太赫兹超材料生物传感芯片研究

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3、chofterahertzmetamaterialbiosensingchipsByWANGSijiangADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofEngineeringChongqinginstituteofgreenandintelligenttechnology,ChineseAcademyofSciencesMay,2016摘要摘要基于太赫兹（Te

4、rahertz，THz）波低光子能量、对生物物质无电离损害和金属微纳结构构成的超材料共振频率对周围介电环境的敏感特性，本论文对THz超材料生物传感芯片进行了探索研究。通过分析目前THz生物传感芯片在生物大分子探测中的实际问题，提出了亚波长金属块阵列结构、无偏振依赖的四边开口列阵结构和多环列阵结构的传感芯片，开展了各芯片的理论分析与设计、结构制备、生物大分子传感实验验证等相关研究工作，为建立一种通用的、高灵敏的THz生物探测手段奠定了基础。本论文的主要研究内容如下：（1）首先提出了亚波长金属块阵列结构的THz传感芯片，结合超材料的等效介质理论和FP

5、共振理论，分析了芯片共振频率偏移量与测试对象介电常数、结构参数之间的关系，建立了该芯片的传感理论模型。采用正交光刻工艺完成了结构的制备，传感实验表明对于0.025mol/L的D(+)-葡萄糖水溶液的频率偏移量为53GHz。（2）鉴于生物检测常用的THz时域宽谱系统较强的线偏振性，传感芯片的共振频率易随着其放置方向与系统偏振方向的不同而产生明显差异，为解决此问题，提出了四边开口列阵结构的传感芯片，基于LC等效电路理论分析了芯片方向引起的差异的原因，结合有限元仿真方法完成了芯片结构参数的优化，在此基础上完成了芯片的制备，实验测试结果表明该芯片的不确定

6、度为1.68GHz，对于3.0mmol/L的BSA水溶液频率偏移量为275GHz，传感灵敏度为95GHz/(mmol/L)，对BSA水溶液的最小分辨率为17.7µmol/L。（3）为提供丰富的生物信息，构建了多环列阵结构的THz传感芯片，通过理论仿真进行了结构参数的优化设计，采用光刻工艺制备了相应的传感芯片，最后将该芯片应用于DNA、蛋白质、细菌等不同类型的生物传感中，均获得了2个特征峰，根据两个特征峰不同的偏移量，实现了不同类型的细菌、不同链长的DNA以及不同浓度的rn8b蛋白质的区分，验证了所构建THz超材料传感芯片的通用性和灵敏性。I摘要关

7、键字：THz波，超材料，光刻，生物传感IIABSTRACTABSTRACTBasedonlowphotonenergyandwithoutionizingdamageonbiologicalmaterialsofterahertz(THz)waveandthecharacteristicsofsurroundingdielectricenvironmentsensitivityofresonancefrequencyofmetamaterialscomposedofmetalmicro-nanostructures,THzmetamaterial

8、biosensingchipshavebeenexplorativelystudiedinthispaper.Throughtheana