有机化合物的检测在工业化学、环境监测和医学检测等多个领域具有重要意义。然而，传统检测方法如色谱法和光谱法存在速度慢、成本高、需要复杂设备和专业人员等局限性，难以满足快速现场检测和连续监测的需求。近年来，基于超表面的传感器因其能够检测极小的化学变化而备受关注，尤其是利用金和银等材料的局域表面等离子体共振效应，进一步提升了传感器的性能。石墨烯的引入则为传感器设计带来了更高的灵敏度和多功能性。

近日，一项关于高灵敏度有机化合物检测的研究成果引起了广泛关注。该研究提出了一种基于石墨烯-金-银超表面传感器的设计与优化方案，能够在太赫兹（THz）频段实现对有机化合物的高灵敏度检测。这项工作不仅为环境监测、生物医学诊断和工业质量控制等领域提供了新的技术手段，也标志着太赫兹传感技术取得了重要进展。

研究内容

图 1 传感器架构的三个视图

从图1的3D结构示意图可见，这款传感器如同一个精密的“纳米级积木系统”：中央是7μm×7μm的方形金谐振器，上方覆盖着由五个矩形银元件组成的Theta形结构（每个矩形长4.1μm、宽1.23μm），外围则环绕着6.24μm×7.24μm的环形耦合器。最关键的是，整个金属结构下方涂覆着一层超薄石墨烯，如同“电子皮肤”覆盖在22μm×22μm的二氧化硅基底上。

图1b的局部放大图清晰显示了材料分布：金色区域（金谐振器）与银色区域（银Theta结构）形成等离子体共振组合，而石墨烯层以透明网格状示意，凸显其高表面积与导电性优势。这种多层结构设计让太赫兹波在传播时与有机分子发生强相互作用，为高灵敏度检测奠定基础。

图 2 离子体共振（SPR）传感器制造过程

图2展示了传感器的“诞生过程”：从清洁二氧化硅基底开始，通过化学气相沉积（CVD）生长石墨烯并转移至基底，再利用电子束蒸发技术沉积金和银薄膜，最后通过光刻与刻蚀工艺形成精确的谐振器图案。图2d的扫描电镜（SEM）图像显示，刻蚀后的金属边缘精度达纳米级，确保了结构的一致性。

在性能测试中发现，当石墨烯化学势（GCP）从0.1 eV增至0.9 eV时，太赫兹波透射率呈现显著下降趋势，尤其在0.31-1 THz频段，透射率从97.969%降至64.174%，证明石墨烯的电学特性可有效调控传感器响应。而线性拟合曲线显示，共振频率与折射率呈强负相关（F=-0.2417 RI+1.0029，R²=98.208%），意味着传感器能通过频率变化精准“感知”折射率的微小波动，其灵敏度高达810 GHz/RIU，检测限低至0.075 RIU。

图 3 实际与预测吸收结果的散点图对比

不同于传统传感器，该研究引入LWLR机器学习算法优化性能。图3的散点图显示，当GCP在0.1-0.9 eV范围内变化时，LWLR模型预测的吸收率与实际值几乎完全吻合，R²值达到1.00，证明算法能精准捕捉复杂物理过程。而不同折射率（1.3256-1.542 RIU）下的预测效果显示：无论有机化合物浓度如何变化，模型都能快速给出准确响应，为实时监测提供了可能。

这款传感器的“用武之地”十分广泛。在环境领域，它可像“水质侦察兵”一样，通过检测污水中有机污染物引起的折射率变化，快速识别烃类、农药等有害物质。在生物医学中，其“无标记检测”特性（太赫兹波无需化学染色即可分析分子）有望用于早期癌症筛查：在0.145 THz共振频率下，传感器表面的电场集中区域（棕色高亮）能增强与生物分子的相互作用，提升检测灵敏度。

该研究团队表示，该技术结合了超表面的光学优势与机器学习的智能分析，为太赫兹传感在食品安全、工业质检等领域的应用开辟了新路径。随着后续优化，这种“纳米级检测平台”未来或可集成到便携设备中，实现现场快速检测。

原文链接：https://doi.org/10.1515/zna-2025-0050