引用本文
谢明真, 张阳, 府伟灵, 何津春. 基于太赫兹超材料的微流体折射率传感器[J]. 光谱学与光谱分析, 2021,41(4): 1039-1043.
XIE Ming-zhen, ZHANG Yang, FU Wei-ling, HE Jin-chun. Microfludic Refractive Index Sensor Based on Terahertz Metamaterials[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2021,41(4): 1039-1043.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1039-05  
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基于太赫兹超材料的微流体折射率传感器
谢明真1, 张阳2, 府伟灵2,*, 何津春1,3,*
1.兰州大学第一临床医学院, 甘肃 兰州 730000
2.陆军军医大学第一附属医院(西南医院), 陆军军医大学(第三军医大学), 重庆 400038
3.兰州大学第一医院, 甘肃 兰州 730000;
*通讯作者: e-mail: jinchunhe@163.com; fwl@tmmu.edu.cn

作者简介: 谢明真, 女, 1994年生, 兰州大学第一临床医学院硕士研究生 e-mail: xiemzh17@lzu.edu.cn

收稿日期: 2020-02-27 修订日期: 2020-06-04
基金: 国家重点国际合作研究项目(81920108024); 重庆市技术创新与应用开发项目(cstc2019jscx-msxmX0149); 甘肃省戒毒管理局横向委托课题(2014-02); 甘肃省功能基因组与分子诊断重点实验室开放课题(2016-001); 甘肃省中医药管理局科研课题(GZK-2017-50)资助
摘要

太赫兹生物医学是目前光谱研究领域的热点, 其主要难点在于如何有效避免水分的干扰, 进行液相环境下样本的灵敏分析与检测。 超材料太赫兹传感器由于具有高灵敏、 快速检测、 痕量分析等优势, 而成为太赫兹生物医学传感领域的重要研究方法。 设计加工了一种基于单开口谐振环超材料的太赫兹液相传感芯片, 为了有效克服水对太赫兹波的强烈吸收, 利用微纳加工技术刻蚀深度为50 μm的流体通道。 传感芯片整合了超材料基底与PDMS流道, 在THz频段有两个位于0.771和2.129 THz的谐振峰。 以水、 无水乙醇作为常见化学溶剂进行传感实验, 相对于空白传感器本身的THz时域谱而言, 液体的加入导致时域峰的相位延迟和幅度减小。 同时, 由于水的折射率大于乙醇, THz透射频谱结果显示为水的频移改变量大于乙醇, 且峰2大于等于峰1。 上述结果表明, 构建的超材料液相传感芯片是一个灵敏的折射率传感器, 也证明了该传感器在测量液态样品方面的可行性。 此外, 利用该芯片研究了不同浓度的PBS溶液, 发现水溶液中加入离子会导致谐振频率红移(以水为参考), 随着离子浓度增加, 谐振频率改变量依次增加, 10X PBS红移量最大, 峰1为22.9 GHz, 峰2为30.5 GHz。 比较两个谐振峰的传感性能, 峰2的传感能力更好, 但是峰1对低浓度的离子溶液更加敏感。 因此, 构建的微流体传感器及检测体系作为一个灵敏的折射率传感器, 可开发一个灵敏的无标记THz传感平台, 为太赫兹生物医学研究提供新思路。

关键词: 液相传感; 超材料; 微流体; 太赫兹时域光谱; 无标记分析
中图分类号:O433.4 文献标志码:A
Microfludic Refractive Index Sensor Based on Terahertz Metamaterials
XIE Ming-zhen1, ZHANG Yang2, FU Wei-ling2,*, HE Jin-chun1,3,*
1. The First Clinical Medical College of Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
2. Department of Laboratory Medicine, Southwest Hospital, Third Military Medical University (Army Medical University), Chongqing 400038, China
3. First Hosptial of Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
*Corresponding authors
Abstract

