超材料在生物传感器中的应用

超材料在生物传感器中的应用

超材料生物传感器的应用超材料是一种周期性排列的人工磁性材料。特殊设计的结构显示了普通材料不具备的特性，如负折射、突破衍射极限成像和附件。这些奇怪的性能主要取决于超材料分子的几何形状，而不是组合物。此外,超材料还表现出对电磁场的局域性增强以及对周围环境介电性质等敏感特性,可以用来检测少量的分析物。太赫兹波(Terahertz,THz)指频率为0.1~10THz的电磁波,具有能量低、带宽宽、穿透性强等特性,在通信、安检、生物医学等方面具有重要的应用前途。特别是在生物传感器方面,这是因为THz波的低光子能量特性能激发出生物分子的集体振荡模式,增强生物探测分子的灵敏性。生物传感器是将生物活性物质作为识别元件与理化换能器有机结合而形成的一种检测装置。经过60多年的发展,人们发展出基于各种原理,各种结构的生物传感器,主要分为三类:根据是否要对分析物进行修饰或者前处理,分为(1)标记传感器(2)无标记传感器;根据敏感元件识别分析物的方式,分为(1)生物亲和性传感器(2)代谢性或者催化性传感器;根据转化信号的种类分为(1)电传感器(2)光传感器(3)热传感器。对于标记生物传感器,标记过程比较复杂,耗时长,而且可能会改变分析物原有的性质;生物亲和性传感器为固定生物组件与待测定之分析物发生亲和性结合时,造成生物分子引起诸如电荷、厚度、光学等物理量的变化。光传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、噪声低等特点,被认为很有发展前景的生物传感。超材料生物传感器是将外界折射率的变化转变为光信号的变化,属于生物亲和性,无标记光学传感器。超材料生物传感器作为一种新型的检测手段,能够突破传统传感器分辨率极限,实行无标记检测,有以下优点:(1)样品用量少、灵敏度高;(2)无需加入其他试剂,无标记检测;(3)响应快,测量简单等。该传感器的研究主要集中在微波、太赫兹、光波段等,特别是太赫兹波段生物传感器的研究更引起人们的关注。本文阐述了超材料生物传感器的基本原理,接着综述太赫兹波段超材料的生物传感器的研究进展,初步探讨了该技术发展趋势与前景。1超材料结构的测量仿真生物传感器在许多领域是必不可少的重要工具,如疾病诊断,环境监测,食品安全等。一般情况下,表征生物传感器的性能指标主要有灵敏度、探测极限、稳定性、响应时间等参数。为了提高生物传感器的灵敏度,必须增强电磁波与样品相互作用,利用超材料是一种比较有效的方法。超材料结构共振分为低频共振和高频共振,低频共振可以理解为电容和电感的耦合,共振频率表示从式(1)得出,共振频率主要有电感、电容C决定的。其中电感主要有超材料的几何参数决定的,如果是非磁性材料,只要超材料的几何结构参数确定,电感就基本不发生变化。而电容C与周围媒质的介电常数和电场有关系,将待测物质覆盖在超材料结构上,随着周围介电常数的增加,整体电容C将发生变化,引起共振频率的变化。对于电场的变化,通过设计特殊的超材料结构就可以实现高品质因子共振和强局域场分布,从而可以提高传感器灵敏度。超材料的高频共振,理解为等离子体共振,其共振频率表示为式中,d主要由超材料的几何参数决定,εeff为环境的平均介电常数。当生物分子连接到超材料结构上引起周围介电常数的变化,从而共振频率发生变化。超材料一般由制作在半导体衬底或者电介质上的亚波长金属结构组成。衬底也会引起超材料的共振偏移,这是因为超材料与衬底发生相互作用,衬底与超材料之间也有电容。根据Harar等的建议,整体电容为式中,c1为衬底电容,c2为衬底与超材料之间电容,c3为超材料结构本身电容,c4为超材料结构与所测生物样品之间的电容。如果超材料结构制作在高阻、高介电常数厚度比较大的硅衬底上边,c1对整体电容的贡献特别大,超材料本身的电容变化相对就特别小,灵敏度相应的就很低。因此减小衬底的相对贡献,如采用低介电常数、吸收小、厚度较薄的衬底,可以提高传感器的灵敏度。采用特殊超材料结构、低介电常数和损耗低的薄衬底可以提高超材料的探测灵敏度,从而有利于探测物质微小变化和减少样品用量。