM值发生改变。总体来说,对于该太赫兹超材料吸波器来说,其FOM值始终保持着较高值,说明所设计的太赫兹超材料吸波器作为折射率传感器始终保持着优越的传感特性。

为了进一步研究所设计的基于三维SRR阵列和微流通道的太赫兹超材料吸收体传感器的传感机理,首先仿真研究了微流通道高度H_a=33.1 μm、顶层覆盖介质层厚度H_t=0.1 μm时,太赫兹超材料吸收体传感器在谐振频率f₀=0.79 THz处所对应的电磁场分布,如图5所示。其次,仿真研究了微流通道高度H_a=33.1 μm、顶层覆盖介质层厚度H_t=0.1 μm、待测液相分析物的折射率n=1.3时,太赫兹超材料吸收体传感器在谐振频率f₀=0.62 THz处对应的电磁场分布,如图6所示,其中图6(a)给出的是在y=0截面处的电场分布图,图6(b)给出的是在x=0截面处的磁场分布。如图5和图6所示,谐振频率处所对应的谐振电场和谐振磁场除少部分分布于顶层覆盖介质层内以外,几乎所有的谐振电磁场都集中在谐振结构单元表面和开口处以及微流通道内,即谐振单元表面和开口处以及微流通道内的谐振电磁场得到了集中和增强。

图 5. 谐振频率处的电场分布和磁场分布。(a)电场分布;(b)磁场分布

Fig. 5. Electric field distribution and magnetic field distribution at resonance frequency.(a) Electric field distribution; (b) magnetic field distribution

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图 6. 谐振频率处y=0截面的电场分布和谐振频率处x=0截面的磁场分布。 (a)谐振频率处y=0截面的电场分布;(b)谐振频率处x=0截面的磁场分布

Fig. 6. Electric field distribution of y=0 cross section at resonance frequency and magnetic field distribution of x=0 cross section at resonance frequency. (a) Electric field distribution of y=0 cross section at resonance frequency; (b) magnetic field distribution of x=0 cross section at resonance frequency

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SRR阵列可对入射电磁场产生强烈谐振,从而实现对谐振电磁场的局域增强,然而,从谐振频率处的电磁场分布可以看到,对于平面SRR结构来说,一部分谐振电磁场被局域在谐振单元的表面和开口处,而另一部分谐振电磁场被局域在介质层内部,这部分谐振电磁场无法与待测分析物充分接触,因此限制了谐振电磁场与被测物的相互作用,影响了基于平面SRR阵列的超材料传感器的传感特性。对于基于三维SRR阵列和微流通道的太赫兹超材料吸收体传感器来说,三维SRR阵列完全浸没于微流通道内,注入微流通道内的液体在作为待测分析物的同时还充当了超材料吸波器的中间介电层,因此无论是局域在谐振单元表面和开口处的谐振电磁场还是局域在介质层内部的谐振电磁场全部位于微流通道内。于是,对于基于三维SRR阵列和微流通道的太赫兹超材料吸收体传感器来说,谐振电磁场被扩展到三维空间,这增大了谐振电磁场与被测分析物之间的接触面积,从而实现了对谐振电磁场的强局域,降低了电磁能量的辐射损耗。当具有不同折射率的待测分析物被注入微流通道内并与谐振结构充分接触时,谐振结构周围环境的介电常数会发生变化,从而引起谐振频率的偏移,待测分析物与谐振电磁场的空间重叠将会极大地促进谐振电磁场与待测分析物之间的相互作用,改善传感器的传感性能,大幅增大传感器的感测范围和传感灵敏度。

为了探索微流通道的高度对太赫兹超材料吸收体传感器的折射率频率灵敏度的影响,在保持其他参数不变的前提下,分别仿真计算了微流通道的高度以0.2 μm为间隔从32.7 μm变化到33.5 μm时的折射率频率灵敏度变化。从图7可以看到,对于谐振频率f₀来说,随着微流通道的高度从32.7 μm增加到33.1 μm,传感器的折射率频率灵敏度逐渐增加;而当微流通道的高度从33.1 μm继续增加到33.5 μm时,传感器的折射率频率灵敏度逐渐减小。因此,该太赫兹超材料吸收体传感器的折射率频率灵敏度不会随着微流通道高度的增加而无限制地增大,当微流通道的高度在32.7~33.5 μm范围内变化时,在微流通道的高度为33.1 μm时,传感器的折射率频率灵敏度达到最大值,即379 GHz/RIU。

