太赫兹超材料生物传感器及其制备方法和检测方法
阅读说明：本技术 太赫兹超材料生物传感器及其制备方法和检测方法 (Terahertz metamaterial biosensor and preparation method and detection method thereof ) 是由 崔宁 关敏 徐梦轲 张杨 曾一平 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：一种太赫兹超材料生物传感器及其制备方法和检测方法,该生物传感器包括：衬底；设置在所述衬底上用于响应太赫兹波的超材料结构,其上设有若干检测区；以及识别单元,修饰在所述检测区上,用于识别不同标志物。本发明提供的太赫兹超材料生物传感器,采用的超材料是一种非对称的高Q值结构,对周围环境介质的变化响应灵敏度非常高,癌症标志物与超材料结构表面结合,导致其太赫兹透射光谱的红移,且癌症标志物浓度与峰位移动呈函数相关性。通过该标志物的检测浓度与太赫兹透射光谱对比曲线,可以实现对病人血清中的标志物浓度的检测。(A terahertz metamaterial biosensor, a preparation method and a detection method thereof are provided, the biosensor comprises: a substrate; the metamaterial structure is arranged on the substrate and used for responding to terahertz waves, and a plurality of detection areas are arranged on the metamaterial structure; and a recognition unit, which is modified on the detection area and is used for recognizing different markers. According to the terahertz metamaterial biosensor provided by the invention, the adopted metamaterial is an asymmetric high-Q-value structure, the response sensitivity to the change of a surrounding environment medium is very high, the cancer marker is combined with the surface of the metamaterial structure, so that the red shift of a terahertz transmission spectrum is caused, and the concentration of the cancer marker is in functional correlation with the peak position movement. The detection of the concentration of the marker in the serum of the patient can be realized through the contrast curve of the detection concentration of the marker and the terahertz transmission spectrum.)
技术领域
本发明涉及生物检测领域，具体涉及一种太赫兹超材料生物传感器及其制备方法和检测方法。
背景技术
癌症发展的早期往往没有明显的疾病信号，常常被病人忽略掉，当有症状的时候，癌症的发展程度很高或已经转移。有研究表明癌细胞形成后会产生不同的癌症标记蛋白，可以帮助人们诊断体内是否存在相应的癌细胞。因此，癌症标志物蛋白质浓度在早期癌症诊断中起关键作用。