Terahertz biomedicine is a hot spot in the field of spectroscopy. The main difficulty lies in how to effectively avoid the interference of moisture and perform sensitive analysis and detection of samples in the liquid environment. Metamaterials terahertz sensors have become an important research method in the field of terahertz biomedical sensing due to their advantages such as high sensitivity, fast detection, and trace analysis. A terahertz liquid-phase sensor chip based on a single-open resonance ring metamaterial was designed and developed. In order to effectively solve the strong absorption of terahertz waves by water, a microfluidic channel with a depth of 50 μm was etched by photolithography. The sensor chip integrates a metamaterial substrate and a PDMS flow channel. In the THz frequency band, there are two resonance peaks located at 0.771 and 2.129 THz. Compared with the THz time-domain spectrum of the blank sensor itself, the addition of liquid caused the phase delay and amplitude of the time-domain peak to decrease. At the same time, because the refractive index of water is greater than that of ethanol, the results of the THz transmission spectrum show that the frequency shift of water is greater than ethanol and peak 2 lagers than peak 1. The above results show that the constructed metamaterial liquid-phase sensing chip is a sensitive refractive index sensor, and it also proves the feasibility of the sensor in measuring liquid samples. In addition, using this chip to study PBS solutions of different concentrations, it was found that the addition of ions in the aqueous solution will cause the red shift of the resonance frequency (using water as a reference). As the ion concentration increases, the amount of change in the resonance frequency will increase in turn, with the largest red shift of 10× PBS, Peak 1 is 22.9 GHz, and peak 2 is 30.5 GHz. Comparing the sensing performance of the two resonance peaks, peak 2 has better sensing capabilities, but Peak 1 is more sensitive to low-concentration ion solutions. Therefore, as a sensitive refractive index sensor, the constructed microfluidic sensor and detection system can develop a sensitive label-free THz sensing platform to provide new ideas for terahertz biomedical research.

Keyword: Liquid-phase sensing; Metamaterials; Microfluidics; Terahertz time-domain spectroscopy; Label-free analysis
引言

近来年, 光谱技术被认为是生物分子传感领域最重要的方法之一, 利用光谱实现快速、 无标记、 灵敏的生物大分子检测已经被广泛研究。 太赫兹(Terahertz, THz)光谱在生物医学传感领域的独特优势, 吸引了许多研究者的目光[1]。 超材料太赫兹生物传感器通过将分析物介电常数的变化转变为光信号, 是一种灵敏的无标记光学传感器。 超材料太赫兹传感器作为生物医学领域的一种新型检测方法, 它有很多独特优点, 如(1)高灵敏度; (2)微量分析物; (3)快速响应, 快速检测; (4)操作流程简易。 近年来微纳加工工艺的发展成熟, 使得制作超材料太赫兹传感器的成本更易于被接受。 同时, 超材料太赫兹传感器由于其优越的性能成为太赫兹领域的研究热点, 目前已用于大分子化合物定量[2, 3, 4], 细胞活力评估[5], 病毒识别[6]等。 由于水在THz域段强的吸收, 上述研究均使用沉积法间接测量, 但是大部分生物样品只有在液体环境中才能保持生物活性, 因此该方法不能准确表征生物样品的信息。 微流体芯片由于低成本、 限制了检测样本的体积、 快速检测等优势可被应用于太赫兹领域, 以克服水的吸收[7]。 目前, 在THz波段, 已经有利用微流体芯片传感高吸收溶液的研究[8, 9], 但由于缺少提高灵敏度的措施, 其灵敏度仍受到限制。

本文提出了一种基于单开口谐振环(single-open resonance rings, SRRs)超材料的THz生物微流体传感器(microfluidic metamaterials sensor, MMS), 利用光刻工艺制作了与微流道结合的太赫兹超材料传感芯片, 对其谐振及传输特性进行了实验研究。

1 实验部分
1.1 太赫兹超材料流体芯片

1.1.1 超材料器件

超材料器件的微金属层包含10 nm的钛层和120 nm的金层。 薄钛层的存在能防止表面金的脱落, 保证图案的完整性; 金在酸碱环境下较稳定, 易于保存使用。 器件的微结构为SRRs, 制作流程为①制光刻版; ②清洗硅片; ③涂胶, 前烘; ④曝光: 在均匀涂胶的表面进行接触式定时曝光, 曝光完成后再后烘。 ⑤显影; ⑥镀膜: 磁控溅射镀金属膜(包括钛和金); ⑦去胶: 丙酮去除光刻胶, 去离子水冲洗即可获得SRRs结构; ⑧划片: 切割成1.5 cm× 1.5 cm备用。

