太赫兹超材料生物传感器、用于检测生物靶标的试剂盒和系统及检测方法

本技术涉及生物靶标检测领域，具体涉及太赫兹超材料生物传感器、用于检测生物靶标的试剂盒和系统及检测方法。

背景技术：

1、太赫兹波是频率介于0.1thz~10thz之间的电磁波，具有光子能量低、无电离辐射、可穿透非极性材料及能够反映生物大分子振动信息等特点，在生物医学检测领域具有广阔应用前景。然而，由于自由空间太赫兹波长较长，其与纳米尺度生物颗粒之间相互作用较弱，导致传统太赫兹检测方法存在灵敏度较低、检测下限较高等问题，难以满足低浓度微量生物样品的检测需求。

2、超材料凭借其亚波长人工周期结构所产生的局域电场增强效应，可显著提高太赫兹波与待测生物样品之间的相互作用，为提高检测灵敏度提供了新的技术途径。但是目前太赫兹超材料生物传感器多数仍采用待测样品直接吸附于超材料表面的检测方式，缺乏针对生物靶标的特异性识别能力，容易受到复杂生物基质及非特异吸附的影响，从而降低检测准确性及重复性。

3、在临床诊断与生物医学领域，对微量生物靶标进行快速无标记检测具有重大需求。以生物微囊泡（如外泌体exosomes）检测为例，肿瘤细胞释放的外泌体与其增殖、迁移及免疫逃逸密切相关，已成为癌症液体活检的重要新型靶标。其中，上皮细胞粘附分子（epcam）是一种典型的跨膜糖蛋白，在绝大多数上皮癌源性恶性肿瘤（包括乳腺癌、胃癌、结直肠癌、肺癌等）释放的外泌体表面均呈现高度普适性过表达，而在正常健康细胞分泌的外泌体表面通常低表达或不表达。然而，目前外泌体检测方法主要包括透射电子显微镜（tem）、纳米颗粒跟踪分析（nta）、酶联免疫吸附测定（elisa）、聚合酶链式反应（pcr）、流式细胞术、电化学生物传感、荧光检测以及表面等离子体共振（spr）等。上述方法虽然能够实现外泌体检测，但普遍存在检测流程复杂、检测周期长、检测成本较高、依赖荧光或酶标记、检测稳定性不足等问题，难以满足对生物靶标快速、高灵敏及无标记检测的需求。

4、现有的太赫兹超材料生物传感器主要采用直接将待测生物液体滴加在金属或介质超材料表面，待样品加热或自然干燥后，利用太赫兹光谱仪测量其谐振峰的频移。传统超材料多数采用物理直接吸附，传感器无法区分目标生物分子与复杂生物基质中的杂质（如体液中的非目标蛋白质、细胞碎片等）。非特异性吸附会导致严重的虚假信号和背景噪声，极大地降低了检测的准确性及批次重复性。并且，太赫兹超材料生物传感器对于纳米级生物微囊泡也存在着灵敏度较低、检测下限较高等问题，制约其在生物微囊泡领域中的应用。

技术实现思路

1、本技术旨在至少在一定程度上解决现有技术中存在的技术问题。为此，本技术提出了太赫兹超材料生物传感器、含有其的试剂盒和系统及其应用和检测生物靶标的方法，利用本技术的太赫兹超材料生物传感器可以实现生物靶标的高灵敏、高特异性、快响应且无标记检测。

2、在本技术的一个方面，本技术提出了一种太赫兹超材料生物传感器。根据本技术的实施例，所述太赫兹超材料生物传感器包括：基底；超材料结构层，所述超材料结构层设置于所述基底表面，所述超材料结构层包括多个周期性阵列排布的单元结构，每个所述单元结构包括同心且开口方向相同的外环状部件和内环状部件；以及功能化识别层，所述功能化识别层设置于所述超材料结构层表面以及所述基底未被所述超材料结构层覆盖的裸露表面，所述功能化识别层含有用于特异性识别待测生物靶标的识别分子。

3、本技术太赫兹超材料生物传感器的超材料结构层中设置有阵列排布的多个单元结构，该单元结构包含同心且开口方向相同的外环状部件和内环状部件，该双环结构产生的近场电场增强区域与识别区域（功能化识别层+待测生物靶标）的空间厚度相匹配，提高微量生物靶标的太赫兹检测灵敏度，尤其适用于生物微囊泡，如外泌体。并且，在基底表面未形成超材料结构层的裸露区域和超材料结构层表面修饰生物功能化识别层，能够特异性地结合生物靶标，避免受到基质干扰，构建高特异性捕获能力的生物功能化传感界面，从而提高太赫兹波与生物靶标之间的相互作用，实现靶标的高灵敏检测。

4、根据本技术的实施例，上述太赫兹超材料生物传感器还可以具有下列附加技术特征至少之一：

5、根据本技术的实施例，所述外环状部件和内环状部件的横截面为正方形开口环。

6、根据本技术的实施例，所述外环状部件和内环状部件的材料包括金、银、铜、铬的至少一种，优选地，所述外环状部件和内环状部件分别包括金层和铬层，所述金层设置于所述铬层远离所述基底层一侧表面。