太赫兹光谱技术具有即时性、无标签和无损检测等优点，随着微纳加工技术的发展，基于超材料的太赫兹传感器受到了极大的关注。通过改变超材料共振单元的结构和尺寸，可以人为地操纵其对太赫兹波的共振特性，这可以使其对表面介质变化具有高响应率。目前，广泛使用的结构包括SRR(开口谐振环)类型，十字型和耦合类型。其中，由不对称超材料引起的Fano共振具有尖锐的光谱形状和较高的Q因子(品质因子)，特别适合检测表面微小的电介质变化。在Fano共振超材料上修饰可以特异性识别的癌症标志物抗体，然后在上面检测相对应的抗原，抗原抗体结合后，超材料的表面电介质参数会发生变化，反映在太赫兹透射光谱上就是透射峰频率的位移。
由于不同的癌症标志物的介电常数不同，所以不同的癌症标志物结合在超表面的频率变化规律也是不同的，通过提前测量癌症标志物的浓度和透射峰位移的关系曲线，得到标志物浓度的对比卡。测量血清中某癌症标志物时，只需将透射峰位移对应到之前得到的浓度对比卡中，即可得到该标志物的浓度。
早期对血清样品中某蛋白质浓度的临床诊断方法主要利用生物化学一些方法，如酶联反应法(ELISA)、蛋白印迹实验(WB)、免疫荧光法(IFA)等，然而，这些方法操作复杂且耗时较长，无法满足当下快速检测的需求。因此，非常希望开发出更灵敏，易于操作，无标记且特别是快速方式的新型生物传感器。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种太赫兹超材料生物传感器及其制备方法和检测方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种太赫兹超材料生物传感器，包括：
衬底；
设置在所述衬底上用于响应太赫兹波的超材料结构，其上设有若干检测区；以及
识别单元，修饰在所述检测区上，用于识别不同标志物。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种如上所述生物传感器的制备方法，包括如下步骤：
在衬底上制备超材料结构；以及
在超材料结构上修饰识别单元。
作为本发明的又一个方面，还提供了一种对标志物进行检测的方法，采用如上所述的生物传感器或如上所述方法制备的生物传感器，包括：
将待测血清加入生物传感器的测试区，反应后测试该生物传感器得到待测血清的太赫兹透射光谱；
将待测血清的太赫兹透射光谱与标准浓度对比卡对比得到待测血清中的癌症标志物的浓度。
基于上述技术方案可知，本发明的太赫兹超材料生物传感器及其制备方法和检测方法，相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、本发明提供的太赫兹超材料生物传感器，采用的超材料是一种非对称的高Q值结构，对周围环境介质的变化响应灵敏度非常高，癌症标志物与超材料结构表面结合，导致其太赫兹透射光谱的红移，且癌症标志物浓度与峰位移动呈函数相关性。通过该标志物的检测浓度与太赫兹透射光谱对比曲线，可以实现对病人血清中的标志物浓度的检测；
2、本发明提供的检测方法，可靠性强、灵敏度高，可以快速检测不同癌症标志物浓度，适用大部分癌症标志物以及生物特异性识别的检测。
附图说明
图1是依照本发明实施例的太赫兹超材料生物传感器测试原理示意图；
图2是依照本发明实施例的超材料结构的电子显微镜图，其中a图为单环加栅结构，b图为基础双环结构，c图为旋转双环结构，d图为双环加外栅结构，e图为双环加内栅结构，f图为三环套嵌结构；
图3是依照本发明实施例的旋转双环结构测试不同浓度癌胚抗原蛋白太赫兹的峰的位移图；
图4是依照本发明实施例的旋转双环结构太赫兹的峰的位移与癌胚抗原蛋白浓度对应关系曲线图。
附图标记说明：
1-衬底；2-超材料结构；3-识别单元；4-标志物。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种太赫兹超材料生物传感器，包括：
衬底；