1.1.2 PDMS流道设计

流道材料选取易与硅键合、 易加工、 且低成本的二甲基硅氧烷聚合物(polydimethylsiloxane, PDMS)。 为了减少穿过大量水时太赫兹波的衰减, 在长、 宽均为1.5 cm厚度为1 mm的PDMS盖膜上光刻出高度为50 μ m的微流道。 为了保证检测光束完全穿过样本, 流道的长宽分别为7.2 mm× 7.2 mm, 以匹配5.5 mm× 5.5 mm的检测光束大小。

1.1.3 超材料器件与PDMS流道键合

超材料和PDMS通过氧等离子体改性后, 将二者对准键合。 在PDMS表面打孔, 孔直径1 mm, 插入外径1 mm, 内径0.6 mm的钢管, 外接软管, 结合流道的超材料芯片制作完成。

1.2 装置

实验使用商用标准透射式太赫兹时域光谱(Terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)系统, 其稳定的频谱范围为0.5~2.3 THz, 分辨率为7.6 GHz。 待测样品置于充满氮气的环境中, 经过探测系统的检测后得到太赫兹时域谱信号, 通过傅里叶红外变换得到相位振幅频谱和透射频谱。 对时域谱的结果进行反射截峰, Savitzkey-Golay平滑和传输图谱归一化, 将透过率最低的点对应的频率视为谐振频率。 在本研究中, 以仅样本托盘存在时的透过率为参考, 样本的透过率通过实际测得的透过率比上参考值计算得到, 即Transmission=Tsample/Treference。

1.3 方法

将空白MMS固定于太赫兹固体样本池上, THz-TDs测量; 在MMS中加入3 μ L待测样本(保证液体充满整个样本池), 每个样本重复测量三次, 每次测量计算1 024次, 测量完成后, MMS用超纯水清洗3次后, 氮气吹干。

2 结果与讨论
2.1 MMS结构及表征

超材料单元结构如图1(a)所示, 其中, 硅基底的厚度h=525 μ m, 金属环最外的边长L=26 μ m, 开口宽度g=2 μ m, 宽度为6 μ m, 相邻结构单元的间距为7 μ m。 经过标准的光刻, 加工的SRRs的扫描电镜结果见图1(b)。 如图所示, 加工的SRRs结构完整, 且各金属环边缘清晰、 大小相同。

图1 超材料结构
(a): SRR结构示意图; (b): SRRs扫描电镜图Fig.1 Structure of metamaterials
(a): SRR; (b): The scanning electron microscope characterization of SRRs

超材料器件与PDMS键合打孔后的MMS结构如图2所示。

图2 MMS设计示意图(非比例)
(a): 俯视图; (b): 侧视图Fig.2 Schematic of designed MMS (not to scale)
(a): Top view; (b): Side view

干燥氮气作参考, 空白MMS为样品, 在THz-TDS系统中测量了MMS的透射谱, 结果如图3所示。 空白的MMS在THz域段内有两个谐振峰, 分别为位于0.771 THz的峰1和位于2.129 THz的峰2。 谐振峰的出现是由于电感电容(LC)谐振; 当太赫兹波平行于SRRs间隙垂直入射到样品上时, 入射的THz波产生的感应电荷在间隙处不断聚集形成电场, 而电荷的移动则产生环形电流, 电容和电感的共同作用产生LC谐振。

图3 MMS的THz测量图Fig.3 Measured terahertz transmission spectrum of MMS

2.2 水和无水乙醇的THz光谱

以常见的液体样品水和无水乙醇作为代表进行了THz光谱的测量, 样本的时域、 频域谱图如图4和图5所示。 其中, 黑色曲线为空白MMS的信号, 红色和蓝色曲线分别是探测水和无水乙醇的信号。 从图4可以看出, 空白的MMS在19~26 ps范围内有一个明显的时域峰(峰1), 同时在28~33 ps范围内有两个明显的峰(峰2), 且峰1的幅度大于峰2。 当加入水后, 信号峰1和峰2的峰势变平缓且相位后延, 峰2的表现更明显。 加入无水乙醇后信号峰的改变趋势与加入水时相同, 但水信号的相位延迟和幅度减小程度均大于乙醇, 这是由于在THz域段水的吸收大于无水乙醇[10]。

图4 空气、 水、 乙醇的峰1(a)和峰2(b)时域信号图Fig.4 Terahertz time-domain spectrum of peak 1 (a) and peak 2 (b) for air, water and ethanol

图5 空气、 水、 乙醇的峰 1(a)和峰2(b)频域信号图Fig.5 Terahertz transmission spectrum of peak 1 (a) and peak 2 (b) for air, water and ethanol

