基于超材料的生物分子溶液快速免标签检测技术研究

摘要

传统射频生物传感方案中，传感器件只能检测干燥样本。对细胞等具有生物活性的生物大分子进行烘干处理后，生物活性降低，其电特性发生改变，从而影响最终检测结果。为了在微波频段灵敏检测出生物分子溶液或液体的介电特性，本文提出基于对称超材料元件作为谐振结构的射频生物传感器。首先，介绍了基于超材料结构的射频生物传感器的研究背景。其次，阐述谐振型生物传感器的工作原理、谐振型超材料传输线设计方案及谐振结构和生物溶液结合过程。详细描述有效介质、半波长谐振器、左手介质和超材料传输线四个方面的生物传感器设计的理论基础。通过开环谐振器（split-ring resonator, SRR）或互补开环谐振器（complementary split-ring resonator, CSRR）的纯谐振方法或混合方法耦合可得到多种不同类型的传输线。再次，提出了基于开环谐振器（nested split-ring resonator，nSRR）结构的生物传感器设计方案。仿真验证了被检测溶液的介电常数、厚度及覆盖位置对生物传感器的影响。最后，阐明了新型生物传感器的制备和测量校准过程。生物传感器裸片谐振频率的测试结果与相应的仿真结果相符，从而验证了仿真结果的正确性。开展了聚二甲基硅氧烷（Polydimethysiloxane, PDMS）液体样本测试实验，并与相应的仿真结果进行了比较。
　　综上所述，本文利用阻抗匹配方法，设计出基于对称超材料元件作为谐振结构的射频生物传感器，该生物传感器可用于免标签的生物分子溶液快速检测。生物传感器裸片的实验测试结果与仿真结果符合较好，验证了理论以及设计方案的正确性。通过 PDMS液体样本测试实验，初步证明了生物传感器可以通过测试添加液体前后谐振频率的变化，推测被测生物分子液体或溶液的介电特性。

目录

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致谢

1 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 超材料结构SRR的发展和研究概况

1.3 射频生物传感器的研究概况

1.4 本文主要内容和结构

2 谐振型生物传感器的理论研究

2.1 超材料的理论研究

2.2 谐振型超材料传输线设计

2.3 生物溶液结合过程的理论研究

3 新型生物传感器的研究设计

3.1生物传感器仿真设计

3.2 溶液固定装置设计

3.3 疏水结构设计

4 生物溶液结合传感器分析

4.1 溶液全覆盖谐振结构

4.2 溶液部分覆盖谐振结构分析

5 新型生物传感器制备与实验分析

5.1 射频测量校准系统

5.2 生物传感器的制备

5.3 裸片实验与数据分析

5.4 芯片结合生物溶液检测结果与分析

6 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的主要工作及成果