方興未艾的太赫茲生物醫學傳感器

趙振宇 張雪蓮

摘要：太赫茲生物醫學傳感器在當前研究中屬于一個熱點，其工作原理主要依托人工周期性電磁媒介或二維材料構建電磁亞波長結構，與入射的太赫茲波相互作用時，引發類似表面等離子體共振現象，產生的局域電磁場增強效應對周圍的介電環境敏感，從而改變太赫茲光譜中共振的品質因子與諧振頻率，實現對生物分子的高靈敏度檢測和分析。圍繞近幾年的研究現狀，從生物傳感器的類型及其在生物醫學等領域的應用分別加以闡述，討論了太赫茲生物醫學傳感器所面臨的挑戰和發展前景，旨在提供一些有價值的建議。

關鍵詞：太赫茲波；太赫茲超構材料；太赫茲生物醫學；太赫茲生物傳感器；高靈敏度檢測

中圖分類號： O 439 文獻標志碼： A

Terahertz medical biosensors in the ascendance

ZHAO Zhenyu，ZHANG Xuelian

（Mathematics & Science College， Shanghai Normal University， Shanghai 200234）

Abstract： Terahertz biomedicalsensoris a hot spot in the current research. Its implementation method is mainly based on the use of metamaterials or two-dimensional materials to construct electromagnetic subwavelength structures. When terahertz waves interact with the structures， they cause phenomena similar to surface plasmon resonance and generate local electromagnetic field enhancementeffects. Theenhancedelectricfieldimprovestheinteractionbetweenlightand biological samples， resulting in a change in spectral response， enabling highly sensitive detection and analysis of biomolecules. Based on the research status in recent years， this paper expounds the types of biosensors and their applications in biomedicine and other fields， and discusses the future challenges and development prospects. It hopes to provide some valuable suggestions.

Keywords： terahertz wave; terahertz metamaterial; terahertz biomedicine; terahertz biosensors; high sensitivity detection

引言

近年來，太赫茲生物傳感器作為一種新興技術而備受矚目，其利用太赫茲波段的電磁波譜和超構表面的獨特特性，為生物傳感領域帶來了革命性突破。作為電磁波譜的一部分，太赫茲波跨越中紅外和微波之間的區域，頻率范圍為0.1～10 THz，對應的波長范圍為30～3000μm[1]。太赫茲波段具有特殊的電磁特性：（1）相較于可見光和近紅外波段，太赫茲波具有更長的波長、更深的穿透深度和更少的散射[2]，這使得它能夠穿透樣品并且不易被生物組織散射，從而實現對樣品內部的非破壞性檢測；（2）太赫茲波段的光子能級較低，不會對生物樣品造成電離相關的危害；（3）許多復雜分子在太赫茲波段內具有特定的集體振動和旋轉模式，會產生獨特的特征光譜[3]，使得太赫茲波在生物傳感器中具有獨特的優勢。與此同時，超構材料的引入為太赫茲生物傳感器的設計帶來了新的可能性。超構材料是具有周期性亞波長結構的人造電磁介質，具有天然材料所沒有的特性，其電磁特性取決于組件的形狀、幾何形狀或方向[4-5]。超構材料的亞波長結構可以被設計成在太赫茲頻率下呈現類似金屬表面等離子體的電磁共振特性，例如，通過構造周期性的微結構或金屬納米結構來實現。表面等離子體共振（surface plasmon resonance ，SPR）對鄰近介質在可見光和紅外區域的光學性質非常敏感，已被廣泛應用于蛋白質、農藥、酶和核酸等生物活性物質的定量檢測中[6-7]。

