一种无标记的太赫兹超材料基底细胞癌检测芯片的制作方法

1.本实用新型涉及了一种基于金双缺口圆环超表面和聚酰亚胺衬底的超材料检测芯片，属于太赫兹超材料传感领域。


背景技术：

2.皮肤癌症是导致死亡的最危险的疾病之一。如果很快发现皮肤癌，就很容易治疗，如果诊断较晚，不仅治疗困难得多，而且还会渗透到身体的其他部位。如今，许多科学家都在寻找诊断早期皮肤癌的方法，这一领域存在发展进步的巨大空间。
3.基底细胞癌是皮肤癌最常见类型之一。临床表现为皮损破溃，结黑色坏死性痂，中心坏死向深部组织扩展蔓延，呈大片状侵袭性坏死，可以深达软组织和骨组织。对人体造成巨大损害，因此对基底细胞癌的检测是十分必要的。
4.超材料是一类人工设计的亚波长结构，能够有效的耦合入射光波，并且把能量束缚在亚波长的局域空间，所以其对外界环境的变化十分敏感，因此在传感领域有很好的应用前景。
5.利用太赫兹波实现传感有很多优势。太赫兹频率的光子能量比x射线小，因此生物组织没有电离和化学损伤的风险。并且太赫兹波对组织中的水分含量、流体成分和可变电导率具有高度敏感性，身体组织中含有大量的水，癌症可以增加癌组织的血液供应，并增加受损组织中的水量，所以利用太赫兹波可以灵敏的检测到两者的差别。此外人体的许多器官在太赫兹范围内都有特征吸收光谱。因此，太赫兹波非常适合生物医学应用。
6.利用超材料和太赫兹波段结合可以进行物质检测，当一束太赫兹波垂直入射到加了检测物质的超材料上，会使超材料原本的谐振峰位置发生偏移，由于检测物质介电常数等电磁特性的差别，不同物质所引起的偏移量是不同的。正常皮肤组织和基底细胞癌组织的电磁特性具有一定差别，因此覆盖正常皮肤组织和基底细胞癌组织后，两者产生的频率偏移量不同。因此当待测细胞组织覆盖到超材料表面后，根据其偏移量的大小或谐振峰的位置，就可以达到无标记检测基底细胞癌组织的效果。这种方法能够降低检测的复杂度，提高检测的精度。
7.2019年1月4日申请的公开号为cn 111413300 a的发明专利——“一种生物标记物在制备用于制备皮肤自荧光检测皮肤癌产品中的方法及其应用”中，将皮肤置于波长在400-700nm范围内的激光下，以激发出皮肤的自荧光，检测皮肤发出的波长在420-800nm范围内的自荧光分布以及强度，将该自荧光的分布以及强度与健康皮肤组织自荧光的分布以及强度比较，判断是否患有皮肤癌以及程度，从而完成基于皮肤自荧光检测皮肤癌的检测方法。2015年10月30日申请的公开号为cn 106636308 a的明专利——“一种检测皮肤癌相关标志物的探针组合及其试剂盒’中，该发明提供所探针组合物包括捕获探针和信号放大组合物，所述的探针组合物能够实现对目标标志物的准确检测，且重复性好，提供的方法采用原位杂交方法，通过级联放大体系提高信号强度，在8h内完成对样品的检测。以上两种发明方法耗时较长，操作较为复杂且设备仪器要求高，相比之下本实用新型操作简单，便于携
带，制备方便且设备要求不高。