设置在所述衬底上用于响应太赫兹波的超材料结构，其上设有若干检测区；以及
识别单元，修饰在所述检测区上，用于识别不同标志物。
其中，所述超材料结构为四个方环阵列排布的谐振环周期性单元；
其中，所述方环阵列中的每个方环为开口方环或闭口方环；
其中，所述方环阵列中的每个方环包括单环、双环或三环；
其中，所述方环阵列中的每个方环的旋转角度为0-90°；
其中，所述方环阵列还包括栅，所述栅设置于所述方环阵列中方环与方环之间，或设置于所述方环内部。
其中，所述超材料结构包括底层金属层和表面金属层；
其中，所述底层金属层采用的材料包括金、银、铜、钛、镍中的任一种或多种组合；
其中，所述超材料结构的表面金属层采用的材料为金；
其中，所述表面金属层的厚度为100-200nm；
其中，所述超材料结构的底层金属层和表面金属层的总厚度为0.1-2μm；
其中，所述底层金属层是通过电镀或磁控溅射的方法得到的；
其中，所述表面金属层是通过电子束蒸发的方法得到的。
其中，每一个所述测试区修饰一种识别单元；
其中，所述测试区的形状为正方形或圆形。
其中，所述识别单元包括癌胚抗原、糖蛋白抗原125、甲胎蛋白、糖蛋白抗原15-3、谷氨酰转肽酶同工酶II、糖蛋白抗原19-9、糖蛋白抗原42、microRNA4484、microRNA3646、microRNA探针中的任一种。
其中，所述衬底包括石英、硅、砷化镓、聚酰亚胺或聚甲基戊烯中的任一种；
其中，所述衬底厚度小于或等于500μm；
其中，当所述衬底为石英、硅、砷化镓时，所述衬底的厚度不超过200μm。
其中，所述生物传感器的响应波段为太赫兹波段；
其中，所述生物传感器的响应波段为0.5-3THz。
本发明还公开了一种制备如上所述生物传感器的方法，包括：
在衬底上制备超材料结构；以及
在超材料结构上修饰识别单元。
其中，该方法在衬底上制备超材料结构之前还包括：将所述衬底依次进行丙酮、无水乙醇以及去离子水清洗；
其中，所述在衬底上制备超材料结构，包括：
在衬底上旋涂光刻胶后曝光得到超材料结构图案；
在曝光出的超材料结构图案上生长金属层，得到超材料结构；
其中，所述得到超材料结构图案的步骤采用微纳加工光刻技术实现；
其中，所述在得到超材料结构步骤之后还包括：将所述衬底厚度减薄到小于或等于500μm。
本发明还公开了一种对标志物进行检测的方法，采用如权利要求1-7中任一项所述的生物传感器或权利要求8-9任一项所述方法制备的生物传感器，包括：
将待测血清加入生物传感器的测试区，反应后测试该生物传感器得到待测血清的太赫兹透射光谱；
将待测血清的太赫兹透射光谱与标准浓度对比卡对比得到待测血清中的癌症标志物的浓度；
其中，所述反应步骤中反应时间为30-60分钟；
其中，所述标准浓度对比卡的获取步骤包括：
测试不同浓度标志物的太赫兹透射光谱；
根据得到的太赫兹透射光谱的峰位位移与标志物浓度的关系得到的曲线即为所述标准浓度对比卡；
其中，测试所述不同浓度癌症标志物中至少有四种不同浓度，所述标志物的浓度为1ng/mL-10μg/mL。
在本发明的一个示例性实施例中，一种应用于癌症早期预警的负折射率太赫兹超材料生物传感器，包括衬底1、衬底上生长的负折射率超材料结构2、修饰在超材料结构上的识别不同癌症标志物的抗体或者探针(即识别单元)3。
在本发明的一些实施例中，所述衬底可以为石英、高阻硅、砷化镓、聚酰亚胺或聚甲基戊烯等。其中，在超材料金属层生长完成后，衬底需要经过减薄工艺，控制厚度不高于500μm。
在本发明的一些实施例中，所述超材料结构为阵列排布的金属开口谐振环(SRR)周期性单元，其中，所述方环阵列中的每个方环可以为开口方环，也可以为闭口方环；
所述方环阵列中的每个方环可以为单环、双环或三环；
所述方环阵列中的每个方环可以旋转一定的角度，旋转角度范围为0-90°；
所述方环阵列还包括栅；所述栅可以加在所述方环阵列中方环与方环之间，也可以加在方环内部。
旋转和加栅的作用是为了提高超材料结构的Q因子，提高灵敏度。
以下以图2为例，具体例举几种结构：