太赫茲生物傳感器的基本原理是：設計基于超構材料或二維材料的不同類型的電磁亞波長結構，在太赫茲波的作用下，當光與這些亞波長結構相互作用時，可以引發類似于 SPR 的現象，從而產生局域電磁場的增強效應；在傳感器表面產生的增強電場，使光物質與生物樣品之間的相互作用得以提高，導致光譜響應發生強烈變化，從而實現對生物分子的高靈敏度檢測和分析。近幾十年來，隨著太赫茲理論和新材料技術的完善和發展，太赫茲光譜及成像技術已廣泛應用于通信[8]、生物醫學[9]、食品安全[10]、農業[11]等各個領域。現在，研究人員在生物傳感器方面取得了重大科學突破，而微流控技術也已經廣泛應用于傳感和檢測領域[12-14]，太赫茲傳感技術結合微流控技術，可以實現對樣品的精確控制和處理，為生物傳感研究帶來了新的發展機遇。

本文討論了太赫茲生物傳感器的進展。首先回顧了不同材料和結構類型太赫茲傳感器的發展，包括金屬材料、非金屬材料和混合材料；接著展示了近年來太赫茲生物傳感器在生物醫學領域的應用；最后討論了太赫茲生物傳感器所面臨的挑戰和應用前景。

1 傳感器的分類

超構材料獨特的表面傳感特性啟發了研究人員用其構建不同材料的亞波長結構，并進一步擴大了太赫茲時域光譜（THz-TDS）技術的應用范圍[15]。在回顧不同材料和結構類型的超構表面傳感器件的研究進展之前，先對普遍適用于太赫茲傳感的關鍵參數進行簡單的介紹：靈敏度為相對于折射率變化的頻移；品質因子 Q 反映了傳感器的諧振特性， Q 因子越大，諧振曲線越尖銳，諧振損耗越小，則傳感器的靈敏度和分辨率越高[16]；品質因數（figure of merit ，FOM）為靈敏度與透射光譜半高全寬之比。

1.1 金屬材料

在太赫茲生物傳感器設計中，考慮到金屬材料的延展性、抗腐蝕性、抗氧化性和經濟性，常采用的有黃金、鋁、銅等。通過調整微結構的幾何尺寸，基于金屬微結構的傳感器件就可以改變太赫茲波在傳輸過程中的電場分布，從而產生顯著的電場增強效果。金屬微結構可分為兩種類型：一類是在平坦的金屬表面刻蝕周期性幾何單元陣列，形成金屬孔陣列（ metal hole array，MHA）；另一類是以開口諧振環為代表的超構材料單元周期性排列形成超構表面。后者是太赫茲領域的研究熱點之一。

2006年，Miyamaru等[17]基于人工表面等離子體激元（surface plasmon polaritons， SPPs），利用 MHA 來感知太赫茲周圍電介質環境的變化。此后，其他研究人員相繼提出了各種形式的孔陣列金屬微結構用于相關物質的傳感檢測[18-20]。由于開槽技術的限制，簡單孔陣列的金屬表面主要用于識別不同折射率的物質。2008年，第1個太赫茲超構材料傳感器在生物傳感領域得到了詳細討論。 OHARA 等[21]的研究說明了在傳感優化過程中有許多重要性的因素，如襯底的組成、環的幾何形狀、分析物組成等。隨著超構材料理論和技術的發展，人們提出了更加靈敏的太赫茲傳感模型。2019年，Niknam 等[22]提出了一種新型的雙波紋結構太赫茲傳感器，如圖1（a）所示。該傳感器的最大靈敏度為1.75 THz /RIU，其色散圖（圖1（b））和光譜透射圖（圖1（c））證明了電磁場與金屬之間的相互作用在光學頻率上具有類似于表面等離子體的行為。

超構表面克服了三維結構超構材料電磁損耗大的局限性，其元素結構周期性地排列在二維平面上，具有三維超構材料的電磁特性。根據金屬微單元的電磁特性和形狀，可將超構表面分為環形超構材料、手性超構材料、法諾共振超構材料、電致透明超構材料等。金屬亞波長結構具有較強的有限電磁場和尖銳的光譜共振特性。通過設計該結構尺寸，可以增強局部場與介質的相互作用，提高 Q 因子[23]。因此，該研究也成為太赫茲傳感的研究熱點。高 Q 法諾共振是入射電磁波與分析物層強相互作用的結果，是一種很有前途的高靈敏度折射率檢測方法[1，24]。完美的超構材料吸收體在短時間內能夠有效地將光能儲存在其內部，從而顯著提升光與被分析物的相互作用。此外，在常見的高介電基底中，接地設計能夠消除電場衰減的影響。

