【摘 要】
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太赫兹拥有的低能性、生物分子指纹谱等独特性质使其在生物医学方面有着巨大的应用潜力,然而,由于太赫兹与传统材料制作的器件的相互作用较弱,难以实现生物样品的高灵敏探测。相比之下,超材料制作的太赫兹传感器件与电磁波的相互作用更强,有助于提高太赫兹探测的灵敏度。同时,随着微流控技术在太赫兹领域的应用,微流控与超材料结合的太赫兹传感器为实现太赫兹高灵敏检测提供了新思路,但是低灵敏度和Q值无法满足许多实际应用
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太赫兹拥有的低能性、生物分子指纹谱等独特性质使其在生物医学方面有着巨大的应用潜力,然而,由于太赫兹与传统材料制作的器件的相互作用较弱,难以实现生物样品的高灵敏探测。相比之下,超材料制作的太赫兹传感器件与电磁波的相互作用更强,有助于提高太赫兹探测的灵敏度。同时,随着微流控技术在太赫兹领域的应用,微流控与超材料结合的太赫兹传感器为实现太赫兹高灵敏检测提供了新思路,但是低灵敏度和Q值无法满足许多实际应用的需求。本文以高Q、高灵敏的太赫兹生物传感器为研究目标,在超材料吸收器的理论基础上使用电磁仿真软件CST进行了数值仿真研究和实验测试:（1）提出了三种基于平面谐振结构的太赫兹生物传感器。第一种传感器通过Z型金属棒的旋转叠加增强了单元结构电场从而激发偶极子谐振,在0.66 THz处产生Q值高达50.77的吸收峰,灵敏度为184 GHz/RIU,可实现乙醇溶液浓度和番茄DNA的区分。第二种传感器将圆环和双I交叉结构组合从而产生两个偶极子谐振激发的吸收峰,灵敏度可达300 GHz/RIU,可有效区分禽流感病毒亚型和牛血清白蛋白溶液浓度。第三种传感器由于谐振环中不对称开口的引入在激发偶极子谐振的同时产生Fano谐振,在0.2～1.6 THz频段出现了四个吸收峰,灵敏度最高为356.6 GHz/RIU,通过番茄DNA和牛血清白蛋白溶液的模拟光谱得到的折射率推算值相较于前两种传感器的推算值更接近于实际。（2）提出了一种基于三维双I型谐振结构的太赫兹生物传感器。当入射磁场分量垂直于立体双I型结构时激发了LC谐振,产生Q值高达72的吸收峰,灵敏度最高可达832 GHz/RIU。对比于平面结构传感器,其在Q值和灵敏度方面具有明显的优势,得到的番茄DNA折射率推算值与实际误差仅为0.009。（3）通过微纳加工工艺对部分基于平面谐振结构的太赫兹生物传感器进行了加工制备,在反射式太赫兹时域光谱系统中使用不同浓度的乙醇溶液进行了测试。实验结果证明加工的传感器可有效区分0%～100%的乙醇溶液,也可推广至其他混合溶液的检测。
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