一种利用铁磁异质结实现太赫兹生物传感的方法与流程

本发明涉及太赫兹与超快光学技术领域，尤其涉及一种利用铁磁异质结实现太赫兹生物传感的方法。

背景技术：

太赫兹波段是处于低能量的电子学和高能量的光子学之间的过渡频带，这是最后一段被人类了解和认识的电磁波波段，也是目前公认的具备优良特性的电磁波段。20世纪末以来，由于飞秒激光、光电导、光整流等技术的发展，超宽谱太赫兹源及其在时域光谱分析和光谱成像中的应用得到快速发展。近十年来，基于半导体的固态电子学太赫兹源与检测器件、各种太赫兹器件均取得了重大进展。这一特殊的电磁波，具有穿透性强、能量低、频带宽、普遍性高等诸多优点。

太赫兹波具有很高的空间分辨率，相对于x光和可见光有很强的互补特性，因此，太赫兹成像适用于可见光不能透过且x射线成像的对比度不够的场合。由于太赫兹具有的独特性能，太赫兹波在成像技术方面有众多应用，例如非接触式的电子线路缺陷的无损检测、生物医学成像、环境检测、安保检测等方面。在太赫兹成像过程中，通过观测透射或反射得到的太赫兹波获得太赫兹图像，因此，空间分辨率会受太赫兹波源的衍射极限的限制。目前的成像技术由于分辨率和材料等方面的限制，在生物传感成像方面仍然有很多难题尚未解决。因此，需要结合现有的研究成果，探究解决生物传感成像的新方案。

目前已有的太赫兹生物传感器主要有超材料生物传感器。超材料是周期性排列的人工电磁材料，其特殊设计的结构会表现出一些天然材料不具备的特性，例如特殊的电磁特性。超材料生物传感器通过特殊的结构设计，将外界生物分子引起的折射率变化转变化为光信号的变化，能够突破传统传感器分辨率极限，实现无标记检测。然而，超材料的局限性在于其结构与功能的强对应关系，特定结构只能对应特定的吸收峰，因此，超材料的制备过程较为复杂，成本较高。

目前，激光太赫兹发射显微检测(ltem)是一种独特的检测工具，该技术可以突破太赫兹波从毫米到微米尺寸的分辨率限制，广泛用于各种电子材料和设备，包括半导体、高tc超导体(htsc)、巨大的磁阻锰矿和多铁磁性材料，这些材料被飞秒激光照射后会发射太赫兹脉冲。该技术可以直接从飞秒激光脉冲照射的样品中获得太赫兹脉冲，测得辐射的太赫兹辐射图像，从而反映材料和器件的工作状态。该技术的另一个独特特性是其空间分辨率由激光光斑大小决定，而不是由太赫兹波长决定，因此，能达到很高的分辨率。ltem使得研究局部载流子动力学成为可能，由于太赫兹发射特性可以反映这些材料和器件中被局部激发的光载流子的动态运动，因此，ltem可以用于大规模集成电路的检测评估工具。然而，由于辐射太赫兹的原理限制，ltem难以用于对液体和生物分子的检测，因此，要想实现液体和生物传感，需要在ltem的基础上进行改进优化。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种利用铁磁异质结实现太赫兹生物传感的方法，用以突破生物传感检测的难题。

因此，本发明提供了一种利用铁磁异质结实现太赫兹生物传感的方法，包括如下步骤：

s1：在透明基底上沉积w/cofeb/pt三层异质结构的纳米薄膜；

s2：利用磁场对所述w/cofeb/pt三层异质结构的纳米薄膜进行外部磁化；

s3：在磁化后的纳米薄膜的表面滴加水或生物液体；

s4：将滴加有水或生物液体的纳米薄膜固定在太赫兹时域光谱系统中，所述太赫兹时域光谱系统发射飞秒激光，从所述透明基底一侧入射，通过反射发射的方式辐射太赫兹，得到太赫兹的探测值。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述利用铁磁异质结实现太赫兹生物传感的方法中，步骤s2，利用磁场对所述w/cofeb/pt三层异质结构的纳米薄膜进行外部磁化，具体包括：

