一种基于多带增强超表面的多功能太赫兹生物传感器

本发明涉及太赫兹波探测，具体而言，涉及一种基于多带增强超表面的多功能太赫兹生物传感器。

背景技术：

1、光谱方法，如红外(ir)吸收、拉曼散射和圆二色性(cd)，在实时和非侵入性地检测生物分子和提取复杂化学信息方面是强大的无标记工具。太赫兹(thz)光谱范围对这些检测方法至关重要，因为它们涵盖了凝聚态物质和生物分子的各种旋转和集体振动频率，这使得能够特异性地识别具有不同化学性质的生物分子。重要的是，生命的所有基本组成部分，如氨基酸、蛋白质和核酸，在该光谱范围内，其光谱的频率、位置、强度和形状不同，即表现出不同和独特的指纹。值得注意的是，在体液介质中，待分析分子的振荡模式会受到多种形式的环境影响，如范德华力、氢键等。对于这种高度显著和广泛存在的现象，使用传统的衰减全反射(atr)和表面等离子体共振(spr)检测技术是非常具有挑战性的。使用对净分析物质量和折射率的传感效应来分析单个分析物的贡献与将它们从整个系统信号中分离相比是困难的。对于涉及多种元素的混合系统中的一般生物过程，区分和监测这种异质混合物的单个成分是生物传感的中心目标。通常，不同的生物分子在太赫兹范围内具有不同的光学响应。此外，在真实场景中，它们以混合物的形式存在，这给区分它们带来了额外的挑战。因此，如何区分痕量待检测物质(异质混合物)中不同的生物分子物种成为需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决上述现有技术或相关技术中存在的技术问题之一，提供了一种基于多带增强超表面的多功能太赫兹生物传感器，能够对生物分子和聚合物特征进行高灵敏度检测。

2、本发明是通过以下技术方案予以实现：一种基于多带增强超表面的多功能太赫兹生物传感器，包括：基底，由低吸收率的透光材料制成；

3、自相似周期金属微天线阵列，集成在基底上表面，以形成多带增强超表面，自相似周期微天线阵列包括多个微天线阵列，每个微天线阵列包括多个不同长度、平行排列的天线结构单元，单个微天线阵列中的天线结构单元具有相同规格，各个微天线阵列之间具有互不相同的天线结构单元；太赫兹发生模块，入射偏振平行于天线长轴的太赫兹光束用作激发光，从底部倾斜入射到基底的底部，并将基底的上表面落在光束焦平面上；太赫兹信号检测模块，接收反射的太赫兹信号，以将覆盖了待检测物的超表面的细微变化反映在太赫兹反射光谱中，生成实时信号；信号分析模块，基于深度神经网络对频域信号进行处理，以识别和定量检测生物分子。

4、在该技术方案中，引入离散不对称性的自相似微天线阵列，这有助于在多个光谱点同时检测不同的分子振动指纹。平行于x方向偏振的太赫兹光束用作入射光，从底部倾斜入射到元传感器上，并将光束焦点与上表面对准。覆盖元传感器表面的分析物的细微变化反映在太赫兹反射光谱中，从而能够识别和定量检测生物分子。可以独立跟踪吸收指纹的时间演变，以区分不同的生物分子物种。采用由周期性排列的微天线阵列组成的多谐振超表面来增强多个特征指纹的近场强度。使用了来自后向入射的入射光，这保证了增强的传感平台易于操作，并最大限度地减少了吸水对thz信号穿透水层的有害影响。允许在水蒸发时原位实时解析l-谷氨酸(l-glu)吸收指纹的动态过程。从反射方法收集微妙的实时信号允许构建深度神经网络，该网络能够在不使用任何外部标签的情况下在同时存在的生物分子之间进行准确的区分。

5、根据本发明提供的基于多带增强超表面的多功能太赫兹生物传感器，优选地，基底材料为聚甲基戊烯tpx。

6、根据本发明提供的基于多带增强超表面的多功能太赫兹生物传感器，优选地，单个天线结构单元沿天线长轴方向的周期为200μm，沿垂直长轴方向的周期为50μm。

7、根据本发明提供的基于多带增强超表面的多功能太赫兹生物传感器，优选地，天线结构单元中的微天线的宽度为5μm，微天线之间的间隙为5μm。

8、根据本发明提供的基于多带增强超表面的多功能太赫兹生物传感器，优选地，天线结构单元中的多个微天线的长度依次递减。

9、根据本发明提供的基于多带增强超表面的多功能太赫兹生物传感器，优选地，微天线阵列共有10个，对应设置10组不同规格的天线结构单元，每个微天线的宽度为5μm，间隔间隙为5μm，每组结构中仅变化了多个微天线的长度参数。