2021年， Zhang 等[25]將由切絲和開口諧振環組成的超構表面生物傳感器（圖1（d）），用于膠質瘤細胞的分子分類和癌癥檢測，其理論靈敏度達到496.01 GHz/RIU。同年，Yang 等[26]提出了基于2個同心開口諧振環的三維超構材料傳感，通過改變開口諧振環與襯底之間的距離，使傳感器具有可調諧的單共振和雙共振特性。其靈敏度從0.18 THz/RIU 提高到1.12 THz/RIU。此外，基于手性材料傳感器的太赫茲傳感方法也受到研究者的青睞[27-28]。2021年， Zhang 等[27]提出了一種基于太赫茲反射的時域偏振光譜系統（圖1（e）左圖）及手性超構表面（圖1（e）右圖）的太赫茲傳感新方法。該傳感器對不同氨基酸樣品的傳感精度可達1×10?5 g/mL，為極性液體分析物的傳感提供了新的思路。

上述太赫茲傳感器件具有獨特的電磁特性，有望成為靈敏的生物傳感器的優秀平臺。雖然設計出優秀的亞波長結構需要在高 Q 因子和低能量損失之間找到平衡，但也必須考慮到制造工藝和成本等因素。

1.2 非金屬材料

金屬材料大的損耗會導致諧振模式的品質因子降低，使得基于金屬材料的生物醫學傳感器的靈敏度相對較低。非金屬材料相較于金屬材料損耗小，品質因子較高，故而靈敏度也會更高。除金屬材料外，硅、金屬氧化物、二維材料等非金屬材料也適用于太赫茲亞波長結構的構建[29-35]。硅和二維材料，如石墨烯、 MoS2、碳納米管（CNTs）等具有獨特的電學和光學特性，作為潛在的太赫茲超構材料受到了廣泛的關注。

石墨烯作為研究人員發現的第一個二維原子晶體，是目前在太赫茲光電子學領域研究最為成熟的材料[36]。與相同厚度的金開口諧振環相比，高摻雜石墨烯的開口諧振環表現出更強的電磁響應，并且增強的電磁場被限制在比入射波長小2個數量級的范圍內[37]。2021年，Amin 等[32] 設計了一個由2個周期性 L 形石墨烯開口諧振環組成的色散石墨烯超構表面，見圖2（a），用于產生手性表面電流，以區分具有相似折射率的不同類型的病毒。仿真結果表明，不同圖案的二維材料可以產生不同的共振響應。有研究表明，石墨烯等新材料器件具有獨特的吸收特性和波長調節靈活性[33]。例如，由周期性放置的同心石墨烯環和圓盤陣列組成的超構材料吸收體表現出雙波段吸收特性，并且可以通過改變石墨烯的費米能級來靈活調整其吸收峰的波長。當吸收器界面介質折射率發生變化時，模式 I 和模式 II 的靈敏度分別為5.0μm/RIU 和15.0μm/RIU[38]。與石墨烯相比，MoS2具有更高的調制效率、場約束能力和光吸收效率[39-40]。基于 MoS2材料的太赫茲傳感也引起了人們的廣泛關注。果蔬農藥殘留會對人體健康造成威脅，因此殘留農藥的檢測是非常重要的。2020年， Wang 等[29]提出了一種支持 SPPs 的碳納米管亞波長結構超構表面，見圖2（b），可用于農殘檢測。他們先將利用低壓化學氣相沉積法（LP-CVD）制備的碳納米管薄膜轉移到襯底上，再通過激光加工技術將碳納米管薄膜制成周期性矩形孔徑陣列結構（圖2（c））。將不同濃度的農藥溶液滴到傳感器表面，其最小檢測靈敏度為2.0×10?3，重復性測量誤差為0.13%。

