太赫兹超表面生物传感器：无标记检测氨基酸的前沿技术

氨基酸作为蛋白质的基本构成单元，在众多生理过程及疾病状态中扮演着关键角色。传统的氨基酸检测方法，如色谱法和质谱法，因样品处理复杂、耗时长而难以满足快速精准检测的需求。因此，开发新型、快速、无标记的生物传感技术，以实现高灵敏度、选择性的检测，具有重要的现实意义。

近日，中国科学技术大学联合多国研究团队提出了一种基于太赫兹波段的先进超表面生物传感平台，旨在实现氨基酸的实时、无标记检测。该传感器采用F形谐振器设计，融合了石墨烯、金和银的混合材料体系，并以二氧化硅为基底。通过COMSOL Multiphysics计算机建模，该传感器在0.1THz至0.6THz频率范围内展现出高达1000GHz/RIU的灵敏度以及33.333RIU⁻¹的品质因数（FOM）。

研究内容

图 1 基于F形谐振器的传感器设计示意图

如图1展示了F型谐振器传感器设计的多角度视图，包括三维阵列、单结构三维视图及水平顶视图，清晰呈现了核心传感单元的构造：中央的银质F型谐振器（长9μm、宽1.05μm）借助银的高导电性激发表面等离子体共振；两侧对称分布的金色矩形谐振器（长12μm、宽1.25μm）增强了电磁耦合效率；而石墨烯涂层基底（15.3μm×15.3μm）覆盖于二氧化硅（SiO₂）支撑层（20.4μm×20.4μm，厚1.72μm）之上，通过调节石墨烯化学势（0.1–0.9eV）实现对太赫兹波响应的动态调控。

图 2 传感器制造流程的CAD示意图

图2展示了从基底清洁、石墨烯沉积到金属谐振器刻蚀的传感器制造全流程，凸显了光刻技术与材料沉积工艺的结合，为规模化制造提供了技术路径。

研究还通过石墨烯化学势、入射角、谐振器尺寸等对透射率的影响等实验系统分析了关键参数对传感器性能的调控：

图 3 石墨烯在不同化学势下的透射响应

当化学势从0.1eV增至0.9eV时，透射率最小值从97.77%降至79.995%，共振频率呈现蓝移趋势，证实石墨烯可通过电子结构调控优化光学响应。

图 4 入射角从0°变化到80°时的透射响应

如图4，随着入射角从0°增至80°，传感器透射率显著下降（从81.195%降至41.874%），揭示了角度依赖的电磁耦合机制，为实际应用中样品放置精度提供了数据支撑。

研究团队探究谐振器几何尺寸的变化对透射率的影响后发现，方形基底边长（15–18μm）、F型谐振器长度（7–9μm）及矩形谐振器宽度（0.3–1.2μm）的调整均会导致透射率呈现非单调变化。特别地，当F型谐振器长度为9μm且矩形谐振器宽度为0.6μm时，传感器性能达到最优，这充分印证了结构参数对传感器灵敏度的关键影响。

图 5 堆叠集成机器学习方法的示意图

为了进一步增强生物传感器的性能，研究中引入了堆叠集成机器学习模型（图5）。该模型通过整合多个基学习器的预测结果，并利用元学习器动态确定最优组合策略，从而显著提高了预测精度，实现了跨多个参数的R²分数达100%的最优预测效果。这不仅优化了传感器的设计参数，还提升了其对氨基酸检测的准确性，使其在复杂环境下依然能够保持高精度的检测能力。

研究发现，该传感器在关键性能参数上表现出色，其灵敏度高达1000GHz/RIU，品质因数FOM达到33.333RIU⁻¹，显著优于多数现有太赫兹传感器。这些数据充分证明了该设计在氨基酸检测方面的卓越性能，特别适用于高精度、实时传感应用场景。并且该研究团队进一步展示了其通过调控石墨烯化学势实现二进制光学编码的潜力，为多目标并行检测提供了新思路。

综上所述，这项研究成功设计并优化了一种太赫兹超表面生物传感器，它在氨基酸的实时、无标记检测方面展现出了巨大的潜力。通过融合堆叠集成机器学习模型，该传感器实现了预测精度的飞跃，有望成为生物医学诊断、环境监测和食品安全检测等领域中极具竞争力的新型工具。未来的研究方向将集中在拓展传感器的检测范围、增加针对不同分析物的功能化以及提升实时数据处理能力上，以进一步推动该技术的实用化和普及化。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.physe.2025.116287