技术实现要素：

8.本实用新型创新的设计了一种利用太赫兹波段和超材料技术的无标记检测基底细胞癌的传感芯片，该芯片尺寸小、精度高且检测方便。
9.为了实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
10.所述的基底细胞癌检测芯片由上向下依次为金属超材料层(1)和聚酰亚胺衬底层(2)；所述的金属超材料层(1)由双缺口圆环的单元结构周期性排列而成；当太赫兹光波垂直入射到覆盖有细胞组织的超材料芯片上时，会在1.0586thz和1.4561thz处同时引起透射谷的变化，通过频率偏移不同，就可判断是否为罹患基底细胞癌的组织。
11.所述的金属超材料层(1)的材料是金，其电导率为4.52
×
107s/m；单元结构在x和y方向上的周期尺寸p均为60μm，其单元结构由两个缺口圆环组成，其中内层圆环内径r1为10μm，外径r2为12μm，外层圆环内径r3为14μm，外径r4为16μm，两个圆环在右侧均有宽度为2μm的间隙g。
12.所述的衬底层(2)的材料为聚酰亚胺，介电常数为3.1，厚度t为10μm，形状为长方体。
13.所述的一种无标记的太赫兹超材料基底细胞癌检测芯片的工作频率为0-2thz。
14.与现有技术相比，本实用新型的特色和优势在于：
15.本实用新型在检测时无需标记，当一束太赫兹波垂直入射到加了检测物质的超材料上，超材料的谐振峰位置会发生频率偏移。检测正常皮肤组织和基底细胞癌组织时，谐振峰的频率偏移量是不同的，由此达到无标记检测基底细胞癌组织的效果。这种方法能够降低检测的复杂度，提高检测的精度。
16.本实用新型仿真分析时采用德拜模型表示出正常皮肤组织和基底细胞癌组织的介电常数，来源于2004年applied physics letters上一篇文章文章“simulation of terahertz pulse propagation in biological systems”，定义为其中ε
∞
、εs、ε2、τ1和τ2分别是温度相关的高频介电常数、静态介电常数、中频极限、慢弛豫时间和快弛豫时间。实数部分和虚数部分可以分类如下
17.ε(ω)＝ε
real
(ω)-iε
imaginary
(ω)
[0018][0019][0020]
利用德拜模型表示出正常皮肤组织和基底细胞癌组织的介电常数用于仿真分析，所需参数如下表
[0021]
光学参数正常皮肤基底细胞癌ε
∞
3.44.2εs2540
ε256.2τ1710τ211
[0022]
本实用新型采用超材料技术，结构尺寸小，使得芯片轻巧便携。并且本实用新型的检测灵敏度高，能够做到微量检测。
附图说明
[0023]
图1为本实用新型三维结构图
[0024]
图2为本实用新型单元结构俯视图
[0025]
图3为本实用新型单元结构三维图
[0026]
图4为本实用新型所述芯片覆盖正常皮肤和基底细胞癌后的透射光谱图
[0027]
图5为本实用新型所述芯片第一个峰覆盖正常皮肤和基底细胞癌后的频移图
[0028]
图6为本实用新型所述芯片第二个峰覆盖正常皮肤和基底细胞癌后的频移图
具体实施方式
[0029]
下面结合附图和具体实例，进一步阐述说明本实用新型。
[0030]
如图1所示为本实用新型的三维结构图，由多个单元结构周期性排列组成，其中在x方向和y方向均为周期型排列。
[0031]
如图2的单元结构俯视图和图3单元结构三维图所示，本实用新型该单元结构由两部分组成，上层是金属超材料层(1)，下层是聚酰亚胺衬底层(2)，其单元结构由两个缺口圆环组成，单元结构在x和y方向上的周期尺寸p均为60μm，内层圆环内径r1为10μm，外径r2为12μm，外层圆环内径r3为14μm，外径r4为16μm，两个圆环在右侧均有宽度为2μm的间隙g，衬底层(2)的材料为聚酰亚胺，介电常数为3.1，厚度t为10μm，形状为长方体。
[0032]
本实用新型就是利用该超材料结构和太赫兹波段结合进行基底细胞癌检测，当一束太赫兹波垂直入射到加了检测物质的超材料上，会使超材料原本的谐振峰位置发生偏移，由于检测物质介电常数等电磁特性的差别，不同物质所引起的偏移量是不同的。正常皮肤组织和基底细胞癌组织的电磁特性具有一定差别，因此覆盖正常皮肤组织和基底细胞癌组织后，两者产生的频率偏移量不同。当超材料表面覆盖待测组织后，根据谐振频率偏移量或者谐振峰所在的位置就可以判断出正常皮肤和罹患基底细胞癌的皮肤，由此达到无标记检测基底细胞癌组织的效果。这种方法能够降低检测的复杂度，提高检测的精度。
[0033]
按照上述方法，将一束太赫兹光波垂直射入检测芯片，加入分析物，测试了正常皮肤组织和基底细胞癌组织，从图4的仿真结果中可以看到，随着分析物的改变，透射峰的频率也在发生变化，从正常组织测试变为皮肤癌组织后，透射峰的谐振频率减小，在第一个峰处，加入正常皮肤组织后，谐振频率在0.8302thz处，加入基底细胞癌组织后，谐振频率在0.7783thz处，在第二个峰处，加入正常皮肤组织后，谐振频率在1.1388thz处，加入基底细胞癌组织后，谐振频率在1.0622thz处。
[0034]
图5和图6表明两种分析物引起的频率偏移不同，无论是第一个峰还是第二个峰，基底细胞癌组织都相对于正常皮肤组织发生了频率偏移。因此当加入一种待测组织后，根据两个峰的谐振频率偏移量或者谐振峰所在的位置就可以判断出正常皮肤和罹患基底细
胞癌的皮肤，达到了检测基底细胞癌的目的。