硅也引起了研究人員的極大興趣，因為硅亞波長結構可以克服常見金屬和貴金屬的本征吸收損耗以及二維材料較差的適用性[41]。2020年， Zhong 等[31]提出了一種基于全介質超構表面的高 Q 法諾諧振特性的超靈敏專用傳感器。超構表面由 SiO2襯底上的多對傾斜硅棒組成。綜合介電損耗和 Q 因子的模擬結果，將硅棒的傾斜角選定為15°。該傳感器的 FOM 為11.1，大于部分基于金屬結構的超構表面傳感器的 FOM。2022年，Hu 等[35]設計了一種硅基超構表面，見圖2（d）和（e），它由耶路撒冷十字柱和方形環形柱組成。這種結構設計通常用于金屬超構表面，可在其周圍激發一個強的局域電磁場，以增強光與物質的相互作用。實驗結果表明，該結構共振幅值與農藥濃度具有良好的相關性。苯甲酰和三環唑的檢測靈敏度分別為0.0017和0.0015。隨后，該團隊提出了由2個相對的 T 形柱組成的全硅太赫茲超構表面芯片，在芯片表面實現了偶極子共振和表面等離子體極化共振[34]。所設計的全硅等離子體超構表面器件對蘇云金芽孢桿菌蛋白傳感的幅值變化和頻率變化的靈敏度分別為6.9×10?4和8.4×10?2 GHz。經過一系列的實驗證明，該傳感器對濕度、溫度、時間段具有良好的穩定性。與二維材料相比，由硅等有機材料制成的太赫茲傳感器具有成本低，性能穩定，可重復使用等優點，擁有廣闊的應用前景[41]。

太赫茲技術的應用范圍正在不斷擴大，尤其是在紅外波段。在這個波段，太赫茲傳感器通過材料的振動模式與傳感器的共振模式耦合形成 Fano 共振特征，實現了納米厚度的紅外傳感[42]。與此同時，新型的太赫茲材料，如3D 拓撲絕緣體，也在太赫茲技術的研究中引起了廣泛關注，因為它們能夠通過產生拓撲等離子體來操縱太赫茲輻射[43]。

1.3 混合材料

金屬材料和非金屬材料的結構相對固定，相應的生物醫學傳感器的諧振模式的頻率和共振強度不易調諧。混合材料結合了幾種人工電磁材料的優點，具有良好的太赫茲傳感特性。由混合材料構成的生物傳感器可以通過外加電壓進行調諧，同時其結構的強共振特性進一步增強了光與物質之間的相互作用[39]。通過優化金屬材料和二維材料的組成，亞波長結構的可調性和靈敏度得到了顯著提高[44]。雖然這是一個相對復雜的方案，但混合材料（圖3（a））已經越來越受到人們的關注[41，45-46]。目前，有關石墨烯基雜化材料的研究最多，如通過控制石墨烯的費米能級，可以動態調節共振頻率[45，47]。

為提高太赫茲超構材料的靈敏度，滿足生物醫學研究應用的要求，2021年，Zhou 等[48]提出了石墨烯–超構表面太赫茲混合微流控裝置，見圖3（b）～（d），成功檢測了100 nmol 的 DNA 短序列。該裝置可增強生物分子與太赫茲波的相互作用，有效減小樣品溶液體積，從圖3（e）中不同柵極電壓下 RCP 波和 LCP 波透射譜的測量強度比較可知，諧振頻率為1.1 THz 時，裸 CDZM陣列對 RCP 波的透射幅度約為20%，且柵極電壓ΔV 決定了石墨烯的透射率水平。混合材料可以結合多種人造磁性材料的優點，具有良好的超構材料特性，可更好地適用于生物醫學科學和環境監測中。

