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基于三维开口谐振环(SRR)阵列和微流通道,在太赫兹频段内实现了一款基于超材料吸波器的高灵敏度折射率传感器,三维SRR阵列完全浸没于微流通道内,注入微流通道内的液相分析物在作为被测分析物的同时还充当了超材料吸波器的中间介质层。当微流通道的高度固定为33.1 μm,而注入微流通道内的液相分析物的折射率从1.0变化到1.8时,该太赫兹超材料吸波器可作为折射率传感器,对应的折射率频率灵敏度达到379 GHz/RIU。仿真结果表明,该太赫兹超材料吸收体传感器的谐振电磁场被扩展到三维空间,并在微流通道内得到了很大程度的集中和增强,从而实现了谐振电磁场与待测分析物的空间重叠,增强了谐振电磁场与被测分析物之间的相互作用,进而实现了对液相分析物的高灵敏度传感。同样基于CST Microwave Studio仿真软件仿真研究了微流通道的高度和顶层覆盖电介质的厚度对超材料吸收体传感器的折射率灵敏度的影响。通过选择合适的微流通道高度和覆盖电介质厚度可获得更高的折射率灵敏度。总之,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更高的品质因数和折射率频率灵敏度,在无标记的快速生物医学传感中具有潜在的
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第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
基于三维开口谐振环阵列和微流通道的
太赫兹超材料吸收体传感器
王 鑫
,
王 俊 林
内蒙古大学电子信息工程学院
内蒙古
呼和浩特
摘要
基于三维开口谐振环
阵列和微流通道
在太赫兹频段内实现 了一 款基于 超材 料吸波 器的 高灵敏 度折
射率传感器
三维
阵列完全浸没于微流通道内
注入微流通道内的液 相分 析物在 作为 被测分 析物 的同时 还充
当了超材料吸波器的中间介质层
当微流通道的高度固定为
而注 入微 流通道 内的 液相分 析物 的折射 率
从
变化到
时
该太赫兹超材料吸波器可作为折射率传感器
对应的折射率频率灵敏度达到
仿真结果表明
该太赫兹超材料吸收体传感器的谐振电 磁场 被 扩展 到三 维 空间
并 在微 流通 道 内得 到了 很 大程 度
的集中和增强
从而实现了谐振电磁场与待测分析物的 空间 重 叠
增 强了 谐振 电 磁场 与被 测 分析 物之 间 的相 互作
用
进而实现了对液相分析物的高灵敏度传感
同样基于
仿真软件仿真研究了微流 通道 的
高度和顶层覆盖电介质的厚度对超材料吸收体传感器 的 折射 率灵 敏 度的 影响
通 过选 择合 适 的微 流通 道 高度 和
覆盖电介质厚度可获得更高的折射率灵敏度
总 之
基 于三 维
阵 列和 微流 通 道的 太赫 兹 超材 料吸 收 体传 感
器具有更高的品质因数和折射率频率灵敏度
在无标记的快速生物医学传感中具有潜在的应用
关键词
探测器
太赫兹
超材料吸波器
三维开口谐振环
微流通道
传感器
中图分类号
文献标志码
doi
收稿日期
修回日期
录用日期
基金项目
国家自然科学基金
内蒙古自然科学基金
内蒙 古大 学
年高 层次 人才引 进科
研启动项目
E-mail
Terahertz
Metamaterial
Absorber
Sensor
Based
on
Three-Dimensional
S
p
lit-Rin
g
Resonator
Arra
y
and
Microfluidic
Channel
Colle
g
e
o
f
Electronic
In
f
ormation
En
g
ineerin
g
Inner
Mon
g
olia
Universit
y
Hohhot
Inner
Mon
g
olia
China
Abstract
Ke
y
words
OCIS
codes
光
学
学
报
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
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
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
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
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
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
结构
入射电磁 场 会
在
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
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
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
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
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
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
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
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
其值用
F
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
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
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
结构设计与仿真
基于三维
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
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
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
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
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weixin_38731479
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