对癌症进行早期诊断,并及时治疗对于癌症患者来说非常重要。以乳腺癌为例,现行的诊断方式,如乳腺钼靶X射线摄影检查、超声检测、X射线计算机断层扫描等技术,虽具有一定的成效,但仍存在一定程度的局限性,比如不可避免地创伤损害、耗时较长、性价比不高等。因此,亟需发展一种无标记、高灵敏的无损检测方式,实现癌症的早期诊断。另一方面,利用太赫兹辐射的低光子能量和对生物分子的高度专属特性,在太赫兹波段开展具有新颖结构和优异特性的新型超材料传感器具有制备成本低、微量高效、无标记检测等优点,可以对微量癌症标记物分子进行高灵敏检测和识别。本论文以乳腺癌患者血清中常见的标记物CA125和CEA为研究对象,综合利用太赫兹无损检测和微纳加工技术,结合超薄柔性衬底超材料和生物修饰技术有效提高对目标分子的传感灵敏度和特异选择特性,开展传感芯片设计、加工、修饰、测试与应用于一体的综合研究。该研究具有样品用量少、灵敏度高、测量简单等优势,为乳腺癌患者的早期确诊拓展了道路,同时也为微量生化物质检测打开了一片天地。本文主要工作如下:1.分别采用硅和聚酰亚胺两种物质为衬底,设计了一种单元结构为50μm的三开口环超材料生物传感器;利用CSTMicrowave Studio中的有限元方法进行仿真。结果显示该超材料结构以硅为基底时有两个谐振点,分别出现在0.681 THz和1.629 THz,聚酰亚胺基底只在1.113 THz处有一个谐振点;此外,还模拟了这两种不同基底结构随覆盖物折射率、覆盖物厚度、覆盖粒子的占空比等的变化情况。仿真结果显示:当聚酰亚胺基底上的超材料覆盖物厚度为2μm和4μm时,其灵敏度S分别达到了 157GHz/RIU和198 GHz/RIU;而对于硅基底的超材料,相同条件下最高灵敏度仅出现在高频谐振处,大小为88 GHz/RIU;最后综合仿真数据,给出了 2 μm和4 μm两种不同厚度覆盖物下,覆盖物折射率与超材料谐振点频移量的拟合关系式。2.为了验证上述超材料的传感性能和数值模拟结果,配置了不同浓度的NaCl溶液,并对硅和聚酰亚胺两种不同基底的生物传感器进行了初步实验,以探究其传感性能的可靠性。实验结果显示聚酰亚胺基底的超材料性能明显优于以硅为基底的超材料结构性能,并能有效区分折射率梯度为0.002的覆盖物样品,与模拟结果一致。3.采用3-硫基丙酸、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺磺酸钠盐等物质,对两种基底的超材料分别进行生物修饰。首先将抗体加载到超材料结构表面,其次利用抗原-抗体的特异性结合作用捕获对应抗原,以达到特异性修饰,进而达到超材料生物传感器特异性检测的目的。4.分别将空白超材料、修饰抗体的超材料和修饰抗体+抗原的超材料作为待测样品,对上述两种基底的超材料生物传感器进行实验检测。结果表明,该三开口环结构能有效区分10、20、30、40、50ng/μl五种不同浓度的抗原溶液;随着待测物浓度的升高,传感器谐振频率发生非线性红移。综合实验数据和拟合公式可以实现两种癌症标记物的定性鉴别与定量检测。综上所述,本论文提出的太赫兹超材料生物传感器,能实现对肿瘤标志物CEA和CA125的高灵敏、无标记、高特异性识别与检测,为后期乳腺癌血清或血液中癌症标记物等蛋白质分子的微量识别及早期诊断提供一种无损检测手段。此外该柔性衬底造价低、实验操作简单,从而为太赫兹波段的超材料生物传感器的发展提供了新思路。