未來，除了利用上述技術進行傳感外，還將從傳感維度進一步深入研究，如圓二色性測量、各向異性偏振測量、光聲技術等[49-52]。這些技術與 SPPs技術相結合，有望解決更多的太赫茲傳感問題，如支持更多指紋特征和克服吸水問題，為太赫茲在生物傳感中的應用鋪平道路。

2 傳感器的應用

太赫茲波所具有的獨特特征頻率，使其成為生物醫學領域檢測中一種有趣的新興技術選擇。它在生物傳感應用方面也具有很大的應用潛力。近5年來，太赫茲傳感器已被應用于蛋白質、核酸和組織的檢測[53-55]。根據太赫茲傳感的主要應用領域，生物分子檢測、細胞和病毒檢測以及組織檢測來分別介紹其相應的最新應用趨勢。

2.1 生物分子檢測

太赫茲輻射作為一種新型檢測技術，對弱分子間相互作用敏感，使其具備了在生物分子檢測中應用的可能性[56]。實際上，它在電磁頻譜中的獨特位置，加上借鑒了其他波段的傳感概念，更加促進了生物傳感器研究在這個領域的迅速發展。

超構材料表面功能化使傳感器能夠進行特異性免疫檢測[57-58]，各種疾病標志物的檢測是此類檢測的典型應用之一。2022年，Zeng 等[59]提出了一種修飾在太赫茲超構表面生物傳感器上的適配體，見圖4（a）。它由兩個金屬開口諧振環陣列組成，用于檢測人表皮生長因子受體2（HER2，乳腺癌的典型標記），檢測限（limit of detection，LOD）達到0.1 ng/mL。功能修飾步驟為：依次添加 AuNPs―H 溶液―APT-HB5溶液―BSA 溶液―HER2溶液，見圖4（b）。不同濃度 HER2的光譜檢測結果如圖4（c）所示。在實驗中，重復性良好的結果對于驗證該生物傳感器的可靠性和穩定性至關重要，這有助于確保其在實際生物檢測應用中的可靠性和準確性。

2022年， Wang 等[60]提出一種可以反復用于檢測患者外泌體的太赫茲生物傳感器。首先用3–氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）酰胺化不同尺寸金屬絲結構組成的超構表面；然后自組裝一層 AuNPs；最后在固定特異性抗體后阻斷非特異性位點。外泌體與抗體結合后可被特異性試劑解離。實驗結果表明，10次重復實驗的諧振頻率差小于3 GHz。在此基礎上，如果與微流控技術進一步結合，此類傳感器將會有更廣闊的應用前景。在最新的研究進展中，Men 等[61]報道了一種全介電超構材料太赫茲生物傳感器，其在0.82諧振峰值處表現出高 Q 因子，其值為35。他們設計并制造了具有電磁感應透明效應的結構，以執行太赫茲響應的米氏共振。該生物傳感器對細胞因子白細胞介素2（IL-2）的檢測限為100 pg/mL，IL-2濃度對數在100 pg/mL 至1μg/ mL 范圍內呈線性響應。這項研究暗示了該生物傳感器在血清細胞因子檢測中的重要潛力，并在細胞因子釋放綜合征的臨床檢測中具有潛在應用。

核酸分子（DNA ，RNA）的檢測和分化比蛋白質分子更具挑戰性，因為它們通常只在幾個片段上存在差異[62]。由于太赫茲石墨烯超構材料具有良好的光電性能和吸附性能，近年來，相關研究取得了不錯的進展。例如， MicroRNA （miRNA）由于與親代腫瘤細胞的相互作用密切而被認為是一種很有前途的非侵入性腫瘤診斷生物標志物。Zhan 等[63]利用由環形凹槽包圍的金盤陣列組成的太赫茲生物傳感器（圖4（d））和金納米顆粒的擴增，實現了對 miRNA 的高特異性和高靈敏度檢測，LOD 降至84 amol/L，線性傳感范圍為1 fmol/L 至100 mol/L。同時，太赫茲超構材料生物傳感器用于臨床樣品檢測的可靠性提升了其臨床應用潛力。

