全金属太赫兹超材料生物传感器实现蛋白质检测超高灵敏度

摘要

本文理论研究并实验验证了一种基于全金属超材料的太赫兹（THz）生物传感器。该THz超材料生物传感器采用不锈钢材料，经激光钻孔技术制造。仿真结果显示该超材料传感器最大折射率灵敏度和优值分别为294.95 GHz/RIU和4.03。选取牛血清白蛋白（BSA）作为检测物质评估生物传感器效能。实验结果显示检测灵敏度为72.81 GHz/(ng/mm²)，检测限为0.035 mg/mL。该THz超材料生物传感器结构简单、成本低、易制备，在各类生物传感应用中具有巨大潜力。

引言

目前医院常采集患者血清进行各项检查，如肿瘤检测、病毒检测等。肿瘤检测初步方法为蛋白质检测，因蛋白质是许多肿瘤标志物成分，这些携带大量信息的生物大分子存在于血清中。血清白蛋白是血浆中最丰富（52-62%）水溶性蛋白。血清白蛋白营养和生理功能使其成为必需生物大分子。作为最常用血清白蛋白之一，牛血清白蛋白（BSA）广泛应用于众多研究领域。因此BSA检测研究极具重要性。检测BSA浓度方法很多，包括电化学阻抗谱、毛细管电泳、光散射技术等，但均存在操作复杂、重现性差或耗时等缺点。因此开发新型生物传感器极具意义且迫切需求。

太赫兹波介于微波和红外光波之间，处于电子学向光子学过渡区域。与光波相比，该波段光子能量极低，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具有独特指纹特征。因此太赫兹波在生物传感领域受广泛关注。

超材料由亚波长结构组成的人工电磁材料。其独特电磁共振具有负折射率、电磁诱导透明、极端环境敏感性等特性。对周围环境敏感的超材料，特别是由亚波长金属结构组成的，已广泛用于检测各种生物分子。太赫兹波与超材料结合为生物医学分子检测提供新方法，不仅能实现无标记检测，还能突破现有传感器分辨率极限。此外检测只需少量分析物、无化学试剂，简单快速完成。

THz频段超材料制造通常依赖微米级加工方法。光刻或电子束光刻主要将微纳图形从光刻胶转移至功能材料表面，随后需湿法或干法刻蚀完成超材料最终加工。上述步骤虽能实现精细图形构建，但大多需要昂贵设备、高标准操作环境和繁琐工艺。激光钻孔是首个实用激光加工技术，也是激光加工主要应用领域之一。激光束在空间和时间高度聚焦，透镜聚焦后光斑直径可达微米级，功率密度达10⁵-10¹⁵ W/cm²。如此高功率密度下激光钻孔可在几乎任何材料上进行。据知这是首次将激光钻孔技术应用于超材料生物传感器制造，可显著降低加工成本并推动实际应用。

本研究提出、理论仿真并实验演示一种基于全金属超材料的高灵敏度太赫兹生物传感器用于蛋白质检测。器件制造简单、成本低、稳定性好。由不锈钢材料经激光钻孔技术制造。首先用有限积分法仿真分析超材料传感器，计算折射率灵敏度。随后制备测量THz超材料生物传感器。实验证实传感器对外部环境高灵敏度。选取BSA评估生物传感器效能。用Hill公式拟合实验数据，获得检测灵敏度72.81 GHz/(ng/mm²)和检测限（LOD）0.035 mg/mL。重复测量三次验证生物传感器可靠性。

设计

图1a展示拟议全金属超材料太赫兹生物传感器结构。50 μm厚不锈钢板（电导率1.4×10⁶ S/m）上沿x、y方向周期性排列形成空心哑铃图案。单元结构周期尺寸P_x和P_y分别为500 μm和300 μm。空心哑铃长度L和间隙H分别为294 μm和60 μm。空心哑铃两端圆半径R为60 μm。生物传感器采用全金属结构设计，无传统介质衬底。太赫兹波垂直入射超材料生物传感器表面。

