水生细菌污染是全球性难题，传统检测方法存在诸多不足，促使科学家寻找更高效、灵敏的技术。太赫兹光谱技术凭借其独特优势脱颖而出，它利用生物分子的介电特性，在太赫兹频段实现细菌的精确检测，且其非电离特性保证了检测的安全性和非破坏性，非常适合水质监测。表面等离子体共振（SPR）技术可实时检测生物分子相互作用，通过测量折射率变化实现无标记检测。超表面技术则通过精准操控电磁波，进一步提升了传感器性能。

近期，《Plasmonics》期刊发表的一项研究揭示了一款集成石墨烯与钙钛矿超表面的太赫兹生物传感器，其通过多维度模拟与实验验证，实现了水borne细菌的高灵敏检测。研究团队同步公开的系列图片直观展示了传感器结构设计、电磁场分布及检测机制，为太赫兹传感技术的实际应用提供了可视化依据。

研究内容 

图 1 传感器设计的不同视图

如图1（A-C）所示，传感器采用“同心圆环-方形层”嵌套结构：内层为三层同心圆形钙钛矿（CH₃NH₃PbI₃）结构，半径分别为4.5μm、12μm和14μm，置于1.8μm厚的SiO₂基底上，构成太赫兹波共振的核心框架；外层为边长16μm的石墨烯方形结构（T₂），通过化学气相沉积（CVD）制备，其化学势可调，实现对太赫兹波的动态响应；20μm×1.8μm的SiO₂基底提供机械支撑并确保太赫兹波的高透过率。这种结构设计在图1中以立体视角清晰呈现，展现了钙钛矿与石墨烯的空间耦合关系，为电磁场增强奠定了基础。

研究发现，当石墨烯化学势从0.1eV增至0.9eV时，0.5THz处的透射率从98.65%逐步下降，证明化学势可有效调节材料对太赫兹波的吸收效率。并且，入射角度从0°增至80°时，透射率降幅仅3.38%，证实传感器在宽角度范围内仍保持稳定响应，适配复杂检测场景。

图 2 生物传感器在三个不同频率下的电磁场分布模式

而图2的电磁场分布可视化结果进一步揭示了传感机理：在0.5THz时，传感器结构内出现明显的棕色高亮区域，表明此处电场强度集中，形成强共振效应；相比之下，0.45THz和0.55THz时的蓝色区域则显示场分布较弱，验证了0.5THz为最佳工作频段。

图 3 水生细菌的检测

图3的实验数据图直观呈现了传感器对水borne细菌的响应：当折射率从1.33增至1.3921时，共振频率从0.518THz移至0.504THz，对应透射率下降约0.53%，且频率偏移与折射率变化呈线性关系。结合性能参数，该传感器实现了0.146RIU的检测限与638GHz/RIU的灵敏度，较其他石墨烯基传感器（如500GHz/RIU的水溶液检测传感器）性能提升显著。

该传感器通过光刻、等离子体刻蚀等工艺实现多层结构集成，为规模化生产提供了技术路径。研究团队指出，未来可结合电磁场优化策略，进一步集成微流控系统，实现细菌检测的自动化与高通量——这一愿景在环境监测、饮用水安全预警等领域具有直接应用价值。

该研究通过结构示意图、性能曲线与电磁场模拟图的多维度呈现，构建了从理论设计到实验验证的完整证据链。这些可视化成果不仅揭示了石墨烯-钙钛矿超表面在太赫兹传感中的协同机制，更为下一代无标记生物检测技术提供了可借鉴的“图像化”解决方案。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s11468-025-02948-y