雖然太赫茲超構材料在生物分子檢測中顯示出了一定的應用前景，但血清等水性溶劑會強烈吸收太赫茲波，干擾檢測。為了避免這種干擾，2023年， Zhang 等[64]提出并演示了一種超薄、柔性、基于生物凝膠的超構材料，可以專門檢測太赫茲波通過水溶液中生物分子的傳輸。它可檢測水中的葡萄糖，靈敏度為0.0446 dL/mg，檢測限為1.64 mg/dL，也可檢測人血清中的葡萄糖。因此，他們提出了一種實時檢測葡萄糖和潛在其他生物分子的策略。這項研究展示了一種基于 AAPBA 水凝膠的超薄、柔性太赫茲超構材料，其具有快速響應時間，可以在水溶液、人體血清和人體汗液中檢測到葡萄糖。這一系統可以作為可穿戴設備用于無創實時血糖監測，為糖尿病的長期管理提供了新的可能性。

目前，減少介質的太赫茲損耗是當前生物傳感器探索的方向之一。除了對微流控器件材料電磁損耗的研究外，襯底的幾何設計和材料選擇也顯著影響著超構材料生物傳感器的性能。在這種情況下， Wu 等[65]比較了基于 Si （ε=11.56）和石英（ε=4）兩種不同襯底的鏈親和素瓊脂糖無標記特異性傳感器。結果證實，基于石英襯底的超構表面具有更高的靈敏度，從而證明了太赫茲生物傳感器襯底材料在生物傳感器設計中的重要性。 Zhou 等[66]提出了一種新型的太赫茲超構材料生物傳感器，該傳感器由適配體水凝膠功能化制成（見圖4（f））。與采用低吸收介質的策略不同，他們成功解決了人類α–凝血酶（h-TB）在水環境中的檢測問題，血清樣本中的 LOD 為0.4 pmol/L。這項研究表明，該傳感器的性能優于采用適配體功能化的太赫茲超構材料。

目前太赫茲生物分子傳感的探測靈敏度還有待提高，傳感范圍主要在微米尺度上。另一方面，對太赫茲電場具有強約束的超構材料器件的缺乏，阻礙了超構材料結構共振與生物分子旋轉/振動模式耦合的建立。同時，復雜的制造工藝也限制了太赫茲生物分子傳感的進一步應用，幾何形狀和組成復雜的器件難以制造，傳感器的一致性和可重復性無法保證。現有太赫茲探測裝置及系統性能還不能滿足相關的實驗探測要求。研究這些限制和不足，對于進一步完善太赫茲傳感器是非常必要的。

2.2 細胞和病毒檢測

與正常細胞相比，病變細胞中的水分含量會發生變化。因此，太赫茲生物傳感器可利用太赫茲輻射的水敏感特性，為癌癥、腫瘤等疾病的診斷和治療開辟新的途徑[15]。2021年，Zhang 等[67]在等離子體超構表面上培養3種類型的肺癌細胞（圖5（a）），采用用于肺癌細胞識別的太赫茲環形超構表面（圖5（b））生物傳感器進行輻射檢測。該傳感器在0°～30°斜入射角范圍內具有良好的傳感穩定性，理論靈敏度高達485.3 GHz/RIU。圖5（c）顯示了 Calu-1（藍色）、A427（綠色）和95D（紫色）3種不同濃度細胞頻率和透射率的變化，3個完全分離的區域進一步證實了超構材料生物傳感器在細胞識別方面的巨大潛力。