所述谐振环(SRR)周期性单元可以是以开口方环为基础的双环、旋转双环、双环加栅、三环套嵌、单环加栅等超材料结构。
如图2a所示，为单环加栅结构；
如图2b所示，为内外嵌套结构，两个环距离与线宽一致，开口可以为同方向或相反方向；
如图2c所示，为双环旋转结构，双环旋转结构的旋转角度为0-90°；
如图2e所示，双环加栅结构可以在四个方环组的中间加水平或垂直的栅，栅长为85-130μm；也可以在每个环的内部加栅，如图2中d图所示，栅长8-48μm；
如图2f所示，为三环套嵌结构，三环套嵌结构环的边长为80-150μm，环的线宽2-6μm，环距离与线宽一致。
在本发明的一些实施例中，所述超材料结构中的金属可以是金、银、铜、钛、镍中的一种或多种组合，其中金为超材料结构的表面层。
在本发明的一些实施例中，所述超材料金属层总厚度为100nm-2μm，表面层金的厚度是100-200nm。
金属的制备方法为：底层金属层生长方法是电镀或磁控溅射，表面层金的生长方法是电子束蒸发。
在本发明的一些实施例中，所述生物传感器的响应波段在太赫兹范围，波段范围是0.5-3THz。
在本发明的一些实施例中，所述修饰在超材料上的识别不同癌症标志物的抗体或者探针为：CEA(癌胚抗原)、CA125(糖蛋白抗原125)、AFP(甲胎蛋白)、CA15-3(糖蛋白抗原15-3)、GGT-II(谷氨酰转肽酶同工酶II)、CA19-9(糖蛋白抗原19-9)、CA42(糖蛋白抗原42)、microRNA4484、microRNA3646等常规癌症标志物抗体以及microRNA探针。
如上所述的用于癌症早期预警的负折射率太赫兹超材料生物传感器的检测方法，原理如图1所示，包括如下步骤：
(1)首先将不同浓度的癌症标志物依次加入超材料测试区，测试区面积为0.04-1cm2；
根据标志物的不同，反应时间在30-60分钟之间，然后测试此传感器的太赫兹透射光谱；
(2)通过太赫兹峰位位移Δf随浓度变化的曲线，得到标志物标准浓度对比卡；超材料结构能太兹波段的响应，对太赫兹透射峰有调谐作用，当超材料周围的介质改变时，太赫兹透射峰会出现位移。
(3)通过病人血清的THz透射谱与标准浓度对比卡分析，可以得到检测病人血清中该癌症标志物的浓度。
其中，根据透射峰位迁移量Δf与标志物浓度变化的曲线，可以得到多种癌症标志物的浓度对比卡。
在本发明的另一个示例性实施例中，一种应用于癌症早期预警的负折射率太赫兹超材料生物传感器，如图1所示，包括衬底1、衬底上生长的负折射率超材料结构2、修饰在超材料上的识别不同癌症标志物4的识别单元3，识别单元为抗体或者探针3。具体制备步骤如下：
(1)衬底准备：
应用于癌症早期预警的负折射率太赫兹超材料生物传感器的衬底为石英、硅、砷化镓、聚酰亚胺或聚甲基戊烯等。
进行超材料加工工艺之前先将衬底材料放在丙酮溶液中煮沸5-15分钟，去除衬底表面的有机污染物，再用无水乙醇溶液中煮沸5-15分钟除去丙酮，最后用去离子水冲洗三遍，用氮气吹干。
(2)超材料结构构建：
所述负折射率超材料为阵列排布的金属开口谐振环(SRR)周期性单元，所述谐振环(SRR)周期性单元可以是以开口方环为基础的双环、旋转双环、双环加栅、三环套嵌、单环加栅等超材料结构。
采用微纳加工光刻技术实现超材料图案在衬底上的转移。首先，通过旋涂法将光刻胶(AR-N4340)涂覆在之前处理好的衬底上，曝光以在衬底上构建那些超材料结构。
在本发明的一些实施例中，超材料结构以四个方环结构为一组周期性排列；开口方环的边长为40-60μm，两方环间距为5-10μm，环的线宽2-6μm，环开口与环线宽一致；
在本发明的一些实施例中，如图2a所示，超材料结构为单环加栅结构；
在本发明的一些实施例中，如图2b所示，超材料结构为双开口环为内外嵌套结构，两个环之间的距离与线宽一致，开口可以为同方向或相反方向；
在本发明的一些实施例中，如图2c所示，超材料结构为双环旋转结构，双环旋转结构的旋转角度为0-90°；
在本发明的一些实施例中，如图2e所示，双环加栅结构可以在四个方环组的中间加水平或垂直的栅，栅长为85-130μm，也可以在每个环的内部加栅，栅长8-48μm，如图2d所示；