方法与仿真

采用有限积分法（商业软件CST）进行三维全波电磁场仿真。x、y方向施加周期性边界条件，波传播z方向用完全匹配层。图1a右上角显示入射电磁场波矢量k_z为沿z轴传播平面波，电场和磁场分别沿y轴和x轴极化。图1b显示0.48 THz处有透射峰。

为研究共振峰产生物理机制，仿真共振峰频率下生物传感器表面电流和磁场分布。图2左侧显示入射电磁波沿y轴极化，诱导开口两端电荷振荡形成电偶极子。电荷振荡伴随两圆孔边缘逆向旋转电流振荡，形成一对逆向定向面外磁偶极子。图2右侧显示z轴上一对明显相反磁偶极子首尾相连形成环面偶极子。因此超材料响应主要由电偶极子和环面偶极子组合主导。

因结构参数影响传感器性能，设计过程中需优化结构参数。图3展示结构尺寸变化对透射谱影响。图3a：空心哑铃长度L从290增至298 μm，透射谱共振峰频率从0.48 THz红移。图3b：空心哑铃间隙H从56增至64 μm，共振峰频率蓝移。L和H增加分别使共振峰向低频和高频移动。圆半径R从56至64 μm变化、不锈钢厚度从40至60 μm变化时共振峰位置微变。因此调节空心哑铃长度L和间隙H更易调整超材料生物传感器共振频率。

研究入射角和偏振角对透射谱影响也很重要。电磁波垂直入射，改变入射角和偏振角。角度定义见图4a。入射角为y-z平面θ_i，偏振角为x-y平面θ_p。图4b：入射角0°至15°变化时共振峰频率差仅9 GHz。图4c：偏振角0°至15°增加时共振峰频率差近0 GHz，但共振峰振幅下降约0.1。表明生物传感器对入射角和偏振角变化几乎不敏感，有利实际应用。

为探究生物传感器感知性能，如图5a所示在超材料生物传感器上添加120 μm薄分析物层，随分析物折射率变化仿真不同透射谱（图5b）。RI灵敏度S定义为透射峰位置变化与RI单位之比（S=Δf/Δn）。随分析物RI增加，共振峰频率红移。收集各RI对应共振峰频移，观察到良好线性。图5c拟合结果显示RI灵敏度为294.95 GHz/RIU。

感知性能亦用优值（FOM）量化，定义为：

FOM = S / FWHM

其中S为灵敏度，FWHM为共振峰半高全宽。该生物传感器FOM为4.03。

多数超材料结构用介质材料作衬底。但本文拟议超材料生物传感器基于全金属超材料，全不锈钢设计，空气作衬底。与聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、石英、硅等传统介质材料相比，空气折射率最低。为评价衬底作用，用不同衬底再次仿真计算折射率灵敏度和FOM值。图6显示随衬底RI增加，传感器RI灵敏度和FOM下降。结果表明衬底RI越低传感器感知性能越好。

为进一步探究感知原理，仿真电场分布图（图7）。俯视图和侧视图显示电场能量主要集中在部分不锈钢孔内。因此关键在于确保分析物加入孔内。

表1汇总拟议传感器RI灵敏度和FOM，并与其他报道研究对比。其他THz传感器均基于传统光刻工艺。可见我们设计的不锈钢超材料生物传感器用廉价激光钻孔技术实现优异感知性能。

实验

材料与样品制备

为演示拟议THz超材料传感器生物传感能力，实验进行蛋白质检测。BSA和PBS缓冲液均购自Sigma-Aldrich。BSA溶液用PBS缓冲液（pH=7.4）配制。

图8显示制备超材料生物传感器显微镜图像。传感器整体尺寸12 mm × 12 mm。

配制BSA溶液浓度为0.2、0.5、2.0、4.0 mg/mL。液体沉积法将分析物加至生物传感器表面。每次用移液枪转移150 μL BSA溶液至传感器表面，40°C加热台干燥。40°C加热使蛋白膜形成更快更均匀。更换不同浓度BSA溶液前，不锈钢片放入去离子水超声振荡清洗，确保前序蛋白膜清除、超材料生物传感器表面洁净。图9展示加样干燥过程图片和显微镜图片。图9a不锈钢片清洁；图9b加一种浓度BSA溶液至不锈钢片表面，溶液因水表面张力停留表面未穿透孔隙；加热干燥后形成薄BSA膜（图9c）。