在過去的幾年中，人們提出了更為精細、復雜的幾何結構設計。其目的是在有限尺寸結構的幾個特定點上實現更大的電場約束，并試圖提高設計結構的靈敏度[25，54]。例如，前文提到的被用于膠質瘤細胞分子分類的，由切割導線和開口諧振環組成的復合圖案超構表面生物傳感器[25]，該復合圖案具有較高的諧振 Q 因子，可在亞波長超構材料結構周圍產生較高的場增強，每毫升細胞的最大實驗靈敏度接近248.75 kHz。由于太赫茲電磁波對包括水在內的極性物質極其敏感，并且對極性材料反應明顯，因此可考慮使用太赫茲波電磁成像來診斷基底細胞癌。2023年，Hamza等[68]提出了一種生物傳感器結構，它能夠完全吸收兩個獨立頻段，即0.78 THz 和0.904 THz的能量。該設計展示了兩個顯著的吸收峰，吸收率超過99.5%。研究人員對其偏振角，電場和磁場分布，表面電流分布以及功率流進行了深入的研究，以確保其能夠高靈敏度地區分健康皮膚和非黑色素瘤皮膚癌。

以病毒為代表的微生物與人類的許多疾病密切相關。因此，如何實現對微生物快速有效的檢測成為人們越來越關注的問題。雖然有些方法，如質譜法或分子法，減少了檢測所需的時間，但它們在 POCT 中的應用仍然面臨著一些困難。基于太赫茲波段人工電磁亞波長結構的生物傳感器是一個新興的替代方案。并且，在獲得所需的太赫茲傳感結果后，可對傳感器結構進行殺菌處理，處理后的傳感器可恢復到原始狀態，說明太赫茲生物傳感器具備可重復使用的性能。

2021年， Zhou 等[48]設計了一種基于石墨烯–超構表面復合材料的太赫茲 SPR 傳感器，用于檢測食源性病原體大腸桿菌 O157：H7的 DNA 序列，該傳感器實現了100 nmol/L DNA 溶液的選擇性檢測。Ahmadivand等[69]已經證明，膠體納米顆粒集成等離子體生物傳感器（圖5（d））具有優異的傳感特性，可以檢測約13 kDa的低分子量生物分子。在此基礎上，他們實現了 SARS- CoV-2刺突蛋白的飛秒檢測， LOD 可以達到 4.2 fmol/L 左右[57]。他們先將 SARS-CoV-2 Spike S1抗體與活化的 AuNPs結合，然后特異性捕獲 SARS-CoV-2 Spike 蛋白，見圖5（f）。圖5（e）為 SARS-CoV-2刺突蛋白（4～12 fmol）的透射光譜測量圖。2023年，Guan 等[70]提出了一種由雙切線（DCW）和四開口環諧振器（QSR）組成的超構材料生物傳感器，在太赫茲范圍內實現了與偏振無關的等離子體誘導透明（PIT）效應。模擬顯示，當分析物厚度為14μm 時，PIT 透明度顯示出高達146.7 GHz 的峰值偏移。隨著分析物的折射率從1.0增加到1.6，生物傳感器的理論靈敏度經計算為281.25 GHz/RIU。此外，研究還探索了所提出的 DCW/QSR 生物傳感器在噬菌體病毒檢測中的應用。模擬結果表明，DCW/QSR 生物傳感器可作為檢測 PRD1和 MS2等病毒的有效傳感平臺。這些發現進一步證實了高靈敏度超構材料生物傳感器在生物傳感領域的巨大應用潛力，為無標記生物醫學檢測提供了一種實用且經濟有效的方法。

現有研究表明，太赫茲生物傳感器可以檢測多層/單層細胞[54， 67， 71-72]，并且靈敏度已經達到單細胞檢測水平[73]。

2.3 組織檢測

如引言中所述，太赫茲輻射對生物樣品無損害，且由于其光子能量低，可被安全地應用于生物醫學檢測。在過去的20年中，太赫茲成像已經被成功地用于區分大腦和皮膚等的異常組織[74-76]。然而，由于生物組織中其他環境因素的干擾，部分有效的光譜信息會被掩蓋。特別是對于早期癌變組織，其與正常組織差別不大，因此傳統的檢測方法在早期癌癥診斷中仍然存在挑戰。因而對高靈敏度和高分辨率的太赫茲生物傳感器提出了需求。