在本发明的一些实施例中，如图2f所示为三环套嵌结构，最外侧环的边长为80-150μm，环的线宽为2-6μm，环距离与线宽一致；
在本发明的一些实施例中，生物传感器表面超材料覆盖区域为测试区，每一个测试区域的形状为正方形或圆形，正方形边长或圆形半径均为0.2-1cm；
在本发明的一些实施例中，超材料图案为旋转双开口环，旋转角度为22.5°，开口为2μm；双环外部加栅结构，栅长为105μm。
(3)金属生长
超材料结构中的金属可以是金、银、铜、钛、镍中的一种或多种组合，其中金为超材料结构的表面层。
其中，超材料金属总厚度为100nm-2μm，表面金的厚度是100-200nm；
其中，金属的生长方法为下层金属生长方法是电镀或磁控溅射，表面金的生长方法是电子束蒸发。
(4)衬底减薄
在步骤(3)完成后，衬底需要经过减薄工艺，控制厚度在500μm以下。
当衬底为石英、高阻硅、砷化镓时，厚度不超过200μm。
(5)修饰癌症标记物抗体
在测试区域表面用1-1.5μg/mL巯基丙酸(MPA)室温下孵育15-24h，之后用10-60mM的N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)和1-乙基-(3-二甲基氮基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)1：1混合，作为活化剂，室温下孵育10-30分钟；
修饰不同癌症标志物的抗体或者探针：CEA(癌胚抗原)、CA125(糖蛋白抗原125)、AFP(甲胎蛋白)、CA15-3(糖蛋白抗原15-3)、GGT-II(谷氨酰转肽酶同工酶II)、CA19-9(糖蛋白抗原19-9)、CA42(糖蛋白抗原42)、microRNA4484、microRNA3646等常规癌症标志物抗体以及microRNA探针。
将抗体或探针加入测试区域中，根据标志物不同，在0-10℃条件下孵育10-24h。
其中，一个测试区域修饰一种抗体或探针；
其中，修饰抗体或探针的浓度为1-10μg/mL。
2、利用负折射率太赫兹超材料生物传感器快速准确检测癌症标志物蛋白的方法，包括如下步骤：
(1)首先将不同浓度的癌症标志物依次加入超材料结构的测试区，测试区面积为0.04-1cm2；
根据标志物的不同，反应时间在30-60分钟之间，然后测试此传感器的太赫兹透射光谱；
(2)通过太赫兹峰位位移Δf随浓度变化的曲线，得到标志物标准浓度对比卡；
(3)通过病人血清的太赫兹透射谱与标准浓度对比卡分析，可以得到检测病人血清中该癌症标志物的浓度。
本发明中所述检测不同癌症标志物为癌胚抗原CEA(癌胚抗原)、CA125(糖蛋白抗原125)、AFP(甲胎蛋白)、CA15-3(糖蛋白抗原15-3)、GGT-II(谷氨酰转肽酶同工酶II)、CA19-9(糖蛋白抗原19-9)、CA42(糖蛋白抗原42)、microRNA4484、microRNA3646等常规癌症标志物以及microRNA。
其中，所得到的峰位位移Δf随浓度变化的曲线，至少包含4组浓度和峰位的数值；
其中，步骤(2)中的标志物浓度可以为1ng/mL-10μg/mL中的至少四组浓度。
以下通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
下述实施例中使用的化学药品和原料均为市售所得或通过公知的制备方法自制得到。
图1是依照本发明实施例的负折射率太赫兹超材料生物传感器测试原理图。
实施例1
按照如下步骤制备负折射率太赫兹超材料生物传感器：
(1)衬底准备：进行超材料加工工艺之前要在丙酮溶液中煮沸8分钟，去除衬底表面的有机污染物，再用无水乙醇溶液煮沸10分钟除去丙酮，最后用去离子水冲洗三遍，用氮气吹干。
(2)超材料结构构建：
采用微纳加工光刻技术实现超材料图案在衬底上的转移。首先，通过旋涂法将光刻胶(AR-N4340)涂覆在之前处理好的衬底上。95℃前烘15分钟，曝光以在衬底上构建那些超材料结构，105℃后烘10分钟。
