用于蛋白质检测的全金属太赫兹超材料生物传感器

介绍

现在，医生通常会在医院采集患者的血清进行各种检查。如肿瘤检测[1,2,3]和病毒检测[4,5,6]等。肿瘤检测的初步方法是蛋白质检测，因为蛋白质是许多肿瘤标志物的组成部分，而这些生物分子中含有大量的信息存在于血清中。血清白蛋白是血浆中含量最高 (52–62%) 的总水溶性部分蛋白质 [7, 8]。此外，血清白蛋白的营养和生理功能使其成为必需的生物大分子。作为最受欢迎的血清白蛋白之一，牛血清白蛋白 (BSA) 被用于许多研究领域。因此，对BSA检测的研究具有重要意义。有多种检测和测定 BSA 浓度的方法，包括电化学阻抗谱 [9]、毛细管电泳 [10] 和光散射技术 [11]。但它们都存在程序复杂、重现性差或耗时等缺点。因此，开发新型生物传感器意义重大，需求旺盛。

太赫兹波介于微波和红外光波之间，处于从电子到光子的过渡区。与光波相比，该波段的光子能量非常低。这意味着太赫兹波不会对生物分子造成辐射电离损伤。许多生物大分子在太赫兹波段也具有独特的指纹[12,13,14,15]。因此，太赫兹波在生物传感领域受到了广泛的关注[16, 17]。

超材料是由亚波长结构组成的人造电磁材料。它们独特的电磁共振具有许多特性，例如负 RI [18, 19]、电磁感应透明度 [20, 21] 和极端环境敏感性 [22, 23]。对周围环境敏感的超材料，尤其是由亚波长金属结构组成的超材料 [24,25,26]，已被广泛用于检测各种生物分子。太赫兹波与超材料的结合为生物医学分子提供了一种新的检测方法，不仅可以实现无标记检测，而且刷新了现有传感器的分辨率极限。此外，无需化学试剂，只需少量分析物即可简单快速地完成检测。

在太赫兹频率下，超材料生产通常依赖于微米级的加工方法。光刻 [27] 或电子束光刻 [28] 主要用于将微纳米图案从光敏电阻转移到功能材料表面，然后需要湿法 [29, 30] 或干法蚀刻 [31, 32]完成超材料的最终加工。通过以上步骤，可以实现精细图形的构建，但遗憾的是，这些方法大多需要昂贵的加工设备、高标准的操作环境、繁琐的加工程序。激光打孔 [33, 34] 是第一种实用的激光加工技术，也是激光加工的主要应用领域之一。激光束在空间和时间上高度集中。通过透镜聚焦，光斑直径可以缩小到微米级，激光功率密度为10 ⁵ –10 ¹⁵ 宽/厘米 ² 可以获得。凭借如此高的功率密度，几乎可以在任何材料上进行激光钻孔。据我们所知，这是首次将激光钻孔技术应用于超材料生物传感器的制备，可显着降低超材料生物传感器的加工成本，促进其实际应用。

在这项研究中，提出了一种基于全金属超材料的用于蛋白质检测的高灵敏度太赫兹生物传感器，并进行了理论模拟和实验证明。该设备制造简单、成本低廉且非常稳定。它由不锈钢材料制成，采用激光钻孔技术制造。首先，利用有限积分法对该超材料传感器进行了仿真分析，计算了折射率灵敏度。然后制作并测量了这种太赫兹超材料生物传感器。实验证实了该传感器对外部环境的高灵敏度。选择 BSA 作为检测物质来评估生物传感器的有效性。希尔公式用于拟合实验数据。检测灵敏度为 72.81 GHz/(ng/mm ² ) 和 0.035 mg/mL 的检测限 (LOD)。重复测量3次以验证生物传感器的可靠性。

设计

图 1a 显示了所提出的全金属超材料太赫兹生物传感器的结构。在 50 μm 厚的不锈钢板（电导率为 1.4 × 10 ⁶ ）上形成沿 x 和 y 方向周期性排列的空心哑铃图案 秒/米）。周期大小 P x 和 P 单位结构的 y 分别为 500 μm 和 300 μm。空心哑铃的长度L 和间隙 H 分别为 294 μm 和 60 μm。半径 R 空心哑铃两端的圆圈数为 60 μm。该生物传感器采用全金属结构设计，没有传统的介电基板。太赫兹波垂直入射到超材料生物传感器表面。