频域图(图5)表明, 加入水和乙醇, 导致谐振峰峰1和峰2均发生红移, 谐振峰的透过率范围明显减低, 峰势变平坦。 乙醇的谐振峰1位于0.732 THz, 峰2位于2.090 THz; 水的谐振峰分别位于0.710和2.022 THz; 水的谐振频率小于乙醇。 如前所述, 传感器的谐振峰位由金属环的电感和间隙的电容确定, 如公式F=1/2π LC所示[11]。 其中, F为谐振频率; L为电感, 由SRRs的设计参数决定; C为间隙的电容, 与SRRs结构周围媒介的介电常数直接相关。 对于液体样本, 介电常数与折射率之间的关系, 如$n=\sqrt{\varepsilon}$[11]所示, 其中n为液体样本的折射率, ε 为介电常数。 因此, 将不同液体加入到MMS中, 其液体折射率不同, 导致体系的共振频率发生不同程度的偏移, 且F与n负相关。 由于水的折射率是2.20, 大于乙醇的折射率1.54[12], 因此在MMS中加入水和乙醇会导致谐振频率发生红移, 且水的频移改变量大于乙醇。

2.3 不同浓度PBS的THz传输光谱

图6是不同浓度的磷酸盐缓冲溶液(phosphate buffer saline, PBS)的太赫兹传输频率图。 对峰1而言, 1× , 2.5× 和5× PBS无明显的谐振频率差别, 其谐振峰位均位于0.702 THz, 而10× PBS的谐振峰位于0.687 THz; 对峰2而言, 1× , 2.5× , 5× 和10× PBS的谐振频率分别位于2.022, 2.014, 1.999, 1.991 THz。 上述结果表明, 加入PBS导致谐振频率发生进一步红移(以水为参考)。 这是因为在水溶液中加入离子会导致溶液的吸收和折射率减小[13], 离子的浓度越高, 折射率的改变越大, 表现为谐振峰更大的频移量。

图6 不同浓度PBS的峰1(a)和峰2(b)频域信号图Fig.6 Terahertz transmission spectrum of peak 1 (a) and peak 2 (b) for different concentrations of PBS

谐振频率改变量随PBS浓度变化的结果(图7)表明: 对于峰1, 1× , 2.5× 和5× PBS的谐振频率改变量为7.6 GHz, 10× PBS的频移改变量为22.9 GHz; 对于峰2, 1× PBS的谐振频率与水没有差别, 但随着PBS浓度的增加, 谐振频率改变量随之增加, 最大频移量为30.5 GHz。 比较峰1和峰2传感结果, 峰2有更大的频移改变量, 但峰1可识别更低浓度的PBS溶液。 因此, 峰2的传感效果优于峰1, 但是峰1对低浓度的离子变化更加敏感, 此结果可能是由于峰1处裂隙内的场强限制最强[14]。

图7 谐振频率改变量(以水为参考)随PBS浓度变化图Fig.7 Change of resonance frequency (with water as reference) as a function of PBS concentration

3 结论

开发了一种超材料太赫兹微流控传感器, 整合了基于SRRs结构的超材料基底和包含有微纳流道的PDMS盖膜。 其中, 为了减少在穿过大量水时太赫兹波的衰减, 控制微流体通道的高度为50 μ m。 对设计加工的超材料太赫兹微流控传感器在THz-TDS系统中进行了测量, 结果表明设计的传感器在0.771和2.129THz处存在两个明显的谐振峰。

为了验证该传感器在太赫兹域段实现液相传感的可行性, 使用该传感器对两种在生物和化学中普遍应用的液体— 水和无水乙醇进行了太赫兹时域和频域的检测。 实验结果显示水和乙醇均具有明显的时域峰和谐振峰, 且二者由于吸收和折射率不同, 可通过峰强度和相位的不同来区分。 为了进一步验证传感器生物学应用的性能, 检测了不同浓度的PBS溶液, 谐振峰的频移量与离子浓度正相关。 总而言之, 这项工作证明了构建的传感器是一种灵敏的折射率传感器, 可开发为无标签、 灵敏的太赫兹液相测量方法。 其次, 我们构建的太赫兹超材料流体芯片所需样品量仅约3 μ L, 并且对液体环境的变化是敏感的, 可以作为一种检查昂贵生物材料的理想选择。

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