利用50mt的磁场对厚度为1.8nm/1.8nm/1.8nm的w/cofeb/pt三层异质结构的纳米薄膜进行时长为1min的外部磁化。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述利用铁磁异质结实现太赫兹生物传感的方法中，步骤s3中，所述生物液体为无水乙醇、氯仿以及水和无水乙醇的混合物中的任意一种。

本发明提供的上述利用铁磁异质结实现太赫兹生物传感的方法，通过发射太赫兹的调控现象，可以实现对水分子或生物分子的检测，解决生物传感的难题。使用成熟的太赫兹时域光谱系统即可完成检测，实现原理简单，并且，检测样品体积小，可以节省材料，降低成本，还能保证性能牢固稳定，可以做成便携化插件，与现有的超材料方案相比，可以极大地降低实验成本。检测样品的空间分辨率由入射光斑的大小决定，可以突破太赫兹的衍射极限，有效提高分辨率。基于磁性纳米薄膜的自旋太赫兹辐射源拥有极高的效率，仅仅5nm左右的薄膜，产生太赫兹的效率可与传统znte晶体比拟。

附图说明

图1为本发明提供的一种利用铁磁异质结实现太赫兹生物传感的方法的流程图；

图2为本发明基于磁化后的w/cofeb/pt三层异质结构的纳米薄膜实现生物传感检测的示意图；

图3为磁化后的w/cofeb/pt三层异质结构的纳米薄膜的方位角示意图；

图4为太赫兹时域光谱系统的结构示意图；

图5为磁化后的w/cofeb/pt三层异质结构的纳米薄膜密封水分子前后的太赫兹时域信号图；

图6为磁化后的w/cofeb/pt三层异质结构的纳米薄膜密封水分子前后的太赫兹频谱图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。

本发明提供的一种利用铁磁异质结实现太赫兹生物传感的方法，如图1所示，包括如下步骤：

s1：在透明基底上沉积w/cofeb/pt三层异质结构的纳米薄膜；

具体地，可以通过磁控溅射方法在1mm厚的玻璃基板上沉积w/cofeb/pt三层异质结构的纳米薄膜；

s2：利用磁场对w/cofeb/pt三层异质结构的纳米薄膜进行外部磁化；磁化可以促使纳米薄膜在飞秒激光的作用下辐射太赫兹；

s3：在磁化后的纳米薄膜的表面滴加水或生物液体；

具体地，通过在磁化后的纳米薄膜的表面密封水分子或不同的生物分子，可以实现对反射发射太赫兹的调控；

s4：将滴加有水或生物液体的纳米薄膜固定在太赫兹时域光谱系统中，太赫兹时域光谱系统发射飞秒激光，从透明基底一侧入射(如图2所示)，通过反射发射的方式辐射太赫兹，得到太赫兹的探测值；这样，通过发射太赫兹的调控现象，可以实现对水分子或生物分子的检测，解决生物传感的难题。

本发明提供的上述利用铁磁异质结实现太赫兹生物传感的方法，基于超快飞秒激光技术和自旋太赫兹源的发射特性，利用反射发射的性质，研究在磁化后的w/cofeb/pt三层异质结构的纳米薄膜背面的生化反应对太赫兹发射谱的修饰，从而实现无损检测，突破生物传感检测的难题。

在具体实施时，在本发明提供的上述利用铁磁异质结实现太赫兹生物传感的方法中，通过对纳米薄膜的厚度进行优化，可以提高太赫兹的发射效率。本发明使用的w/cofeb/pt三层异质结构的纳米薄膜的最佳厚度为1.8nm/1.8nm/1.8nm。当然，厚度为1.5nm/2.2nm/1.5nm的w/cofeb/pt三层异质结构的纳米薄膜，或者厚度为1.8nm/2.0nm/1.8nm的w/cofeb/pt三层异质结构的纳米薄膜，或者厚度为1.8nm/2.2nm/1.8nm的w/cofeb/pt三层异质结构的纳米薄膜，也能达到相近的发射效率，在此不做限定。