一 生物传感器的三维阵列图和细胞结构图。结构参数为P x =500 μm, P y =300 μm, L =294 μm，H =60 μm，R =60μm。 b 生物传感器的模拟传输

方法与模拟

然后通过有限积分法（商业软件CST）进行三维全波电磁场模拟，用于以下模拟。在 x 中应用周期性边界条件 和 y 方向，在z的波传播方向使用完美匹配层 .如图1a右上角所示，入射电磁场的波矢k z 是在 z 中传播的平面波 -轴，电场和磁场沿 y 极化 -axis 和 x - 轴，分别。如图 1b 所示，在 0.48 THz 处有一个传输峰值。

为了研究该共振峰产生的物理机制，模拟了共振峰频率下生物传感器的表面电流和磁场。如图 2 左侧所示，入射电磁波沿 y 极化 轴，在开口的两端引起电荷振荡，从而产生电偶极子。电荷振荡伴随着沿构成孔的两个圆孔的边缘的反向旋转电流振荡。这导致了一对反向定向的平面外磁偶极子。如图 2 右侧所示，z 中有一对明显相反的磁偶极子 轴首尾相连，形成一个环形偶极子。因此，超材料的响应由电偶极子和环形偶极子的组合主导。

0.48 THz时模拟表面电流分布图和磁分布图（y =0 μm）

由于传感器的性能受结构参数的影响，在设计过程中需要对结构参数进行优化。图 3 显示了结构尺寸变化对透射光谱的影响。如图 3a 所示，当空心哑铃的长度从 290 μm 增加到 298 μm 时，透射光谱的峰值频率从 0.48 THz 红移。如图 3b 所示，当空心哑铃的间隙从 56 μm 增加到 64 μm 时，透射光谱的峰值频率从 0.48 THz 蓝移。作为 L 和 H 增加，共振峰开始分别向低频和高频移动。当圆的半径从 56 到 64 μm 变化并且不锈钢的厚度从 40 到 60 μm 变化时，共振峰的位置略有变化。因此，通过调节空心哑铃L的长度，更容易调节超材料生物传感器的共振频率 和空心哑铃的间隙H.

a 的透射光谱 不同的长度L , b 间隙 H , c 半径 R , 和 d 不锈钢板厚度

研究入射角和偏振角对透射光谱的影响也很重要。电磁波垂直入射，然后改变入射角和偏振角。这些角度的定义如图 4a 所示。入射角表示θ i 在 y-z 平面，极化为 θ 在 x-y 平面中的 p。如图 4b 所示，当入射角从 0° 变为 15° 时，共振峰频率的差异仅为 9 GHz。如图 4c 所示，当极化角从 0° 增加到 15° 时，谐振峰值频率的差异几乎为 0 GHz，但谐振峰值幅度降低了约 0.1。这表明该生物传感器对入射角和偏振角的变化几乎不敏感，有利于生物传感器的实际应用。

一 改变入射角θ示意图 i 和偏振角θ p.透射光谱与b 入射角和c 偏振角

为了探索生物传感器的传感性能，如图 5a 所示，在该超材料生物传感器中添加了 120 μm 的分析物薄层，然后当分析物的折射率发生变化时，模拟了该超材料生物传感器的不同透射光谱，如图 5a 所示. 5b。 RI灵敏度S 定义为传输峰值位置的变化与 RI 单位（S =Δf /Δn ）。随着分析物 RI 的增加，共振峰频率红移。然后收集对应于每个 RI 的共振峰频移。观察到良好的线性。图 5c 中的拟合结果表明对 RI 的灵敏度为 294.95 GHz/RIU。

一 具有 120 μm 分析物薄层的超材料生物传感器模型图的横截面图和顶视图。 b 分析物 RI 变化对生物传感器透射光谱的影响。 c 峰频移与对应RI的对应线性拟合

