柔性超材料吸收器及基于该吸收器的AFB1快速检测方法

柔性超材料吸收器及基于该吸收器的afb1快速检测方法
技术领域
1.本发明属于毒害类物质检测以及超材料传感技术领域，涉及食品中的霉变类毒素检测，特别涉及一种柔性超材料吸收器及基于该吸收器的afb1快速检测方法。


背景技术：

2.黄曲霉毒素b1(aflatoxin b1，afb1)作为黄曲霉的一种代谢产物，分布广、毒性强、危害大，直接抑制人体或动物的免疫系统功能，增加致癌风险，且其热稳定性较好，常规烹调和加热方法不易分解，残留的毒素对人体、动物健康和环境都有较大危害。
3.常用的检测方法有薄层色谱法、液相色谱法、荧光分光光度法等，但这些方法需要专业的检测设备和相对洁净的操作环境，不适用于毒素的现场检测。随着技术进步，又出现了如酶联免疫法、胶体金免疫层析法及生物传感器等用于黄曲霉毒素b1快速、准确、简便的检测方法。这些新型检测方法对设备与环境的要求相对而言较低，但仍存在操作步骤繁琐的问题。
4.随着太赫兹技术的发展，太赫兹时域光谱检测(thz-tds)技术凭借能量低、穿透性强和具有许多物质的指纹谱等优势被越来越多地用于水分含量测定、土壤检测、虫害测量、转基因作物检测、质量控制和掺假检测、作物产量估算等无损检测领域中。针对霉菌及其代谢产物的太赫兹光谱检测方面，已有国内外学者取得丰硕的研究成果，但在实用技术方面尚未成熟，具有较大的应用潜力。尤其在thz超材料传感器的研究中，提高检测灵敏度是亟需开展深入研究的。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种柔性超材料吸收器及基于该吸收器的afb1快速检测方法，采用三层结构，构成了太赫兹超材料吸收器，基于该吸收器，可快速、准确地检测黄曲霉毒素b1的含量。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种柔性超材料吸收器，所述吸收器的主体为密切接触堆叠排列的三层超材料结构，上层为图案层，中间为均匀电介质层，下层为柔性材料层，其中图案层为周期排列的微纳单元，其单元结构为外环与内环嵌套组成的周期结构，其中内环为封闭环，外环为开口谐振环结构。
8.在一个实施例中，所述均匀电介质层覆于柔性材料层上，所述柔性材料层被配置为能够覆于柔性衬底上，所述图案层的主体材料为银，所述均匀电介质层的介质材料为无源非磁性材料，所述柔性材料层的材料为聚乙烯醇。
9.在一个实施例中，所述内环和外环均为微米级尺寸，且开口处和环内材料均为空气。
10.在一个实施例中，所述外环具有两个开口，所述两个开口为尺寸一致的对称结构。
11.在一个实施例中，通过调整所述均匀电介质层的材料和厚度，缓冲所述图案层局
域的电磁波与待测溶液相互作用的耗散程度，以使电磁波在上层与下层之间来回传播耗散，实现完美吸收，其中所述均匀电介质层的材料折射率决定反射峰共振频率，材料厚度决定反射峰强度。
12.在一个实施例中，所述图案层的尺寸参数直接影响所述柔性超材料吸收器的共振频率和模式，其中，随着外环外径的增加，反射峰值随之增加，且反射峰强度逐渐增强，此时电磁波局域在开口环上，电流沿外环外侧的一个开口处流向另一开口位置，且内环的电流方向与外环相反，整体呈偶对称模式；
13.随着外环半径的增大，电场的强度发生波动，在内外环的中间部分电场的强度最小，向开口方向观察电场强度的变化趋势为先增大后减小，且内侧略高于外侧；
14.针对待测物的特征峰位置，通过调整顶层图案参数，包括外环的内外半径、开口宽度、内环半径及图案层的厚度，初步确定其共振位置，随后通过调整所述均匀电介质层的材料和厚度确定吸收器的共振位置和强度。
15.在一个实施例中，所述图案层的厚度为3.5μm，图案参数为：外层开口环外半径为19μm、内半径为16μm、开口环宽度为3μm，内环的外半径8μm、内半径为5μm，晶格常数为50μm，均匀电介质层的厚度为5μm，柔性材料层的厚度为30μm。
16.在一个实施例中，所述吸收器在黄曲霉毒素b1的特征峰值0.3thz、1.1thz和2.0thz位置处激发出反射峰，且在后两个特征峰位置处，存在两种明显不同的共振模态；其中，在1.1thz频率处，入射电场主要局域在环状结构内外两侧，其余部分电磁波溢出集中在内环附近；在2.0thz处，入射波完全集中在外层谐振环的开口处，且电场强度略高于1.1thz处的电场强度。
17.本发明还提供了基于所述柔性超材料吸收器的afb1快速检测方法，包括如下步骤：
18.步骤1：配置不同含量的afb1溶液样本，并将其滴在所述图案层的表面，然后获取吸收器的反射光谱曲线；
