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(biāo)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(jié)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(yīng)用中顯示出巨大的潛力。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，德國杜伊斯堡-埃森大學(xué)（University of Duisburg-Essen）的科研團(tuán)隊(duì)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(dá)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(yuǎn)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(kuò)展到監(jiān)測空氣傳播病原體的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而提供感染前檢測，有效防止病原體傳播。這項(xiàng)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(yuǎn)程檢測的光子晶體

研究人員首先簡要介紹了這項(xiàng)研究所提出的高靈敏度生物分子遠(yuǎn)程檢測方法，如圖1所示。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測功能，可將無線傳感器作為監(jiān)測環(huán)境的地標(biāo)進(jìn)行排布（如圖1a）。圖1b展示了這項(xiàng)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(dǎo)，以及用于無線通信的介質(zhì)諧振器天線（DRA）構(gòu)成。

圖1 用于高靈敏度生物分子遠(yuǎn)程檢測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念

光子晶體諧振器設(shè)計(jì)

隨后，研究人員利用電磁仿真工具CST對諧振器進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(dǎo)耦合，其傳輸功率模擬結(jié)果如圖2a所示。細(xì)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(qiáng)薄膜分析物內(nèi)部的場強(qiáng)，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(jié)果

遠(yuǎn)程讀取設(shè)計(jì)

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(dá)方程，最大讀取范圍會隨著傳感器雷達(dá)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(dá)截面。如圖3a所示，研究人員模擬了由光子晶體波導(dǎo)激發(fā)的DRA遠(yuǎn)場輻射。

圖3 輻射增益的模擬結(jié)果

陶瓷3D打印制造工藝

為了實(shí)現(xiàn)快速原型設(shè)計(jì)并在設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)果，圖6展示了大讀取角度相關(guān)研究結(jié)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(shí)測幅度值及其多項(xiàng)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(xiàng)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(yuǎn)距離無線讀取相結(jié)合。這種方法簡化了設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)非電子無線傳感器的其他方法的報(bào)道，因此這一概念將在分布式無線傳感應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)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(shí)際適用性。

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

審核編輯：劉清