图 7. 微流通道的高度从32.7 μm增加到33.5 μm时传感器折射率频率灵敏度的变化

Fig. 7. Change of refractive index frequency sensitivity of sensor when height of microfluidic channel increases from 32.7 μm to 33.5 μm

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此外,如图6所示,尽管谐振电磁场在微流通道中得到了集中和增强,但仍然有一小部分谐振电磁场分布于顶部的覆盖介电层中,从而影响了太赫兹超材料吸收体传感器的感测灵敏度。在微流通道的高度H_a固定为33.1 μm且其他的结构参数均保持不变的情况,基于一系列数值仿真,研究了顶层覆盖介电层的厚度对该太赫兹超材料吸收体传感器的折射率频率灵敏度的影响。如图8所示,随着顶层覆盖介质层的厚度从0.10 μm增加到0.40 μm,传感器的折射率频率灵敏度从379 GHz/RIU减小到363 GHz/RIU。由此可见,为了提高所设计的太赫兹超材料吸收体传感器的折射率频率灵敏度,在工艺允许的前提下,应尽量减小覆盖介电层的厚度,以减小谐振电磁场在覆盖介质层中的损耗,增强谐振电磁场与被测液相分析物的作用。

图 8. 覆盖电介质厚度从0.10 μm增加到0.40 μm时的传感器折射率频率灵敏度的变化

Fig. 8. Change of refractive index frequency sensitivity when thickness of covering dielectric layer increases from 0.10 μm to 0.40 μm

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为了便于与其他传感器进行比较,将本文所设计的基于三维SRR阵列和微流通道的太赫兹超材料吸收体传感器与参考文献中涉及的太赫兹超材料传感器的谐振频率、折射率频率灵敏度、品质因数Q、FOM值等参数进行了比较,具体参数如表1所示。从表1可以看出,本文所设计的太赫兹超材料吸收体传感器相对于参考文献中所报道的超材料传感器具有诸多优点,如较高的折射率频率灵敏度、高品质因数Q、高FOM值等,这充分说明所设计的基于三维SRR阵列和微流通道的太赫兹超材料吸收体传感器在提高传感器的灵敏度和改善其传感特性方面具有一定的优势。

4 结论

基于超材料的生物传感器能够突破传统生物传感器的分辨率极限,实现对生物分子的高灵敏度、无标记快速检测,在生物检测方面表现出巨大的发展潜力。为了提高太赫兹超材料传感器的感测灵敏度,提出了基于三维SRR阵列和微流通道的太赫兹超材料吸收体传感器,并对其传感特性与传感机理进行了深入分析和研究。当微流通道的高度固定,而注入微流通道内的液相分析物的折射率从1变化到1.8时,该太赫兹超材料吸收体传感器的谐振频率所对应的折射率频率灵敏度为379 GHz/RIU,其可以作为折射率传感器实现对注入微流通道内的液相分析物的高灵敏度传感检测。此外,深入研究了微流通道的高度和覆盖介质层的厚度对该太赫兹超材料传感器的折射率频率灵敏度的影响,依据仿真结果选择合适的微流通道高度和覆盖介质层参数,可以提高传感器的灵敏度。基于三维SRR阵列和微流通道的太赫兹超材料吸收体传感器的谐振电磁场主要集中在微流通道内,而三维SRR结构完全浸没于微流通道内,因此,将谐振电磁场扩展到三维空间,可实现谐振电磁场与待测分析物的空间重叠,增大谐振电磁场与被测分析物之间的接触面积,大幅增大该传感器的感测范围和传感灵敏度。综上所述,基于三维SRR和微流通道的太赫兹超材料吸收体传感器具有更高的灵敏度,可用于无标记物快速分析物检测,这在未来的生物医学传感中非常有吸引力。