制备的超材料结构为旋转双环结构，超材料图案为旋转双开口环，旋转角度为22.5°，开口为2μm，每一个测试区域面积为0.25cm2。
(3)金属生长
超材料结构中的金属单元中的金属为钛和金，金作为表面层。生长方案为电镀10nm钛，在表面电子束蒸发100nm金。
(4)衬底减薄
当步骤(3)制备完成后，500μm石英通过衬底减薄工艺到200μm。减薄工艺之后要放在丙酮溶液中煮沸8分钟，再用无水乙醇溶液煮沸10分钟，最后用去离子水冲洗三遍，用氮气吹干。
(5)修饰癌症标记物抗体
在测试区域表面用1.25μg/mL巯基丙酸(MPA)室温下孵育20h，之后用30mM的N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)和1-乙基-(3-二甲基氮基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)1：1混合，作为活化剂，室温下孵育20分钟；
将抗体加入癌胚抗原CEA测试区域中4℃条件下孵育15h。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同的是：
步骤(4)中衬底为300μm硅衬底，通过衬底减薄工艺到150μm。减薄工艺之后要放在丙酮溶液中煮沸10分钟，去除衬底表面的有机污染物，再用无水乙醇溶液煮沸15分钟除去丙酮，最后用去离子水冲洗三遍，用氮气吹干。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同的是：
步骤(2)中超材料结构为双环加栅结构，栅长为105μm，线宽6μm。
实施例4
本实施例与实施例2基本相同，不同的是：
步骤(2)中超材料结构为双环加栅结构，栅长为105μm，线宽6μm。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，不同的是：
步骤(3)中超材料金属的生长方案为电镀40nm钛，电子束蒸发200nm金。
实施例6
本实施例与实施例2基本相同，不同的是：
步骤(3)中超材料金属的生长方案为电镀40nm厚度的钛，电子束蒸发200nm厚度的金。
图2是依照本发明实施例的超材料结构的电子显微镜图。
实施例1-6制备的负折射率太赫兹超材料生物传感器，用于检测不同的癌症标志物，具体步骤如下：
(1)将不同浓度为10ng/mL、50ng/mL、100ng/mL、250ng/mL、500ng/mL的癌胚抗原蛋白依次加入超材料测试区进行抗原抗体结合反应40分钟；
(2)随着标志物浓度增加，太赫兹透射光谱中与修饰抗体的透射峰相比，体现出峰位的红移，且癌症标志物浓度与峰位移动呈函数相关性，做出峰位位移Δf随浓度变化的曲线，得到标志物标准浓度对比卡；
(3)将病人血清加入修饰CEA抗体的测试区域，反应40分钟测量病人血清的THz透射谱，将透射峰位移Δf对应到先前的对比卡中，得到病人血清中CEA的浓度。
本发明中所述检测不同癌症标志物可以为癌胚抗原CEA(癌胚抗原)、CA125(糖蛋白抗原125)、AFP(甲胎蛋白)、CA15-3(糖蛋白抗原15-3)、GGT-II(谷氨酰转肽酶同工酶II)、CA19-9(糖蛋白抗原19-9)、CA42(糖蛋白抗原42)、microRNA4484、microRNA3646等常规癌症标志物以及microRNA。
图3是依照本发明实施例的旋转双环结构测试不同浓度癌胚抗原蛋白太赫兹的峰的位移图；
图4是依照本发明实施例的旋转双环结构太赫兹的峰的位移与癌胚抗原浓度对应关系曲线图。
由于不同的癌症标志物的介电常数不同，所以不同的癌症标志物结合在超表面的频率变化规律也是不同的，通过提前测量各个癌症标志物的浓度和透射峰位移的关系曲线，得到标志物浓度的对比卡，在之后的测量中可以直接在修饰标志物抗体的测试区域测量病人血清太赫兹透射谱峰位移动，即可到血清中该标志物的浓度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。