基于超表面(Metasurface)的太赫兹传感器及其在生物医学领域的应用研究

摘要

太赫兹波光子能量远小于X射线的能量，不会对人体产生电离辐射、安全性好，因此，太赫兹技术在生物医学领域的应用研究成为当前的一个研究热点。由于生物组织含水，水对太赫兹波的吸收很强烈，导致太赫兹波衰减十分严重，这成为太赫兹技术在生物医学领域应用的一大障碍。人工电磁材料（超材料）的出现，特别是超表面的发展，对太赫兹技术在生物医学领域的应用起到了极大的促进作用。因为超表面制作的高灵敏度太赫兹传感器，对表面介电环境的变化十分敏感，可利用这一特性来表征和监测药物反应的特征变化。
　　本研究主要内容包括：⑴研究超表面太赫兹传感器的理论、设计方法、加工方法和传感特性。设计了欧姆环结构、开口环与一字形复合结构两种超表面太赫兹传感器，并用表面微加工工艺制作出了样片。⑵研究超表面太赫兹传感器用于蛋白质与药物反应过程监测。首先，选取罗红霉素、头孢拉定、诺氟沙星和环丙沙星四种药物溶液与牛血清白蛋白溶液进行反应，然后取微量反应溶液滴到传感器表面，用太赫兹时域光谱系统测定反应溶液在不同时间的太赫兹时域透射光谱，根据传感器谐振峰的频移变化来表征反应过程。研究表明，超表面太赫兹传感器可用于监测蛋白质与药物的反应过程，为后续其它蛋白质与药物反应的研究提供了一种新型、高效的方法。⑶研究超表面太赫兹传感器对不同抗生素类药物浓度的检测。选取环丙沙星、罗红霉素和诺氟沙星这三种常见抗生素进行实验，实验发现开口环与一字形复合结构的谐振峰频移量与抗生素浓度大小近似成正比例关系。而且，开口环与一字形复合结构对不同抗生素浓度的敏感程度不完全一样。因此，超表面太赫兹传感器可以实现对不同抗生素类药物浓度的检测。⑷研究将超表面太赫兹生物传感器用于抗癌药与核酸反应过程监测。通过对秋水仙碱和甲氨蝶呤两种抗癌药与核酸的反应过程进行研究,证明了超表面太赫兹传感器用于抗癌药与核酸反应过程监测的可行性。这些研究成果，对处于攻关阶段的抗癌药及其药效研究具有十分重要的意义。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 太赫兹波与超表面简介

1.2 太赫兹超表面研究背景及意义

1.3 太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统

1.4 论文主要内容及组成结构

第二章 基于超表面的太赫兹传感器

2.1 引言

2.2 基于超表面太赫兹传感器的相关理论

2.3 基于超表面太赫兹传感器的结构设计与制作工艺

2.4 基于超表面太赫兹传感器的特性与灵敏度分析

2.5 光学参数提取

2.6 本章小结

第三章 超表面太赫兹传感器用于蛋白质与药物反应过程监测

3.1 研究背景及意义

3.2 实验流程

3.3 本章小结

第四章 超表面太赫兹传感器表征不同抗生素类药物浓度

4.1 引言

4.2 实验流程

4.3 本章小结

第五章 超表面太赫兹传感器用于抗癌药与核酸反应监测

5.1 研究背景及现状

5.2 实验

5.3 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文与研究成果