在具体实施时，在本发明提供的上述利用铁磁异质结实现太赫兹生物传感的方法中，步骤s2，利用磁场对w/cofeb/pt三层异质结构的纳米薄膜进行外部磁化，具体可以通过以下方式实现：利用50mt的磁场对厚度为1.8nm/1.8nm/1.8nm的w/cofeb/pt三层异质结构的纳米薄膜进行时长为1min的外部磁化。

需要说明的是，在本发明提供的上述利用铁磁异质结实现太赫兹生物传感的方法中，可以通过以下方式验证外部磁化的可行性：将滴加有水或生物液体的纳米薄膜固定在太赫兹时域光谱系统中后，如图3所示，在垂直入射面内旋转纳米薄膜，改变纳米薄膜的方位角发射太赫兹极性也随之旋转，且在固定方向的投影值随方位角变化呈正弦函数变化趋势，根据逆自旋霍尔效应，验证了外部磁化的可行性。

在具体实施时，在本发明提供的上述利用铁磁异质结实现太赫兹生物传感的方法的步骤s3中，生物液体可以为无水乙醇；或者，生物液体也可以为氯仿；或者，生物液体还可以为水和无水乙醇的混合物；或者，生物液体还可以为其他含有生物分子的液体，在此不做限定。

在具体实施时，在本发明提供的上述利用铁磁异质结实现太赫兹生物传感的方法中，步骤s4中，利用太赫兹时域光谱系统进行检测时，通过优化反射发射的入射角，得到了斜入射时发射效率与入射角的依赖关系，反射发射的辐射效率随入射角的增大而增大，然而，由于装置限制，入射角不能过大，在45°入射角条件下进行测试，便于调整其他光学器件的角度，因此，得到了最优化的入射角45°。

在具体实施时，在本发明提供的上述利用铁磁异质结实现太赫兹生物传感的方法中的步骤s4中，使用太赫兹时域光谱系统进行检测。太赫兹时域光谱系统采用脉冲宽度为100fs，重复频率为80mhz的商用钛宝石激光振荡器作为泵浦光源。检测样品为石英玻璃衬底上的w/cofeb/pt三层异质结构的纳米薄膜。利用磁场对样品进行外部磁化后，在样品表面滴加水或生物液体，之后将样品固定在太赫兹时域光谱系统中，如图4所示，激光器发射的激光分为泵浦光l1和探测光l2，泵浦光l1通过抛面镜p1和p2准直聚焦到样品s上，通过反射发射的方式辐射太赫兹，产生的太赫兹信号经过一系列反射镜m1～m5和抛面镜p4、p5，与探测光l2一起聚焦到znte晶体上，从而使探测光l2产生轻微椭圆极化，再经过1/4玻片qwp和沃拉斯顿棱镜w将椭圆偏振光转化为两个线偏振光，传播至探测器d进行电光采样，从而得到太赫兹的探测值。

在磁化后的w/cofeb/pt三层异质结构的纳米薄膜表面密封水后，如图5所示，太赫兹时域信号产生明显的增强和时间移动，如图6所示，对应的太赫兹频谱的特征峰发生了变化，证明了水分子对太赫兹辐射的调控现象。对于不同的生物分子，可以在太赫兹波形的时域上得到不同的强度变化和时间移动，同时也可测得不同的频谱特征，当改变附着的分子时，可以得到一系列不同的特征参数，通过比对特征参数，可以实现对不同物质的检测，从而为生物传感提供了有效的方法。

本发明提供的上述利用铁磁异质结实现太赫兹生物传感的方法，通过发射太赫兹的调控现象，可以实现对水分子或生物分子的检测，解决生物传感的难题。使用成熟的太赫兹时域光谱系统即可完成检测，实现原理简单，并且，检测样品体积小，可以节省材料，降低成本，还能保证性能牢固稳定，可以做成便携化插件，与现有的超材料方案相比，可以极大地降低实验成本。检测样品的空间分辨率由入射光斑的大小决定，可以突破太赫兹的衍射极限，有效提高分辨率。基于磁性纳米薄膜的自旋太赫兹辐射源拥有极高的效率，仅仅5nm左右的薄膜，产生太赫兹的效率可与传统znte晶体比拟。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。