近年來，病原體監(jiān)測已成為社會和研究的一大挑戰(zhàn)。折射率傳感器引起了研究人員的極大興趣，這種傳感器主要基于分析物與電磁波之間的相互作用，能夠?qū)崿F(xiàn)無標記的快速檢測。此外，電磁波還可用于無線通信。然而，目前的折射率生物傳感器只能在幾厘米范圍內(nèi)被讀取。因此，通過將高靈敏度與無線可讀性相結合，具有高品質(zhì)因子（Q-factor）的太赫茲（THz）光子晶體（PhC）諧振器在無線生物傳感器應用中顯示出巨大的潛力。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，德國杜伊斯堡-埃森大學（University of Duisburg-Essen）的科研團隊提出了一種基于亞太赫茲光子晶體諧振器的無源無線傳感器的創(chuàng)新概念。該傳感器的讀取范圍可達0.9 m，仰角和方位角的接收角度約為90°。研究人員還展示了對亞微米薄膜蛋白作為測試分析物的遠程檢測。這種無線傳感器為非電子、緊湊型和低成本的解決方案提供了新可能性，并且可以擴展到監(jiān)測空氣傳播病原體的無線傳感器網(wǎng)絡，從而提供感染前檢測，有效防止病原體傳播。這項研究成果以“3D printed sub-terahertz photonic crystal for wireless passive biosensing”為主題發(fā)表在Communications Engineering期刊上，通訊作者為Yixiong Zhao和Jan C. Balzer。

用于遠程檢測的光子晶體

研究人員首先簡要介紹了這項研究所提出的高靈敏度生物分子遠程檢測方法，如圖1所示。為了實現(xiàn)遠程檢測功能，可將無線傳感器作為監(jiān)測環(huán)境的地標進行排布（如圖1a）。圖1b展示了這項研究所提出的無線傳感器，由用于傳感的光子晶體狹縫（slot）諧振器、用于能量耦合的光子晶體波導，以及用于無線通信的介質(zhì)諧振器天線（DRA）構成。

圖1 用于高靈敏度生物分子遠程檢測的無線傳感器網(wǎng)絡概念

光子晶體諧振器設計

隨后，研究人員利用電磁仿真工具CST對諧振器進行了設計和優(yōu)化。為了簡化優(yōu)化和分析工作，在模擬仿真中將諧振器與兩個波導耦合，其傳輸功率模擬結果如圖2a所示。細菌和病毒等病原體可以被特異性捕獲，并在傳感器表面形成薄膜。為此，傳感器必須對捕獲病原體的分析物層非常敏感。為了增強薄膜分析物內(nèi)部的場強，在諧振器中間引入了一個狹縫（如圖2a和圖2b）。

圖2 光子晶體諧振器的模擬結果

遠程讀取設計

較大的讀取范圍和讀取角度可使病原體檢測更具靈活性和可靠性。根據(jù)雷達方程，最大讀取范圍會隨著傳感器雷達截面的增大而增加。為了獲得較大的讀取范圍，可通過增加DRA的錐體長度來增大傳感器的雷達截面。如圖3a所示，研究人員模擬了由光子晶體波導激發(fā)的DRA遠場輻射。

圖3 輻射增益的模擬結果

陶瓷3D打印制造工藝

為了實現(xiàn)快速原型設計并在設計中具有最大的自由度，研究人員采用3D打印工藝來制造該傳感器樣品。與微納制造工藝相比，3D打印工藝成本更低、制造少量樣品的時間更短。圖4a展示了3D打印制造的傳感器S027T7、S027T14、S027T21、S030T7、S030T14和S030T21。

圖4 3D打印制造的傳感器樣品

無線讀取能力

無線讀取距離是遙感傳感器的重要篩選標準之一。除了背向散射能量外，大讀取角度也起著重要的作用。大讀取角度確保了即使在非理想入射角下也能可靠讀取傳感器數(shù)據(jù)，從而提高了傳感器的靈活性。圖5展示了反射參數(shù)的數(shù)據(jù)處理結果，圖6展示了大讀取角度相關研究結果。

圖5 測量反射參數(shù)的數(shù)據(jù)處理

圖6 不同錐體長度的實測幅度值及其多項式擬合曲線

無線生物分子傳感

最后，為了表征該傳感器的無線傳感能力，研究人員將傳感器放置在距離喇叭天線0.5 m處，并裝入不同濃度的牛血清白蛋白（BSA），BSA是一種常用于原理驗證實驗的模型蛋白。測量時，將1.5 μL的BSA溶液移液至傳感器狹縫中；干燥后，槽壁上會殘留蛋白質(zhì)層，從而產(chǎn)生共振偏移。實驗結果顯示，通過引入?yún)⒖贾C振器、增加諧振頻率等方式，可顯著提升該傳感器的靈敏度。而具有較高品質(zhì)因子的傳感器在靈敏度和可讀性方面均具有顯著優(yōu)勢。

綜上所述，這項研究提出了一種基于亞太赫茲光子晶體諧振器的無源無線傳感器，該傳感器將對生物分子薄膜的高靈敏度與遠距離無線讀取相結合。這種方法簡化了設計，并使無源傳感器具備緊湊性。與其它的太赫茲傳感器相比，該光子晶體狹縫諧振器具有較高的品質(zhì)因子，因而具有較高的優(yōu)值（FoM）。由于目前還沒有出現(xiàn)實現(xiàn)非電子無線傳感器的其他方法的報道，因此這一概念將在分布式無線傳感應用中發(fā)揮關鍵作用。研究人員未來將致力于提高該傳感器的性能，并考慮其實際適用性。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s44172-024-00213-4

審核編輯：劉清