19.步骤2：根据不同溶液样本的光谱数据建立所述柔性超材料吸收器在afb1特征峰值1.1thz处的振幅/位置与含量的标准曲线；
20.步骤3：将待测的含有afb1的溶液按照步骤1的操作获取其反射光谱曲线和在1.1thz处的振幅和频率位置，对照所述标准曲线，获得afb1的含量。
21.在一个实施例中，每次滴加待测溶液前，将所述柔性超材料吸收器放入无水乙醇中超声清洗，再放入蒸馏水中超声清洗，之后置于无菌环境中晾干或使用氮气吹干，然后再使用。
22.在一个实施例中，将afb1溶液滴到所述图案层的表面，确保溶剂挥发后再进行后续太赫兹光谱的获取。
23.与现有技术相比，本发明的三层柔性太赫兹超材料吸收器，尤其是特定的表面图案可提供更多的共振模式，并激发出多个共振峰。本发明吸收器可实现低浓度黄曲霉毒素b1含量的快速检测，与传统检测方法相比，该方法的检测限度更低，且标准曲线的相关性高达0.98，准确率高。本发明涉及的吸收器和检测方式可对于该类低浓度液体待测物的检测提供参考。综上，本发明可用于在食品安全、植物保护和农业专用传感器设计等领域。
附图说明
24.图1为本发明三层柔性太赫兹超材料吸收器的结构示意图。
25.图2为本发明吸收器在0.1thz～2.5thz频率范围的反射谱。
26.图3为本发明吸收器在共振峰值处的电场分布图。
27.图4为中间层厚度对吸收器性能的影响。
28.图5为本发明涉及的afb1含量检测方法示意图。
29.图6为本发明提到的频率的偏移量与afb1分析物厚度的标准曲线。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
31.如前所述，太赫兹时域光谱检测(thz-tds)技术虽已在霉菌及其代谢产物的检测中获得了应用，但是仍没有一种能够成熟应用的方案，究其原因，主要是由于在实际应用及国家标准中，待测物的检出限往往较低，因此在太赫兹波段呈现的指纹峰较弱，难以准确检测。尤其在实际应用中，痕量霉菌便可影响食品和人身安全，且霉菌的代谢产物复杂，这导致其检测难度较大，如何稳定提高其检测灵敏度，实现对低浓度霉菌类的快速检测，仍是目前难以解决的问题。
32.基于此，本发明提供了一种柔性超材料吸收器，参考图1，其主体为密切接触堆叠排列的三层超材料结构，自上而下依次为：图案层1、均匀电介质层2和柔性材料层3。
33.其中，图案层1为周期排列的微纳单元，布设于均匀电介质层2上，其单元结构为外环与内环嵌套组成的周期结构，其中内环为封闭环，外环为开口谐振环结构。
34.均匀电介质层2覆于柔性材料层3上，其表面平整。
35.柔性材料层3用于覆于其它的柔性衬底上，可确保整体超材料为柔性可拉伸的，并确保检测时适应检测对象的形状，扩大其应用场景。
36.本发明的设计思路为：
37.通过调整中间均匀电介质层2的材料和厚度，能够缓冲上层图案层1局域的电磁波与待测溶液相互作用的耗散程度，最终使电磁波在上下层之间来回传播耗散，实现完美吸收，其中材料的折射率决定了反射峰共振频率，材料的厚度决定了反射峰强度，通过选择中间层材料和厚度调控太赫兹超材料的反射峰位置和强度。上层图案结构的尺寸参数直接影响结构的共振频率和模式，具体影响规律为：由于内环为封闭环，在高度不变的前提下，内环半径的变化仅影响环内闭合区域的大小，电磁波入射到环内的形式变化较为固定，因此内环半径对结构反射率没有影响。外层谐振环半径对结构反射峰的位置和幅值都有较大影响，随着r1的增加，反射峰值随之增加，且反射峰强度逐渐增强，此时电磁波局域在开口环上，电流沿开口环外侧由一端流向另一端，且内环的电流方向与外环相反，整体呈偶对称模式，因此在该范围内结构反射率的变化趋势更规律。随着外环厚度的增大，电场的强度发生波动，在内外环的中间部分电场的强度最小，向开口方向观察电场强度的变化趋势为先增大后减小，且内侧略高于外侧。可见，上层图案结构的开口环尺寸对超材料吸收器光学性能的影响最为明显。因此针对待测物的特征峰位置，通过调整顶层图案参数初步确定其共振位置，在确保便于加工的前提下，随后通过调整介质层材料和厚度确定吸收器的共振位置和强度，最终实现基于超材料吸收器对待测溶液浓度/含量的精准检测。
38.在本发明的一个实施例中，图案层1的主体材料为银，且其外环开口处和环内材料均为空气。此处环内材料，指的是内环内，以及内外环之间。均匀电介质层2的介质材料为无源非磁性材料，例如al2o3，柔性材料层3的材料为聚乙烯醇。
39.在该实施例中，选择银的原因是由于其可在黄曲霉b1的特征峰位置处产生反射峰。