到目前為止，病理切片是太赫茲組織檢測的主要對象，離臨床實際應用還有很大的距離。Alibakhshikenari等[77]提出了一種基于平面天線超構材料的微波醫學成像系統，用于檢測生物組織中的腫瘤。該系統由排列在乳房模型周圍的多個天線組成，可用于測量乳房異常組織的透射和反射信號，并能準確定位腫瘤。

Lee 等[78]提出了一種基于納米槽陣列超構材料結構的太赫茲成像平臺，它對無脫水過程的真實生物樣品的對比度高，見圖6（a）。采用光刻技術在高電阻率硅片上制備厚度為150 nm 的Au 納米槽陣列（基本納米槽的長度 l =60μm，每個納米槽的寬度 w =500 nm ，相鄰納米槽之間的橫向間隔Px =40μm，縱向間隔Py =10μm）傳感芯片。將具有相同橫切面的小鼠腦切片分別置于裸硅芯片和納米槽芯片上進行成像和分析。與僅模糊描繪大腦皮層、丘腦等解剖結構的裸Si 圖像（圖6（b））相比，納米縫隙圖像（圖6（c））的對比度更高，納米槽在腦組織中的大腦皮層和丘腦中的同一區域的反射率分別提高了2.4倍和4.0倍（圖6（b））。此外，阿爾茨海默癥模型的太赫茲監測結果表明，該技術將促進無創診斷成像技術的發展。2022年，Roh等[79]提出了一種基于開口諧振環的新型超構材料成像技術（圖6（d）），用于小鼠腦組織的成像檢測。基于超構材料的太赫茲圖像對腦組織不同部位的邊界更為明顯（圖6（g））。隨著太赫茲技術的發展，光學衍射極限和超分辨能力有望得到提高，同時結合微流控技術的優勢，其在太赫茲生物傳感器平臺上可實現高通量檢測[80-81]。

3 結論與展望

簡要回顧了基于人工電磁亞波長結構的太赫茲傳感器的主要類型及其在生物傳感器中的應用，整理了人工 SPPs從超構材料的最初概念到實際應用的發展過程。隨著太赫茲科學技術的不斷發展，各種有趣的概念可以引入到太赫茲頻率，推動進一步探索，以填補太赫茲生物傳感應用的空白。

太赫茲超構表面的電場增強區域主要集中在開口環或金屬尖端附件處，這意味著局部電場不能被充分利用。因此，下一步的研究方向是通過進一步優化傳感結構來提高傳感靈敏度，同時要考慮結構簡單，便于制造，加工和操作便捷等實際應用需求。

太赫茲超構材料的生物傳感器主要分為金屬材料、非金屬材料和混合材料這幾類。其中在非金屬材料中，以石墨烯為代表的二維材料對于太赫茲的傳感應用更是近年來廣泛研究的熱點。但二維材料的表面損傷會直接影響其光電特性，因此，基于無損制造方法的新型二維材料結構將進一步推動太赫茲生物傳感器的應用。分層超構材料可以彌補跨尺度頻帶傳感的不足，并且可以通過調整超原子的尺寸來擴展其他頻率區域。基于柔性超構材料的傳感器具有優異的柔韌性、拉伸性和超薄性，因此適合結構變形的主動控制，為實現頻率可調諧超構材料提供了途徑。

使用不同材料構建的太赫茲生物傳感器來實現高靈敏度定性檢測也是未來的研究方向之一。狄拉克材料在等離子體和光子學方面的巨大潛力將推動新型太赫茲生物傳感器的發展。綜上所述，太赫茲生物傳感器已經取得了可喜的成果，低成本、穩定和可重復使用是其進一步探索創新的指南。

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