衬底材料可以是刚性的,也可以是柔性的。这里主要从衬底,超材料结构等分类介绍了近年来太赫兹超材料在生物传感器应用方面取得的研究进展。2泰兆波超出材料在生物传感器中的应用研究2.1srr超材料生物分子的选择性O’Hara等研究了基于0.64mm厚硅衬底双SRR环太赫兹生物传感器,如图1所示。本工作研究的超材料仍为SRR环,衬底为0.5mm厚的硅和0.8mm厚的石英。生物传感器先用硫醇(ODT)分子功能化,活化后的表面再用生物素分子(CAS)进行处理,最后连接上链霉亲和素。从太赫兹传输曲线可知,对于硅衬底,如果连接上链霉亲和素,硅衬底的样品,低频偏移0.75GHZ,高频偏移2.77GHz。石英衬底的样品,低频偏移1.58GHZ,高频偏移6.76THz。从实验结果知,SRR超材料在THz频段的两个共振都可用于生物分子特异性结合的检测,高频共振比低频共振更加灵敏,并且通过用石英(折射率约2.0)衬底取代硅片(折射率约3.4)进一步提高灵敏度。目前6.76GHz是在THz频段利用超材料检测生物单分子层所得到的最大红移量。从前面的研究知,利用不同的衬底传感器的灵敏度并不一样,下面具体介绍基于几种特殊衬底的太赫兹波段超材料生物传感器。2.2太兹时域测量系统为进一步提高传感器的灵敏度,Hu等研究了基于超薄氮化硅衬底SRR环在生物传感器方面应用。实验选用400nm厚的SiNx衬底和500μm厚的硅衬底。生物分子薄膜(丝素蛋白silkfibroin)采用旋涂的办法滴加,厚度分别为500nm,750nm,1.50μm。图4为SiNx-SRRs和Si-SRRs分别在无丝素蛋白膜和有丝素蛋白膜情况下测量太赫兹时域传输谱。在Si-SRRS结构旋涂1.50μm厚丝素蛋白膜,共振频率最大偏移量为10GHz。同样厚的丝素蛋白膜,SiNx-SRRs结构,共振频率最大偏移量为116GHz。,Δf为频率偏移量,t为薄膜厚度。计算SiNx-SRR的灵敏度为4.05×10-2GHZ·nm-1,Si-SRRS灵敏度为0.35×10-2GHZ·nm-1。从研究结果可知,超薄SiNx衬底传感器的灵敏度为硅衬底的10倍左右。这两种衬底相对介电常数分别为11和7,并且硅衬底厚度远远大于氮化硅,因此硅衬底电容占整个电容比例大一些,导致灵敏度降低。虽然超薄SiNx衬底生物传感器的灵敏度明显高于硅衬底,但是对于10nm厚丝素蛋白膜,两种衬底共振频率偏移量分别为0.77与0.067GHz,对于现有太赫兹时域光谱系统无法进行辨别,吴晓君等提出一种用差分透射谱方法作为超材料检测自组装单分子层的分析方法。利用超薄、介电常数低的SiNx衬底能够提高生物传感器的灵敏度,为超材料传感器提供了一种办法。2.3太赫时域光谱检测为了更接近实际应用,Hu等研究了基于纸衬底太赫兹波段超材料传感器,可进行不同浓度的葡萄糖定量分析。制作太赫兹超材料结构示意图如图5所示,葡萄糖溶液浓度为3~30mmol·L-1。实验中,利用100μL的葡萄糖溶液沉积在SRR环谐振器上。图6测量了浓度从3mmol·L-1(54mg·dL-1,被认为是低血糖值(低血糖症))到30mmol·L-1(540mg·dL-1,被认为是严重高血糖)的太赫兹时域光谱。随着葡萄糖浓度变高,引起的共振偏移量增强,最大偏移量为300GHz。对于浓度为7mmolL-1的葡萄糖溶液,灵敏度为14.3GHz·(mmol·L-1)-1,浓度为30mmol·L-1灵敏度为10GHz·(mmol·L-1)-1。如果太赫兹时域系统频率分辨率为5GHz,则能够检测葡萄糖的最低浓度为0.35mmolL-1,能够满足商业血糖仪的需求。因此,基于纸衬底的柔性超材料具有灵敏度高,透明性,轻便性等特点,更有实际的应用价值。但是尚有不足之处,一是超材料结构基本都是典型的SRR环,通过设计特殊的超材料结构可以进一步提高传感器的灵敏度和探测极限。二是旋涂生物膜时候,没有考虑到膜厚度影响,有可能偏移量并不随着膜厚的增加而增加。BenjaminReinhard等对这方面进行了研究。