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作者及发表信息

本研究由Dongpeng Luo（广东工业大学物理与光电工程学院）、Limin Xu（广东工业大学信息工程学院）、Lifeng Jia（广东工业大学计算机科学与技术学院）、Lianglun Cheng（广东工业大学艺术与设计学院）、Ping Tang和Jinyun Zhou（通讯作者，广东工业大学）共同完成，发表于Biosensors期刊2024年5月10日第14卷第240期，标题为《Highly Sensitive Qualitative and Quantitative Identification of Cashmere and Wool Based on Terahertz Electromagnetically Induced Transparent Metasurface Biosensor》。研究得到中国国家自然科学基金（62105071）和广东省重点领域研发计划（2020B090924001）的支持。

学术背景

研究领域与动机
该研究属于太赫兹（Terahertz, THz）生物传感与超材料（Metasurface）交叉领域。山羊绒（Cashmere）和羊毛（Wool）是纺织工业重要的天然动物纤维，但山羊绒因产量稀少、质地更优而价格昂贵，市场上常出现以羊毛冒充山羊绒的掺假行为。传统鉴别方法（如显微镜观察、DNA分析、化学处理等）存在成本高、专业性要求强或仅能定性分析等局限。因此，开发一种高灵敏度、定量化的检测技术具有重要产业价值。

理论基础
研究基于电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency, EIT）效应。EIT源于量子物理系统，通过亮模式（Broadband Bright Mode）与暗模式（Narrowband Dark Mode）谐振器的相位相消干涉，在宽吸收谱中形成窄透明窗口。研究团队设计了一种EIT-like超表面传感器，通过太赫兹波与纤维分子的电磁相互作用，实现折射率变化的灵敏检测。

研究目标
1. 设计一种高灵敏度、偏振无关的EIT-like超表面传感器；
2. 实现山羊绒与羊毛的定性与定量鉴别；
3. 验证传感器在痕量检测（低至0.02 mg/mL）中的可行性。

研究流程与方法

1. 超表面设计与仿真

• 结构设计：单元结构由四个旋转对称裂环谐振器（Quadruple Split-Ring Resonator, QSRR）和两条交叉金属割线（Cut Wire, CW）组成，形成环形偶极子（Toroidal Dipole）和电偶极子（Electric Dipole），通过干涉产生EIT效应（透明窗口频率1.45 THz）。
  
• 仿真工具：使用CST2022微波工作室进行全波数值模拟，设置开放边界条件，入射太赫兹波偏振方向为x或y轴。
  
• 创新点：与传统偶极子模式相比，有效传感面积提升1075%，灵敏度达342 GHz/RIU（折射率单位），品质因子（Q因子）为32.9。
  

2. 超表面制备

• 工艺：采用无掩膜光刻技术在100 μm厚石英玻璃基底上制备周期性阵列，通过高温蒸发沉积150 nm金层。
  
• 物理参数：阵列尺寸7.6 mm × 7.6 mm，单元周期74 μm，裂环开口间隙9 μm。
  

3. 纤维样品处理

• 纯化：使用丙酮-乙醇（50%/50%）混合溶剂索氏提取48小时去除脂肪杂质，后以去离子水清洗并100℃干燥24小时。
  
• 溶解：将纤维溶于[DBNH][Lev]离子液体（由左旋糖酸与1,5-二氮杂双环[4.3.0]-5-壬烯合成），120℃油浴搅拌1小时，制备浓度梯度（1.0 mg/mL至0.02 mg/mL）及混合比例（100/0至0/100）的溶液。
  

4. 太赫兹光谱检测

• 仪器：商用太赫兹时域光谱仪（THz-TDS, Advantest TAS7400TS），频率范围0.1–4.0 THz，分辨率7.6 GHz。
  
• 方法：将纤维溶液旋涂于超表面，测量传输光谱，通过傅里叶变换分析频域数据，以空气为参考归一化。
  

5. 数据分析

• 定性分析：对比山羊绒与羊毛溶液的振幅和频移差异。
  
• 定量分析：建立共振频率偏移（Δf）与浓度、混合比例的线性关系。
  

主要结果

1. 模态分析

   • 仿真显示，x/y偏振入射下传输谱重叠，证实传感器具有偏振无关性（图3a）。
     
   • 电偶极子（CW）和环形偶极子（QSRR）分别在1.24 THz和1.72 THz处产生共振，相位差π导致EIT透明窗口（图3d-f）。
     

2. 传感性能

   • 折射率灵敏度342 GHz/RIU（图5b），介电损耗（tanδ）与振幅呈线性关系（图5d）。
     
   • 实验检测限低至0.02 mg/mL，山羊绒与羊毛的Δf分别为246 GHz和282 GHz（浓度1.0→0.04 mg/mL）（图6a-b）。
     

3. 实际应用验证

   • 混合纤维中，山羊绒含量增加导致共振峰振幅降低及红移（图7a），f2峰频移137 GHz，线性拟合方程为T = −5.61×f −15.83（山羊绒）和T = −5.53×f −16.30（羊毛）（图6c）。
     

结论与价值

科学价值
1. 首次将EIT-like超表面应用于天然纤维鉴别，拓展了太赫兹超材料的生物传感应用场景。
2. 通过环形偶极子与电偶极子协同设计，突破传统偶极子模式的空间局限，实现传感面积的大幅提升。

应用价值
1. 为纺织行业提供了一种高灵敏度、无需标记的纤维检测工具，可有效遏制掺假行为。
2. 方法兼具定性与定量分析能力，且操作简便（无需复杂前处理或专业人员）。

研究亮点

1. 创新结构设计：QSRRC（四重对称裂环+交叉割线）结构实现EIT效应与超大传感面积。
   
2. 超高灵敏度：342 GHz/RIU的灵敏度优于同类传感器（表1）。
   
3. 多场景适用性：可推广至其他天然纤维或生物分子的痕量检测。
   

其他价值

研究还揭示了山羊绒与羊毛在太赫兹频段的电磁特性差异，为后续纤维材料学研究提供了新视角。