石墨烯-超材料微结构器件用于太赫兹波免标记生物分子检测研究

According to the current development and trend of terahertz (THz) technology, as well as the weakness of low sensitivity, limited object types and poor data reliability in life science field application,we propose a topic to realize a label-free detection of biological molecular using terahertz technology, with an efficient combination of graphene-metamaterial microstructure device and designed microfluidic cell. Based on physics, molecular dynamics, molecular biology and chemometrics knowledge, the mechanism of terahertz radiation enhancement due to graphene-metamaterial microstructure device will be extensively intestigated. The influence of the parameters of device structure and device material at different incidence beams on terahertz radiation efficience will be analyzed. The influence of flow velocities and structure parameters of microfluidic cell on biological molecular terahertz spectrum will be studied. And the reasonable cell will be developed. Based on above research, the methods to collect in real time and process biological molecular spectra will also be researched. The method that terahertz spectroscopy is used to analyze biological molecular and their reaction behavior will be developed. At last, the detection system will be optimized and other biological moleculars will be detected for further application. The research will improve the further development of terahertz technology and provide a solid foundation for the large-scale application in the fileds of life science and biomedicine.

针对国内外太赫兹（THz）科学技术发展的现状与趋势，以及太赫兹技术在生命科学领域应用时灵敏度低、适用样品类型受限及数据可靠性差等突出问题，本项目提出利用新型石墨烯-超材料微结构器件与自主研发的微流室，研究太赫兹波免标记生物分子检测的机理和方法的课题。综合利用物理学、分子动力学、分子生物学和化学计量学知识，研究石墨烯-超材料微结构器件增强太赫兹辐射的机理，分析在不同太赫兹波入射条件下微结构器件结构和材料对太赫兹辐射输出效率的影响。研究微流室内流速和结构参数对生物分子的太赫兹波谱的影响，制备理想的微流室，在此基础上，研究生物分子的太赫兹波谱实时获取与处理方法。同时，研究太赫兹波谱解析生物分子及其相互作用行为的方法。最后获得优化的检测系统并扩大应用，实现对其它不同研究对象的检测。本项目研究有助于推进太赫兹科学技术的进一步发展，为其在生命科学及生物医学等领域的广泛应用奠定基础。

本项目针对自由空间传播的太赫兹波检测样品灵敏度低及太赫兹技术在生命科学领域应用时适用样品类型受限及数据可靠性差等突出问题，基于太赫兹时域波谱技术，结合时域有限差分模拟技术、微加工技术、纳米技术和生物传感技术，设计并制备了太赫兹超材料检测样品，探索并建立了一系列快速、高灵敏度的检测方法，为太赫兹波段的精确快速检测提供了新的技术手段。将构建的石墨烯-超材料吸收器异质结构用于检测，显著提高了对甲基毒死蜱的检测灵敏度（检测浓度为0.02 mg L-1），在该异质结构表面上修饰适配体，特异性捕捉凝血酶分子（凝血酶溶液浓度为100 nM），并实现了该异质结构在生物传感领域的应用。利用所构建的石墨烯-超材料吸收器异质结构检测混有甲基毒死蜱的稻谷浸出液及稻米浸出液。结果证实了采用该异质结构可检测出稻谷浸出液中甲基毒死蜱农药残留，有望达到食品安全国家标准的要求。根据理论和实验研究成果，在国外学术期刊和国际会议上发表9篇，其中论文“Aantibiotics discrimination in terahertz spectral database”获得海外华人农业、生物与食品工程师协会“研究生论文竞赛”第五名；授权国际发明专利1项，国家发明专利2项，实用新型专利2项，软件登记1项；通过项目培养博士研究生4名，硕士研究生1名。

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