一种多共振模态融合的太赫兹超材料传感器、检测装置及检测方法

本发明属于材料检测，具体涉及一种多共振模态融合的太赫兹超材料传感器、检测装置及检测方法，应用于微量目标分子的无标记检测。

背景技术：

1、随着精准医疗和生物医学分析技术的发展，对微量目标分子的快速、准确和无标记检测需求不断增加。在临床诊断、治疗药物监测、生物标志物分析以及疾病状态评估等领域，目标分子的浓度变化或特征信息对于疾病诊断、治疗方案优化和健康状态评价具有重要意义。因此，开发具有高灵敏度、高准确性和快速响应能力的微量分子检测技术具有重要应用价值。

2、目前，生物医学领域常用的分子检测方法包括色谱分析、质谱分析、免疫分析及荧光检测等技术。上述方法通常具有较高检测准确性，但存在样品前处理复杂、检测流程较长、依赖标记试剂或难以实现快速无标记分析等问题。因此，发展能够直接响应目标分子特征信息的新型检测技术，对于实现快速、便捷的生物医学分析具有重要意义。

3、太赫兹（terahertz，thz）波位于微波与红外光之间，具有光子能量低、非电离等特点，并能够与物质的介电响应、分子振动以及结构特征产生相互作用。因此，太赫兹技术在无标记生物检测、药物分析和材料表征等领域展现出应用潜力。然而，由于多数生物分子在太赫兹频段的直接电磁响应较弱，传统太赫兹检测技术通常面临信号响应低、检测灵敏度不足等问题。

4、超材料是一类由人工设计微结构单元构成的电磁功能材料。通过改变超材料单元的几何尺寸、空间排列、结构对称性及单元之间的电磁耦合关系，可以调控其在太赫兹频段的电磁共振特性。当待测物加载于超材料单元的电磁场作用区域时，其介电性质变化能够引起共振频率、共振强度等共振响应参数的变化，从而将微量目标分子的介电变化转化为可检测的太赫兹信号。基于此，太赫兹超材料传感技术为微量目标分子的无标记检测提供了有效的信号增强途径。现有太赫兹超材料传感器通常针对单一共振模式进行设计，并主要利用该共振模式产生的频移、强度变化等响应参数进行目标物检测。但该类传感器可提供的检测信息相对有限，在复杂生物样品中，目标物引起的响应可能与样品基质或环境变化产生的响应发生叠加，从而影响检测结果的稳定性和准确性。

5、不同共振模式具有不同的电磁响应特征，利用多种共振模式可以从不同响应维度获取目标物信息，并实现相互补充和交叉表征。但是，多种共振模式并非简单叠加即可实现。多种共振模式的产生依赖于超材料单元的微结构参数、空间排列和电磁耦合关系，模式之间还可能相互影响，导致共振特性难以协同调控。因此，如何在同一超材料单元中实现至少两种具有不同电磁响应特征的共振模式，并进一步使不同共振模式与目标分子的不同太赫兹特征响应区域建立匹配关系，从而联合利用不同模式的响应信息提高目标分子的检测能力，仍是太赫兹超材料传感领域需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种多共振模态融合的太赫兹超材料传感器和太赫兹超材料检测装置。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种多共振模态融合的太赫兹超材料传感器，包括：介质基底以及设置于所述介质基底上的周期性超材料结构阵列；所述超材料结构阵列包含多个超材料单元，所述超材料单元通过几何尺寸、空间排列、结构对称性及电磁耦合关系调控，在太赫兹频段产生至少两种具有不同电磁特性的共振模式；所述至少两种共振模式分别具有对应的共振响应频段，并通过调节所述超材料单元结构参数，使不同共振模式的响应频段分别与目标物在太赫兹频段的一个或多个特征响应区域相对应；通过联合分析不同共振模式所对应的光谱响应，实现目标物的定性和定量检测。

4、作为优选，所述超材料单元包括环链结构以及设置于所述环链结构之间的杆结构；所述环链结构用于形成电流回路并提供等效电感，所述杆结构与所述环链结构之间形成电磁耦合，以构成多共振模态响应结构。