传感性能还使用品质因数 (FOM) 进行量化，其定义为：

其中 S 是灵敏度，FHWM 是共振峰的半峰全宽。该生物传感器的FOM为4.03。

对于大多数超材料结构，它们通常使用介电材料作为基板。然而，本文提出的这种超材料生物传感器是基于全不锈钢设计的全金属超材料，以空气为基材。与聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)、石英和硅等传统介电材料相比，空气具有最低的 RI。为了评估基板的作用，使用不同的基板再次模拟这些超材料生物传感器，随后计算了折射率灵敏度和 FOM 值。如图 6 所示，随着基板 RI 的增加，传感器的 RI 灵敏度和 FOM 开始下降。该结果表明具有较低底物RI的生物传感器具有更好的传感性能。

使用不同底物时的灵敏度和FOMs

为了进一步研究生物传感器的传感原理，模拟了电场分布图，如图7所示。模拟电场分布的俯视图和侧视图表明电场能量主要集中在部分不锈钢孔。因此，确保分析物加入孔中至关重要。

模拟电场分布。 一 顶视图，b 侧视图 (y =0 μm)

表 1 总结了所提出的传感器的 RI 灵敏度和 FOM，并将它们与其他报道的研究进行了比较 [35,36,37]。其他太赫兹传感器均基于传统的光刻工艺。可见，我们设计的不锈钢超材料生物传感器采用廉价的激光钻孔技术，具有优异的传感性能。

实验

材料和样品制备

然后为了证明所提出的太赫兹超材料传感器的生物传感能力，在实验中进行了蛋白质检测。 BSA 和 PBS 缓冲液均购自 Sigma-Aldrich。 BSA 溶液配制在 PBS 缓冲液中（pH =7.4）。

制作的超材料生物传感器的显微镜图像如图8所示。超材料生物传感器的整体尺寸为12 mm × 12 mm。

制备的生物传感器样品的显微照片

配制的 BSA 溶液的浓度为 0.2 mg/mL、0.5 mg/mL、2.0 mg/mL 和 4.0 mg/mL。通过液相沉积法将分析物添加到生物传感器表面。每次用移液枪将 150 μL BSA 溶液转移到生物传感器表面，并在 40 ℃加热台上干燥生物传感器。当生物传感器在 40 ℃加热时，蛋白质膜的形成速度更快且更均匀。每次改变不同浓度的 BSA 溶液前，将不锈钢片放入去离子水中，在超声波振动器中振动，以确保清除前道工序的蛋白质膜，确保该超材料生物传感器的表面清洁。图 9 显示了添加和干燥蛋白质过程的图片和显微镜图片。如图 9a 所示，不锈钢片是干净的，然后如图 9b 所示，将一种浓度的 BSA 溶液添加到不锈钢片表面，该溶液停留在该生物传感器的表面上，没有由于水的表面张力的作用通过孔。加热干燥后，形成一层薄薄的 BSA 薄膜，如图 9c 所示。

不锈钢在不同测试步骤中的图片：a 后的超材料生物传感器 超声波清洗和干燥，b 添加 150 μL BSA 溶液 (0.2 mg/mL) 和 c 烘干;不锈钢板d的显微镜照片 侧壁和 e 添加 BSA 前的表面；不锈钢板f的显微镜照片 侧壁和 g 加入 BSA 溶液（0.2 毫克/毫升）并干燥后的表面

为了观察不锈钢孔内的情况，将不锈钢的一侧切掉，露出孔的一侧，用显微镜观察。如图 9d-g 所示，当滴加 BSA 溶液并干燥时，在不锈钢孔中加入了一层薄薄的 BSA，这主要是因为孔的直径远大于不锈钢孔的尺寸。 BSA蛋白质。这证明待检测的分析物可以进入我们生物传感器的检测敏感区域，可以大大提高该超材料生物传感器的灵敏度。

光谱测量

所有光谱测量均使用连续波太赫兹光谱系统（TeraScan 1550，Toptica Photonics AG）进行。该系统由双激光器控制 (DLC) 智能电子设备、两个分布式反馈 (DFB) 激光器、两个光纤耦合 InGaAs 光混合器和四个 90° 离轴抛物面镜组成，如图 10 所示。太赫兹波被准直并通过 90° 离轴抛物面镜聚焦在样品上。所有透射光谱都是通过在 50 到 1220 GHz 之间以 40 MHz 的步长进行扫描获得的，积分时间为 10 ms，在快速扫描模式下运行以减少扫描时间。太赫兹波沿哑铃环开口方向极化。

