【摘 要】
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太赫兹波位于微波和红外波之间,具有瞬时性、光子能量低、高穿透性等优良特性,可应用于高灵敏度检测、高精度成像和无线通信等领域。由于太赫兹电磁波不会对生物组织产生负面的电离危害且很多生物大分子在太赫兹波段具有较强的集体震荡,可以增强对生物分子检测的灵敏度,随着太赫兹频谱技术的发展,太赫兹波在生物传感方面的研究成为一个重要方向。超材料（metamaterial）是一种具有特殊的物理特性的人工复合电磁材料
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太赫兹波位于微波和红外波之间,具有瞬时性、光子能量低、高穿透性等优良特性,可应用于高灵敏度检测、高精度成像和无线通信等领域。由于太赫兹电磁波不会对生物组织产生负面的电离危害且很多生物大分子在太赫兹波段具有较强的集体震荡,可以增强对生物分子检测的灵敏度,随着太赫兹频谱技术的发展,太赫兹波在生物传感方面的研究成为一个重要方向。超材料（metamaterial）是一种具有特殊的物理特性的人工复合电磁材料,具有自然界中材料所不具有的特殊电磁特性,如负导电率、负介电常数、光学隐身等。常见的超材料是通过设计出特定的亚波长金属单元结构来排列组成,超材料可以通过改变周期结构中的金属结构来有效操控其电磁特性。基于太赫兹波及超材料结构的特点,本文主要开展了基于超材料的太赫兹生物传感器研究,以实现高灵敏度、高Q值的传感特性。本论文的主要研究内容如下:1、提出了一种基于中心对称开口环结构的太赫兹超材料生物传感器,传感器在2.5THz处实现了完美吸收,其Q值为20。探究了传感器在谐振点处的谐振机理以及传感机理。传感器表面设置厚度为5μm的生物待测物时,灵敏度达到了750GHz/RIU。分析了传感器对待测物厚度变化的响应,其灵敏度达到60GHz/μm。通过设计半圆球结构来模拟生物传感中的细胞增殖和细胞变异,并将其应用于传感器的传感性能仿真测试,获得了较高的灵敏度。2、由于单峰传感在实际应用中易受到干扰导致传感器的准确度下降,又提出了一种基于中心对称F型结构的太赫兹超材料生物传感器。传感器在3.5THz和5.95THz处获得两个完美吸收峰,其Q值分别为30.8和49.6。对传感器两个吸收峰的谐振机理和传感性能进行了分析,当待测物厚度为5μm时,两个模式下的灵敏度分别为900GHz/RIU和1.8THz/RIU。待测物厚度变化的灵敏度可分别达到53GHz/μm和108GHz/μm。3、通常生物制剂和生物细胞会在溶液中进行检测,微流控技术由于其具有对微量液体进行有效控制的优异性能被越来越多的应用于生物传感领域。本节提出了一种基于纺锤结构的超材料微流传感器,在3.1THz处实现了一个完美吸收峰,Q值为20.7。谐振点处的电场主要分布在微流控通道中,增强了通道中的液体分析物和电磁场的相互作用,提高了传感器的灵敏度。最后分析了传感器的传感特性,当微流控通道中的液体分析物折射率变化时,其灵敏度达到了1.2THz/RIU。4、考虑到单峰传感器在实际传感中的抗干扰能力较弱,提出了一种基于双SRR环结构的超材料微流传感器,在1.98THz和2.56THz处实现了两个完美的吸收峰,Q值分别为16.5和17.1。通过改变内外环的长度可以控制传感器两个吸收峰的谐振频率。在两个谐振点处的灵敏度分别为625GHz/RIU和900GHz/RIU。太赫兹波段实现了高灵敏度、高Q值的双模式传感。
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