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作者及机构
本研究由Qiyuan Xu、Mingjun Sun、Weijin Wang和Yanpeng Shi（通讯作者）共同完成，研究团队来自山东大学集成电路学院（School of Integrated Circuits, Shandong University）。论文发表于期刊《Biosensors》（2024年14卷，第440篇），于2024年9月13日正式出版。
学术背景
研究领域
该研究属于太赫兹（Terahertz, THz）生物传感技术领域，聚焦于分子指纹增强与痕量生物标志物检测。
研究动机
传统太赫兹光谱技术虽具有无标记、非破坏性等优势，但因太赫兹波长（30–3000 µm）与分子尺寸（纳米级）不匹配，导致痕量分析物检测灵敏度不足。现有金属超构表面（metasurface）虽能提升灵敏度，但存在欧姆损耗（ohmic loss）和热效应问题。
研究目标
开发一种基于全介质超构表面（all-dielectric metasurface）的太赫兹传感器，通过高Q值谐振增强分子指纹信号，实现痕量尿源性生物标志物肉桂酰甘氨酸（cinnamoylglycine）的高灵敏度检测，应用于妊娠期糖尿病（GDM）的无创诊断。
研究流程与方法
1. 超构表面设计与仿真
- 结构设计：
采用周期性排列的钽酸锂（LiTaO₃）三角棱柱四聚体（tetramer）阵列，基底为石英（quartz）。单个单元结构参数：周期135 µm，棱柱高度49.6 µm，间距33 µm。
- 理论模型：
通过洛伦兹色散模型（Lorentz-type dispersion）描述钽酸锂介电常数，其横向光学声子频率（ωₜ）为26.7 THz，纵向光学声子频率（ωₗ）为46.9 THz，介电常数ε=41.4。
- 仿真方法：
使用三维时域有限差分法（FDTD）模拟电磁场分布，设置周期性边界条件，最小网格精度1 nm，验证磁偶极子共振（magnetic dipole, MD）特性。
2. 角度扫描策略（angle-scanning strategy）
- 原理：
通过改变太赫兹波入射角（13°–70°），打破结构对称性，使共振频率偏移，形成覆盖目标分子吸收峰的包络曲线（envelope curve）。
- 偏振选择：
y偏振波在37°入射角下共振频率（0.487 THz）与肉桂酰甘氨酸吸收峰匹配，Q因子达231，优于x偏振波。
3. 传感性能验证
- 灵敏度测试：
在0.487 THz处，1 µm厚肉桂酰甘氨酸层（表面浓度123 µg·cm⁻²）导致共振频率偏移0.0158 THz，灵敏度（S=Δf/σ）为1.23 µg·cm⁻²，品质因数（FOM）达609。
- 线性关系：
传输率与分析物厚度（0.01–1 µm）呈线性（y=0.044x+0.5242，R²≈0.99），检测限低至1.23 µg·cm⁻²。
主要结果
共振特性：
- 四聚体结构激发MD共振，电场集中于中心区域，增强太赫兹波与分子相互作用。
- 入射角37°时，y偏振波在0.487 THz处传输率下降至56.85%，与肉桂酰甘氨酸指纹谱匹配。
分子指纹增强：
- 角度扫描策略拓宽频谱覆盖范围，包络曲线精准捕获分析物吸收峰。
- 相比传统金属超构表面，全介质设计降低能量损耗，Q因子提升显著。
应用验证：
- 肉桂酰甘氨酸作为GDM尿液标志物，其清除率在糖尿病患者中显著降低（77 vs. 317 mL/min）。
- 该传感器为替代HPLC（高效液相色谱）等耗时方法提供快速、无创检测方案。
结论与价值
科学价值：
- 提出首个基于全介质超构表面的太赫兹分子指纹传感器，通过高Q值MD共振和角度扫描策略，解决痕量检测灵敏度瓶颈。
- 为太赫兹生物传感领域提供新设计范式，推动其在代谢标志物检测中的应用。
应用价值：
- 实现GDM早期无创筛查，克服现有血糖检测需空腹、多次采血的局限性。
- 可扩展至其他疾病标志物（如癌症蛋白）检测，具有临床转化潜力。
研究亮点
- 创新结构：钽酸锂四聚体设计结合石英基底，实现低损耗、高场增强。
- 策略创新：角度扫描动态调控共振频率，突破传统固定频率检测限制。
- 性能突破：检测限（1.23 µg·cm⁻²）优于同类传感器（如乳糖检测限1.53 µg·cm⁻²）。
- 跨学科意义：融合超构材料设计与生物医学需求，为太赫兹诊断技术提供新工具。
其他有价值内容
- 可扩展性：该超构表面可通过微纳加工（micro/nanotechnology）批量制备，兼容太赫兹时域光谱系统（THz-TDS），便于产业化。
- 理论贡献：首次将MD共振与分子指纹增强机制关联，为后续多模态传感器设计提供理论基础。