2.4太赫传感器测试图7为设计的超材料结构示意图,每个十字架的倾斜角为22.5°,该超材料结构的衬底为10微米厚的聚合物苯并环丁烯(benzocyclobutene,BCB),BCB(相对介电常数为2.67)被认为是一种色散较小、损耗较低的材料。该结构的反射谱线半高全宽相对于共振频率约为1/26,为比较窄的曲线,这主要是因为相邻的倾斜十字金属架为反相位电流分布,产生一个窄带“trappedmode”。为了验证传感器的性能,测量了不同厚度样品(折射率为3.4)的太赫兹反射曲线,在分辨率为5GHz条件下,能够探测厚度极限为12.5nm,对应于太赫兹波长的1/16000倍(λ≈200μm)。进一步数值分析研究了传感器的共振频率与旋涂层厚度的关系,如图8所示。当厚度增加到10μm时,频率的偏移达到饱和状态。这是因为超材料结构周围的电场为近场,超过一定厚度时电场就已经很弱,因此共振频率基本不发生变化。以上太赫兹超材料生物传感器的研究,共振频率的偏移基本是单频率的研究。对物质的识别需要电磁超材料和探测物的多个特征频率相匹配,因此具有多个共振的电磁超材料受到人们的重视。为了使传感器器件小型化以及提高传感器的准确度,Ma等研究了SRR环分形结构在生物传感器方面的应用。2.5超材料结构对srr分形结构的影响图9(a)为传统的SRR环超材料结构,(b)和(c)为二级,三级SRR环分形正方形地毯结构。图10为相应的太赫兹传输曲线,SRR环结构共振频率为0.297THz,二级SRR环分形结构在0.1~0.6THz之间为两个共振,三级SRR环分形结构也为两个共振。对于二级和三级SRR环分型结构,如果超材料结构上边旋涂不同厚度的介电层,介电常数为3.0,介电损耗为0.02.从图11看出,对于无衬底的二级SRR分形结构,当旋涂层的厚度为30μm的时候,对于第一个共振,频率偏移量为52GHz,第二个共振,频率偏移量为134GHz。如果该超材料结构光刻在130μm厚的石英衬底上边,发现频率偏移量明显减小。这也进一步说明了利用超薄,介电常数较小,吸收底的衬底是提高超材料生物传感的一种办法。当然,通过设计特殊的超材料结构,也是提高太赫兹超材料生物传感器的灵敏度一种办法。3未来研究方向最近几年,太赫兹超材料在生物传感器的应用取得了一定的研究进展,通过特异性结合,可以说实现了单分子的探测;超薄氮化硅衬底,灵敏度达到4.05×10-2GHz·nm-1;商用纸衬底,检测葡萄糖的最低浓度为0.35mmol·L-1,能够满足商业的需求;BCB衬底,进一步优化超材料结构,可以探测最薄膜厚为12.5nm,厚度大约超过10μm就基本达到饱和;最后又探讨了多个共振的太赫兹波段分形超材料生物传感器。这些结果为生物传感器技术发展提供了一种新的机遇。但是真正走向实际应用还需要进一步的研究,笔者认为未来大致分为以下几个研究方向:(1)许多DNA和蛋白质分子等生物大分子在太赫兹波段有集体振荡模式,但是真正把超材料与生物分子的特性进行结合,这方面的研究很少。如果把这两方面进行结合,传感器的灵敏度会进一步增强,也体现了太赫兹波生物传感器相对于其他波段的优势。为了增大生物传感器的探测极限,提高太赫兹时域光谱的分辨率也是一种有效的办法。(2)通过设计特殊超材料结构以及使用超薄,介电常数小的衬底,如氮化硅,商用纸等衬底,传感器的灵敏度会大大提高。但是检测溶液浓度的变化,很难达到纳摩尔量级的检测,因此为了实际需求,灵敏度和准确度还需要进一步的提高。目前设计的超材料结构基本都是平面结构,如果能把超材料结构加工出三维立体结构,再利用分子特异性结合等技术,这有可能更能满足实际需求。(3)目前太赫兹超材料传感器大部分是基于太赫兹的传输或者反射谱线,利用谐振的偏移研究传感器的特性。如果把太赫兹测幅度、相位的变化与超材料的特性结合起来,这也是研究超材料传感器一种有效办法。(4)通过特异性结合,将超材料和太赫兹光谱结合可以实现对单分子的检测,但是大部分结果是在非水溶液中进行测量,而实际上每个生物细胞均是由这些重要的生物分子及水所构成。为了实际需求,必须研究工作在液体环境中的超材料传感器。(5)为了提高传感器的准确度,对物质的识别需要超材料和探测物的多个特征频率相匹配,因此具有多共振的电磁超材料研究也会越来越受到人们的重视。因