基於太赫茲超材料技術的生物醫學感測器

《基於太赫茲超材料技術的生物醫學感測器》是依託上海交通大學，由錢大宏擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於太赫茲超材料技術的生物醫學感測器
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：錢大宏
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

超材料是由亞波長結構的金屬元胞通過周期性排列構建的人工電磁材料，它可通過放大倏逝波（又稱衰逝波），增強局域電磁諧振，實現亞波長分辨，從而大大提高感測器的解析度與靈敏度,為感測器的設計提供了新的研究思路。本項目將立足項目組前期在太赫茲超材料及生物醫學儀器研究開發方面的經驗積累，面向生命科學、疾病診斷、食品檢測等領域的重大套用需求，研製低成本、免標記、高分辯率及高靈敏度的太赫茲生物醫學感測器。通過最佳化改進超材料的元胞結構設計，在GaAs 或SiO2襯墊材料獲得適合感測器套用的太赫茲超材料。著重研究超材料電磁諧振，超材料與太赫茲電磁波以及腫瘤細胞、萄萄糖、尿素等生物材料的相互作用機理，獲得高靈敏度、高選擇性的生物醫學感測器。

結題摘要

生物感測器的研究和套用廣泛，但目前一個通常的問題是檢測濃度的靈敏性不夠，而且數據分析方式簡單。目標是設計一個靈敏度高，均一性好，價格低廉的生物感測器用於檢測細胞。 在研究中我們首先設計了一個新型諧振式生物感測器，一個nested split-ring resonator (nSRR)，建立了模型和仿真，製備了SiO2基半導體襯底材料上諧振式微納感測器，並且進行了生物實驗，每次在2.6mm諧振腔內添加PDMS溶液的時候可以觀察到一個頻率的變化。接著在感測器修飾製備過程中，加入戊二醛、Anti-CEA一抗、10 ng/mL CEA 抗原溶液後分別進行掃頻測試，觀察感測器系統諧振時頻寬的變化。發現在電極上修飾不同物質，所對應的頻寬值變化顯著。隨著電極表面修飾的生物化學物質越多，頻寬值變化越大。也就是說，感測器表面狀態的細微變化就能引起感測器系統電容值的變化，使得諧振點的頻率特性也隨之改變。因此，該感測器能夠靈敏地檢測出不同的修飾狀態，能夠檢測出感測器系統細微的變化，具有良好的靈敏度。 另外配製濃度梯度為1，10，100，1000ng/mL的CEA抗原溶液，與固定在電極上的Anti-CEA抗體進行特異性結合反應後感測器系統的回響與頻率頻寬呈線性關係。 我們設計和製備了第二種結合微流控的全對稱3D電容式生物感測器，基於叉指電極結構，但有外環和內環，內圈對應於A電極，外圈對應於B電極。通常情況下，叉指電極感測器的外邊緣電場不均勻。然而，基於完全對稱的三維結構，邊緣電場變得均勻。在感測器內部，細胞附著在任何位置，對電容的影響都是一樣的。同時，由於3D電極有一定的厚度，兩個電極的相對面積也增加了，因此可以獲得較高的電容變化率，從而提高靈敏度。接著在電容式感測器上再覆蓋微流控晶片。實驗結果表明在PBS和MEF溶液中，裸電極和包被電極的回響差異明顯。進一步的實驗得到了電容、頻率、驅動電壓之間多重相關關係的三維圖，顯示了所測得的細胞電容變化量和細胞濃度對數的線性關係。未來，該生物感測器測試採集系統可用於細胞株的耐藥敏感性檢測、細胞分類和細胞生存狀態評價。