乳腺癌是全球女性健康的重大威胁，每年影响数百万人。早期精准检测对于改善患者预后至关重要，因为早期发现可显著提高生存率。然而，现有的检测方法如乳腺X线摄影、超声、MRI和活检等存在假阳性、辐射暴露、对操作人员技能依赖和患者不适等局限性。因此，开发高灵敏度、非侵入性的诊断技术以在极低水平检测癌症生物标志物成为迫切需求。

近期，中国科学技术大学光学与光学工程系的研究团队提出了一种基于表面等离子共振和机器学习优化的太赫兹石墨烯超表面生物传感器，有望实现早期乳腺癌的无创检测。

研究内容

太赫兹波位于微波和红外辐射之间，在生物成像和传感领域具有独特优势。其非电离特性使其比X射线更安全，可重复用于生物组织分析而不造成细胞损伤。太赫兹波对折射率变化和分子振动高度敏感，能够检测与癌症相关的生物分子signature。

石墨烯具有可调的化学势、高电子迁移率和强光-物质相互作用，是太赫兹生物传感应用的理想材料。当与铁(Fe)超表面结合时，石墨烯可形成混合结构，增强太赫兹范围内的等离子体共振。这种协同作用提高了场约束和可调性，显著提升灵敏度，超越了传统金、银等材料在太赫兹范围的高欧姆损耗限制。 

图 1 传感器设计的三种视图

从图1a-c的传感器设计示意图可见，该装置采用矩形与正方形谐振器的复合阵列结构：16μm×1.1μm和10μm×1.1μm的矩形谐振器表面覆盖氧化铁（Fe₂O₃）层，负责捕捉化学相互作用引起的共振频率偏移；周边两个2μm×2μm的正方形谐振器镀有金（Au）涂层，通过增强电磁耦合提升环境敏感度。整个阵列以17μm×17μm的石墨烯涂层正方形为基座，集成于21μm×21μm的SiO₂衬底上，形成“化学传感-电磁增强-信号传导”的三维协同体系。

图 2 折射率变化对0.1–0.8太赫兹频段内用于乳腺癌检测的传输模式的影响

如图2展示了在0.1-0.8THz频率范围内，不同折射率下传感器的透射率变化：折射率为1.385、1.387、1.399和1.401RIU时，透射率分别在0.509、0.508、0.507和0.506THz处下降，对应下降值为40.038%、40.022%、39.919%和39.902%。图中还显示传感器共振频率可随折射率变化调谐，如出现60GHz的频率偏移（从0.54到0.48THz），表明其能有效响应乳腺癌相关组织特性变化，并且在该频率范围内对折射率变化具有高灵敏度，可检测乳腺癌细胞引起的微小折射率变化。

图 3 折射率变化对0.8–1.0太赫兹频段内用于乳腺癌检测的传输模式的影响

而在0.8-1THz频率范围内，折射率为1.385、1.387、1.399和1.401RIU时，透射率分别在0.935、0.934、0.933和0.932THz处下降至77.778%、77.758%、77.624%和77.603%（图3）。其共振频率可随折射率变化调谐，如出现30GHz的频率偏移（从0.935到0.905THz）。与图2相比，图3体现了传感器在更高频段的检测能力，表明其在广泛频率范围内均能有效检测折射率变化，提升了在乳腺癌检测中的应用潜力。证明了该传感器在两个关键频率范围内对折射率变化的高灵敏度响应，对乳腺癌早期检测意义重大。

局部加权线性回归（LWLR）优化结果后，研究者发现：当石墨烯化学势（GCP）从0.1eV调至0.9eV时，预测吸收值与实际值的R²达100%；入射角在0°-80°范围内变化时，最佳模型同样实现完美拟合。同时，热图分析显示，不同τ值下预测相关性仍保持88%-100%，证明算法对复杂场景的适应性。这种“结构优化+机器学习”的双轮驱动，使传感器在0.1-1THz频段内保持稳定性能。

与现有设计相比，该传感器在1.385-1.401RIU区间的500GHz/RIU灵敏度，显著高于石墨烯基疟疾检测传感器（300GHz/RIU）和Ag基生物传感器（169.37°/RIU）。其采用的石墨烯/Fe₂O₃混合材料，既规避了金/银在太赫兹频段的高欧姆损耗，又通过简化制造工艺提升实用性。

该传感器的高灵敏度和非侵入性使其成为一种极具前景的早期乳腺癌检测工具，有望显著改善乳腺癌的临床诊断效果。这种融合太赫兹光谱、纳米材料与机器学习的跨学科方案，为无创生物检测开辟了新路径。未来的工作将集中在临床验证研究和开发集成的即时检测系统中。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s11468-025-02905-9