5、作为优选，所述环链结构由多个周期排列的开口矩形金属环组成；每个所述开口矩形金属环包括顶部横梁、侧边梁及底部连接部，并具有开口间隙；相邻所述开口矩形金属环通过所述底部连接部依次连接形成连续环链结构；所述环链结构包括相对设置的上、下环链阵列，所述上、下环链阵列的开口方向均朝向杆结构。

6、作为优选，所述杆结构阵列包括多个相互间隔且平行排列的金属杆；所述金属杆位于上、下环链阵列之间，并与上、下环链阵列分别保持预设间距，且不与任一环链阵列直接连接。

7、作为优选，所述共振模式包括电感-电容lc共振、准连续体束缚态qbic共振以及无辐射偶极态anapole共振中的至少两种；所述lc共振与所述环链结构形成的电流回路以及所述环链结构与杆结构之间的电磁耦合有关，其中，所述环链结构的金属路径形成主要电流回路，其开口区域及环链结构与杆结构之间的耦合间隙产生电容性响应，共同形成lc共振所需的等效电感和等效电容；所述qbic共振由所述超材料单元中环链结构与杆结构之间的空间排列关系形成的整体结构对称性及其破缺状态决定，并通过结构对称性破缺调节所述超材料单元与外部辐射场之间的耦合；所述anapole共振由所述环链结构与杆结构之间的电磁耦合作用产生的电偶极响应和环形偶极响应之间的相消干涉形成。

8、作为优选，所述环链结构的长度、宽度及开口尺寸用于调节电流路径长度、等效电感和等效电容，以调控所述lc共振的共振频率；所述环链结构与杆结构的相对位置、间距及结构参数用于调节所述超材料单元的结构对称性破缺程度；所述杆结构尺寸以及所述杆结构与环链结构之间的耦合距离用于调节电偶极响应和环形偶极响应之间的相消干涉条件，从而调控所述anapole共振。

9、本发明还提供一种太赫兹超材料传感器的检测装置，包括：太赫兹发射模块、所述太赫兹超材料传感器、太赫兹检测模块以及数据分析模块；所述太赫兹发射模块用于发射太赫兹波，激发所述超材料传感器产生与目标物多个特征响应区域对应的多个共振响应；所述太赫兹检测模块用于采集经过所述太赫兹超材料传感器后的透射谱或反射谱；所述数据分析模块用于对所述透射谱或反射谱进行处理，提取并分析共振响应参数，以获得目标物的检测结果。

10、作为优选，所述数据分析模块包括特征提取单元和预测分析单元；所述特征提取单元用于从分别对应目标物不同特征响应区域的多个共振模式响应中提取组合特征参数；所述预测分析单元用于根据所述组合特征参数与目标物参数之间的对应关系输出检测结果；其中，所述组合特征参数包括不同共振模式对应的频率变化量、幅值变化量、模式响应比例、相位信息以及其组合。

11、本发明还提供一种太赫兹超材料传感器的检测方法，包括：

12、s1、将待测样品加载于所述太赫兹超材料传感器；

13、s2、通过太赫兹波对所述太赫兹超材料传感器进行辐射，获取包含多个共振模式的光谱响应；

14、s3、分别提取对应于目标物不同特征响应区域相对应的各共振模式响应参数，并构建组合响应特征；

15、s4、根据所述组合响应特征与目标物浓度或性质参数之间的对应关系，实现目标物检测。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

17、本发明通过环链结构与杆结构的组合设计，并调控结构尺寸、空间间距、结构对称性及电磁耦合关系，使同一超材料单元产生至少两种具有不同电磁响应机制的共振模式。同时，针对目标分子在太赫兹频段的多个特征响应峰，对不同共振模式的共振频段进行协同设计，使不同物理机制产生的共振峰分别对应目标分子的不同特征响应区域，从而实现多共振模式与目标分子多特征响应的匹配。

18、基于上述设计，不同共振模式不仅具有差异化的电磁场分布、表面电流分布及辐射特性，而且分别提供目标分子不同特征响应的信息。通过融合多个共振模式对应的响应参数，可从多个特征维度对目标分子进行表征，降低单一共振峰检测中信息不足和环境干扰带来的影响，提高微量目标分子检测的准确性和可靠性。此外，本发明基于目标分子自身太赫兹特征响应实现无标记检测，无需依赖抗体等特异性识别元件，简化传感器构建过程，并拓展其在药物分子、生物标志物等微量目标物检测中的应用。