太赫兹(THz)波的光子能量是x射线的光子能量的百万分之一,因此对于生物分子结构的破坏性几乎可以忽略不计。超材料是一种人工构造的电磁材料或结构,具有天然材料所没有的特殊物理性质。超材料的出现为太赫兹器件研发提供了新的思路,基于超材料的太赫兹传感器为太赫兹技术在生物医学领域的应用带来了希望的曙光。超材料太赫兹传感器是一种无标记亲和型传感器,它对表面介电环境的变化特别敏感,因此可用于蛋白质分子、人体组织及药品反应过程等方面的检测。本文运用超材料太赫兹生物传感器对牛血清蛋白浓度分析、宫颈癌组织与正常组织的区分以及肝癌细胞与抗癌药物的反应过程检测等三个方面进行了研究,具体内容如下:1.研究了超材料太赫兹生物传感器的相关理论、制作工艺、设计方法及性能指标,设计了基于四个同频率谐振器的超材料太赫兹传感器及“E”字型超材料太赫兹传感器,并针对其传感性能进行了分析。2.设计并制作了具有四个同频率谐振器的超材料太赫兹传感器,通过在单元结构中激发四个同步LC振荡来实现高灵敏度。使用有限积分方法(FIT)研究几何结构对传感器共振频率的影响,并且模拟的灵敏度为每个折射率单位(RIU)85GHz。在使用表面微加工工艺制造了超材料太赫兹传感器样片后,通过结合牛血清蛋白(BSA)溶液作为分析物与THz时域光谱(TDS)系统进行验证。实验结果表明,当增加BSA溶液的浓度时,共振频率显示出明显的红移。当浓度高达765μmol/L时,频移达到50 GHz,可测量的最低浓度低至1.5μmol/L.该生物传感器具有外形小、可测范围宽、操作方便和检测快速等优点,对快速浓度测量、生物分子检测和疾病诊断等具有重要意义。3.设计并制作了一种“E”字型的超材料太赫兹生物传感器,研究了传感器的传感特性,其模拟的灵敏度可达74GHz/RIU,并且对于小范围的角度偏转不敏感。使用制作出的传感器样片对宫颈癌癌变组织与对应区域正常组织进行了区分。首先使用太赫兹时域光谱系统对多组样本的癌变组织及正常组织进行检测,计算出对应的折射率及吸收系数。通过比较可以看出,折射率基本无法区分两种组织,而吸收系数虽可以区分,但准确率不能保证。因此,本文提出使用超材料太赫兹生物传感器来区分癌变组织与正常组织的方法。实验中,将样本覆盖在传感器表面进行检测,实验结果表明,覆盖正常组织的传感器谐振峰频移量要小于覆盖癌变组织的传感器谐振峰频移量。由此,我们可以根据传感器谐振峰的频移量大小来区分癌变组织与正常组织。这种检测方法的操作流程简单、快捷、高效,检测样本用量少,检测准确率高,对其它癌症的诊断也具有重要的参考意义。4.使用超材料太赫兹生物传感器对肝癌细胞与抗癌药物的反应过程进行了检测。实验选取了两种肝癌细胞和一种正常的肝细胞与两种抗癌药物进行反应,通过传感器谐振峰频移量的变化情况来判断细胞与药物的反应情况及药物浓度对反应过程的影响。结果表明,超材料太赫兹生物传感器用于细胞与药物的反应过程检测是可行的,这一结果对于抗癌药物的用量及药效研究有非常重要的意义。