本实验所用连续波太赫兹光谱仪示意图

实验结果与讨论

超材料生物传感器的蛋白质检测实验是用四种浓度的 BSA 溶液进行的。在整个实验过程中，每组 BSA 溶液按从低到高的顺序加入。所有测量重复3次。

如图 11a 所示，随着 BSA 溶液浓度的增加，共振峰频率红移。这一趋势与模拟结果一致。共振强度的降低是由于BSA蛋白对太赫兹波的吸收。

一 不同 BSA 浓度的测量光谱。 b BSA实验的希尔拟合

频移与 BSA 溶液浓度之间的关系不是线性的，这在生物实验中很常见 [38, 39]。 Hill 模型可以表征我们的超材料生物传感器和生物分子之间的结合能力。因此，使用 Hill 模型 [40] 来拟合实验数据，如图 11b 所示。 Hill方程描述如下：

其中最大峰值频移Δf max为饱和度值，[BSA]为BSA溶液的浓度，n 是希尔系数，K D是解离常数。

使用图 11b 所示的拟合曲线，希尔系数 n 计算为 0.83，解离常数 K D 计算为 2.87 mg/mL。此外，Δf max 约为 166 GHz，这表明饱和浓度处的最大峰值频移。谐振频率峰值的Hill拟合结果验证了实验的可靠性和准确性。

生物传感器的灵敏度 S 推导如下[41]：

其中 Δf 最大值为 166 GHz 和 δ max 是 BSA 的表面密度。 δ 最大值由 [41] 确定：

其中 M BSA =66,430 g/mol 是 BSA 的估计分子量 [42]，N A =6.02 × 10 ²³ mol ⁻¹ 是阿伏伽德罗数，P BSA =6.96 nm [43] 是一个 BSA 分子的平均长度。 δ 最大值为 2.28 ng/mm ² 生物传感器的 BSA 检测灵敏度为 72.81 GHz/(ng/mm ² ).

K 使用 Hill 模型获得的 D 表明解离常数与 BSA 和检测限 (LOD) C 密切相关 BSA 的 lim 使用以下公式计算[44]：

其中 S f 是 2 GHz 的光谱分辨率。等式 (5) 表明解离常数越小，检测限越低。因此，C lim 计算为 0.035 毫克/毫升。

表 2 显示了我们的生物传感器与那些报道的研究相比的 BSA 传感性能。在实验中，BSA 溶液的最低浓度为 0.2 mg/mL，频率变化为 10.8 GHz。与参考文献相比。 [45,46,47]，在相同的 BSA 浓度下实现了相对较高的频率变化。应用希尔公式来分析超材料生物传感器的数据。 0.035 mg/ml 的计算 LOD 明显优于参考文献。 [45]。所有这些都预示着我们提出的全金属太赫兹超材料生物传感器将在许多生物和化学应用中具有优异的性能。

基于不锈钢生物传感器优异的传感性能，未来可以对不锈钢生物传感器进行特异性抗体修饰，实现特异性抗原检测。不锈钢生物传感器的厚度仅为 50 μm。随着微流控技术和太赫兹光谱技术的发展，有望在未来应用于活体实时测量。

结论

总之，基于全金属超材料的太赫兹生物传感器用于测量蛋白质浓度。生物传感器由不锈钢制成，并通过激光钻孔技术制备。使用 CST 电磁仿真软件计算的最大 RI 灵敏度和 FOM 分别为 294.95 GHz/RIU 和 4.03。使用连续波太赫兹光谱仪表征样品。实验结果表明，对于 BSA 分析物溶液，检测灵敏度和检测限为 72.81 GHz/(ng/mm ² ) 和 0.035 毫克/毫升，分别。该生物传感器具有体积小、检测灵敏度高、检测限低、可重复使用、易于制造和成本效益高等优点。这些研究成果对未来在生物分子检测和疾病诊断方面的应用具有重要意义。

数据和材料的可用性

所有数据完全可用，不受限制。

缩写

太赫兹：

太赫兹

RI：

折射率

FOM：

品质因数

BSA：

牛血清白蛋白

PET：

聚对苯二甲酸乙二醇酯

DLC：

双激光控制

DFB：

分布式反馈

细节层次：

检测限