10、根据本发明提供的基于多带增强超表面的多功能太赫兹生物传感器，优选地，深度神经网络分析采用主成分分析法，对不同物质实现不同混合比例的分类，结合多模式深度神经网络，建立了混合分析物比例预测回归模型，输出混合物中所有成分的浓度预测。

11、本发明取得的有益效果至少包括：现有技术基于由多个谐振元件组成的同质阵列，然而，出于多频带感测的目的，这种系统中的谐振通常会降低与较小的谐振特征尺寸相关联的高阶模式的激励效率水平，导致在这些谐振频率下增强的太赫兹吸收性能的退化。此外，不同谐振模式和特征尺寸之间的电磁耦合阻碍了直接频谱调谐。此外，复杂的结构将增加设计和实验处理成本。本发明通过在单个单元内设计多个不对称偶极天线阵列结构来相应地分配不同的谐振频率，从而克服了这三个主要限制。生物分子和聚合物特征可以高灵敏度检测，应用领域包括生物传感和环境监测。本发明通过将深度学习技术与利用反射增强等离子体方法的增强传感相结合，克服了与实验复杂性和训练数据可用性相关的挑战，这代表着在复合生物分析和混合药物应用中高灵敏度生物传感鉴定的一个戏剧性和变革性进展，为基础研究中的神经递质传导或通过过程提供了新的见解。

技术特征：

1.一种基于多带增强超表面的多功能太赫兹生物传感器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于多带增强超表面的多功能太赫兹生物传感器，其特征在于，所述基底的材料为聚甲基戊烯tpx。

3.根据权利要求1所述的基于多带增强超表面的多功能太赫兹生物传感器，其特征在于，单个所述天线结构单元沿天线长轴方向的周期为200μm，沿垂直长轴方向的周期为50μm。

4.根据权利要求3所述的基于多带增强超表面的多功能太赫兹生物传感器，其特征在于，所述天线结构单元中的微天线的宽度为5μm，微天线之间的间隙为5μm。

5.根据权利要求1所述的基于多带增强超表面的多功能太赫兹生物传感器，其特征在于，所述天线结构单元中的多个微天线的长度依次递减。

6.根据权利要求1所述的基于多带增强超表面的多功能太赫兹生物传感器，其特征在于，所述微天线阵列共有10个，对应设置10组不同规格的天线结构单元，每个微天线的宽度为5μm，间隔间隙为5μm，每组结构中仅变化了多个微天线的长度参数。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的基于多带增强超表面的多功能太赫兹生物传感器，其特征在于，深度神经网络分析采用主成分分析法，对不同物质实现不同混合比例的分类，结合多模式深度神经网络，建立了混合分析物比例预测回归模型，输出混合物中所有成分的浓度预测。

技术总结本发明提供了一种基于多带增强超表面的多功能太赫兹生物传感器，涉及太赫兹波探测领域，包括：基底；自相似周期金属微天线阵列，每个微天线阵列包括多个不同长度、平行排列的天线结构单元，单个微天线阵列中的天线结构单元具有相同规格，各个微天线阵列之间具有互不相同的天线结构单元；太赫兹发生模块，入射偏振平行于天线长轴的太赫兹光束用作激发光，从底部倾斜入射到基底的底部，并将基底的上表面落在光束焦平面上；太赫兹信号检测模块，接收反射的太赫兹信号，以将覆盖了待检测物的超表面的细微变化反映在太赫兹反射光谱中；信号分析模块，基于深度神经网络对频域信号进行处理。能够对生物分子和聚合物特征进行高灵敏度检测。技术研发人员：王日德,常超,阮浩,张晓宝,杨霄,江润东,罗志福,刘晓宇受保护的技术使用者：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院技术研发日：技术公布日：2024/10/10