7、根据本技术的实施例，所述外环状部件的边长为80 μm~85 μm。

8、根据本技术的实施例，所述内环状部件的边长为70 μm~75 μm。

9、根据本技术的实施例，所述外环状部件和内环状部件的开口处长度分别独立地为5 μm~10 μm，优选地，所述外环状部件和内环状部件的开口处长度相同。

10、根据本技术的实施例，所述外环状部件和内环状部件的线宽分别独立地为5 μm~10 μm，优选地，所述外环状部件和内环状部件的线宽相同。

11、根据本技术的实施例，所述外环状部件和内环状部件的最小间距为5 μm~10 μm。

12、根据本技术的实施例，相邻两个所述单元结构的外环状部件的最小间距为15 μm~20 μm。

13、根据本技术的实施例，所述超材料结构层的厚度为50 nm~150 nm。

14、根据本技术的实施例，所述基底的厚度为450 μm~550 μm。

15、根据本技术的实施例，所述识别分子包括：抗体、探针、核酸适配体和多肽中的至少一种。

16、根据本技术的实施例，所述识别分子包括抗epcam抗体，所述待测生物靶标包括生物微囊泡，优选外泌体。

17、根据本技术的实施例，所述功能化识别层包括：

18、氨基化修饰层，所述氨基化修饰层设置于所述基底朝向所述超材料结构层的表面且覆盖所述超材料结构层；

19、交联层，所述交联层设置于所述氨基化修饰层远离所述基底的一侧表面；

20、识别分子层，所述识别分子层设置于所述交联层远离所述基底的一侧表面，所述识别分子层含有所述识别分子。

21、根据本技术的实施例，所述氨基化修饰层含有硅烷偶联剂。

22、根据本技术的实施例，所述交联层含有戊二醛。

23、根据本技术的实施例，所述功能化识别层进一步包括封闭层，所述封闭层设置于所述识别分子层中不含有所述识别分子的至少部分区域。

24、根据本技术的实施例，所述封闭层含有牛血清白蛋白。

25、根据本技术的实施例，所述基底包括：石英、硅、砷化镓、聚酰亚胺或聚甲基戊烯中的任一种。

26、根据本技术的实施例，所述太赫兹超材料生物传感器的响应波段为太赫兹波段。

27、在本技术的另一方面，本技术提出了一种制备前面所述太赫兹超材料生物传感器的方法。根据本技术的实施例，所述方法包括：在基底表面形成超材料结构层；在所述基底朝向所述超材料结构层的一侧表面和所述超材料结构层表面形成功能化识别层，得到所述太赫兹超材料生物传感器。

28、根据本技术的实施例，形成所述功能化识别层的方法包括：对所述超材料结构层进行活化处理；在活化处理后的表面形成所述氨基化修饰层；在所述氨基化修饰层表面形成所述交联层；在所述交联层表面固定识别分子，形成所述识别分子层。

29、根据本技术的实施例，在所述交联层表面固定识别分子之后，还包括：在所述识别分子层未被所述识别分子占据的区域形成封闭层。

30、根据本技术的实施例，形成所述功能化识别层的方法包括：利用等离子体将所述超材料结构层进行活化处理；将所述活化处理后的超材料结构层置于含有硅烷偶联剂的无水乙醇中，密闭避光反应25~30 min，反应结束后用无水乙醇冲洗后放入烘干装置中于105℃~110℃退火35~40min，退火后自然冷却，形成氨基化修饰层；将交联剂溶液滴加到所述氨基化修饰层表面，室温静置密闭避光反应60~70min，形成交联层；将含有所述识别分子的溶液滴加到所述交联层表面，密闭避光于2~6℃静置13~20 h，清洗和干燥，再将封闭剂溶液滴加到所述交联层表面，常温密闭避光反应45 min~50 min，清洗和干燥，形成所述识别分子层，得到所述功能化识别层。

31、根据本技术的实施例，所述交联剂溶液含有戊二醛，所述封闭剂溶液含有牛血清白蛋白。

32、在本技术的又一方面，本技术提出了一种用于检测生物靶标的试剂盒或系统。根据本技术的实施例，所述试剂盒或系统包括：前面所述太赫兹超材料生物传感器。

33、根据本技术的实施例，所述系统进一步包括：太赫兹频域光谱检测装置。

34、在本技术的又一方面，本技术提出了前面所述太赫兹超材料生物传感器在制备试剂盒或系统中的应用，所述试剂盒或系统用于检测生物靶标。

35、根据本技术的实施例，所述生物靶标包括生物微囊泡，优选包括外泌体。

36、在本技术的又一方面，本技术提出了一种利用前面所述太赫兹超材料生物传感器检测生物靶标的方法。根据本技术的实施例，所述方法包括：将待测样品与所述太赫兹超材料生物传感器的功能化识别层接触，孵育，使待测样品中的生物靶标与所述识别分子发生特异性结合；对孵育后的所述太赫兹超材料生物传感器表面进行清洗；采用太赫兹频域光谱检测装置分别检测所述待测样品接触之前和清洗后的所述太赫兹超材料生物传感器，采集相应的太赫兹光谱；将所述接触之前和清洗后的太赫兹谐振频率偏移量进行分析，确定所述待测样品中生物靶标的浓度。

37、根据本技术的实施例，所述生物靶标包括生物微囊泡，优选包括外泌体，所述识别分子包括抗epcam抗体。

38、本技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。