为观察不锈钢孔内情况，切开不锈钢一侧露出孔壁显微镜观察。图9d-g显示BSA溶液滴加干燥后薄层BSA进入不锈钢孔内，主要因孔径远大于BSA蛋白尺寸。证明待检测分析物可进入生物传感器检测灵敏区域，大幅提高超材料生物传感器灵敏度。

光谱测量

所有光谱测量用连续波THz光谱系统（TeraScan 1550, Toptica Photonics AG）。系统含双激光控制（DLC）智能电子模块、两个分布反馈（DFB）激光器、两个光纤耦合InGaAs光混频器、四个90°离轴抛物面镜（图10）。THz波经90°离轴抛物面镜准直聚焦于样品。快速扫描模式下，50-1220 GHz扫描，步长40 MHz，积分时间10 ms获取所有透射谱，减少扫描时间。太赫兹波偏振方向沿哑铃环开口方向。

实验结果与讨论

超材料生物传感器蛋白质检测实验用四浓度BSA溶液。实验全程各组BSA溶液按低到高浓度依次添加。所有测量重复三次。

图11a显示随BSA溶液浓度增加，共振峰频率红移。趋势与仿真结果一致。共振峰强度下降因BSA蛋白吸收太赫兹波。

共振峰频移与BSA溶液浓度关系非线性，生物实验常见。Hill模型可表征超材料生物传感器与生物分子结合能力，故用Hill模型拟合实验数据（图11b）。Hill方程：

Δf = Δf_max · [BSA]ⁿ / {K_D + [BSA]ⁿ}

其中最大峰频移Δf_max为饱和值，[BSA]为BSA溶液浓度，n为Hill系数，K_D为解离常数。

利用图11b拟合曲线计算Hill系数n=0.83，解离常数K_D=2.87 mg/mL。Δf_max约166 GHz，指示饱和浓度下最大峰频移。共振峰频率Hill拟合结果确认实验可靠性和准确性。

生物传感器灵敏度S推导如下：

S = Δf_max / δ_max

其中Δf_max=166 GHz，δ_max为BSA表面密度。δ_max按式（4）确定：

δ_max = M_BSA / (N_A × P_BSA²)

M_BSA=66,430 g/mol为BSA估算分子质量，N_A=6.02×10²³ mol⁻¹为阿伏伽德罗常数，P_BSA=6.96 nm为单个BSA分子平均长度。计算δ_max=2.28 ng/mm²，生物传感器BSA检测灵敏度为72.81 GHz/(ng/mm²)。

Hill模型得K_D显示解离常数与BSA强相关，BSA检测限（LOD）C_lim按式（5）计算：

C_lim = K_D × S_f / (Δf_max - S_f)

其中S_f=2 GHz为光谱分辨率。式（5）显示解离常数越小检测限越低。计算C_lim=0.035 mg/mL。

表2对比本生物传感器BSA感知性能与文献报道。实验最低BSA浓度0.2 mg/mL获得10.8 GHz频移。与文献[45,46,47]相比，相同BSA浓度下获得相对更高频移。Hill公式分析超材料生物传感器数据，计算LOD 0.035 mg/mL显著优于文献[45]。所有结果预示拟议全金属THz超材料生物传感器将在许多生物化学应用中表现优异。

基于不锈钢生物传感器优异感知性能，未来可修饰特异性抗体实现特异性抗原检测。不锈钢生物传感器厚度仅50 μm。随微流控技术和太赫兹光谱发展，未来有望实现体内实时测量。

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，经激光钻孔技术制备。CST电磁仿真软件计算最大RI灵敏度和FOM分别为294.95 GHz/RIU和4.03。连续波THz光谱仪表征样品。实验结果显示BSA分析物溶液检测灵敏度和检测限分别为72.81 GHz/(ng/mm²)和0.035 mg/mL。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、易制备、成本低等优势。研究结果对未来生物分子检测和疾病诊断应用具有重要意义。