40.在本发明的一个实施例中，内环(即封闭环)和外环(即开口谐振环)均为微米级尺寸，该范围的参数可使结构的共振集中在太赫兹频率范围，且开口谐振环的半径、开口宽度可调。
41.在本发明的一个具体实施例中，图案层1的阵列形式可以为矩形阵列等多种样式，一种具体的尺寸参数为：厚度h1＝3.5μm，外层开口环外半径r1＝19μm、内半径r2＝16μm、开口环宽度d＝3μm，内环的外半径r3＝8μm、内半径r4＝5μm，晶格常数50μm。均匀电介质层2的材料为al2o3，厚度h2＝5μm。柔性材料层3的材料为聚乙烯醇，厚度h3＝30μm。
42.如图2所示，该实施例中，所述柔性超材料吸收器在0.1thz～2.5thz频率范围的反射率，在0.3thz处存在一个较小的反射峰，在1.1thz和2.0thz处有两个明显的反射峰，振幅分别为0.8和0.92。其中0.3thz、1.1thz和2.0thz为黄曲霉毒素b1的特征峰值，显然该柔性超材料吸收器可在上述三个位置处激发出反射峰，且在后两个特征峰位置处，存在两种明显不同的共振模态。
43.如图3所示，该实施例中，所述超材料吸收器在1.1thz和2.0thz频率处的电场分布，入射电磁波局域在上层结构的外环开口处。在1.1thz频率处，入射电场主要局域在环状结构内外两侧，有部分电磁波溢出集中在内环附近；在2.0thz处，入射波完全集中在外层谐振环的开口处，且电场强度略高于1.1thz处的电场强度。说明本发明提出的太赫兹超材料结构可在黄曲霉b1的吸收峰附近产生对应的吸收峰值，有望放大afb1的特征信号，提高检测限度。
44.如图4所示，本发明超材料吸收器随中间介质层厚度的增加，反射峰位置均向前偏移，偏移量基本维持在0.2thz左右，且峰值幅度呈现下降趋势，降幅约为0.1，且变化趋势基本呈线性偏移。
45.基于该柔性超材料吸收器，本发明实现了afb1的快速检测，检测原理如图5所示，具体检测流程包括：
46.步骤1：配置不同含量的afb1溶液样本，并将其滴在所述柔性超材料吸收器的图案层1的表面，获取其反射光谱曲线。
47.具体地，在本步骤中，可用微量移液枪吸取1ml体积分数为50％的丙三醇—水溶液，沿锥形瓶内壁缓缓注入锥形瓶中，将培养基表面的孢子冲下，轻轻晃动锥形瓶使孢子与丙三醇—水溶液混匀。重复上述过程，直至得到足够的黄曲霉菌孢子悬浮液。使用微量移液枪将悬浮液转移至试管中待用。然后配置0～100ppb范围不同梯度含量的afb1溶液样本，将其滴在太赫兹超材料吸收器表面，放入thz-tds系统(cct-1800)进行光谱测量，检测过程使用谱线模式、透射模块；每个样本在四个不同位置处进行检测，求平均后获取其反射光谱数据。过程中，将afb1溶液滴到柔性超材料吸收器的图案层1的表面后，需确保溶剂挥发，再进行后续太赫兹光谱的获取。
48.步骤2：根据不同溶液样本的光谱数据建立所述柔性超材料吸收器在afb1特征峰
值1.1thz处的振幅/位置与含量的标准曲线。
49.分析不同afb1溶液样本的光谱数据发现，反射峰处的频率偏移较为明显，且与结构本身参数变化对电磁传输特性的影响规律不同。在吸收器表面开始出现afb1分析物时，thz超材料在0.6thz，1.37thz和2thz处存在三处反射峰。随着afb1浓度增加，第一个反射峰出现红移，且幅度逐渐减小，直至消失。afb1分析物浓度继续增加，第二个反射峰位置从1.37thz规律性的红移至0.83thz频率处，且偏移量完全覆盖afb1的一处吸收峰(1.1thz)。尤其是，在1.08thz处由于入射电磁波大量的局域在两端开口环处，少量电场受边界效应的影响集中在内环的两侧，建立超材料吸收器在此处的振幅/位置与含量的标准曲线，该标准曲线如图6所示，其公式表达如下：
50.y＝0.007963x
2-0.1312x 1.247
51.该拟合曲线的相关系数r＝0.9816，均方根误差rmse为0.022。
52.步骤3：将待测的含有afb1的溶液按照步骤1的操作获取其反射光谱曲线和在1.1thz处的振幅和频率位置，对照所述标准曲线，获得afb1的含量。
53.每次检测完，需对太赫兹超材料进行后续处理，即，将该超材料吸收器放入无水乙醇中超声清洗，再放入蒸馏水中超声清洗后，置于无菌环境中晾干或使用氮气吹干备用，以确保没有其他杂质影响后续检测流程。
54.综上，本发明超材料吸收器可在0.1～2.5thz频率范围获得两个明显的共振峰值和模式，基于该吸收器结合太赫兹时域光谱仪，便可实现afb1含量的快速检测，检出限为1.7ppb，远小于国家标准的5ppb。