基于柔性聚酰亚胺的Q-BIC太赫兹超表面生物传感器用于溶液检测的学术报告

一、作者与发表信息
本研究由Qing Liu（北京交通大学）、Tigang Ning（北京交通大学）、Lanju Liang（枣庄大学）等合作团队完成，发表于2025年4月的*IEEE Sensors Journal*（卷25，期7）。研究得到中国国家自然科学基金、山东省自然科学基金等多个项目支持。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于太赫兹（THz）生物传感与超表面（Metasurface, MS）技术的交叉领域。
研究背景：
1. 太赫兹技术的优势与挑战：THz波段（0.1–10 THz）对应生物大分子振动能级，可检测其空间结构信息，且具有非电离辐射特性。然而，液态样品中水分子对THz波的强吸收限制了其应用。
2. 超表面的潜力：MS通过纳米级电磁波调控可增强传感灵敏度，但现有液态检测方案（如“滴干法”或PDMS微流控）存在破坏生物活性或工艺复杂等问题。
3. 聚酰亚胺（Polyimide, PI）的特性：PI具有高热稳定性、低THz吸收和生物相容性，但此前未与3D微加工技术结合用于THz传感。
研究目标：开发一种基于PI毛细管集成的Q-BIC（准连续域束缚态）THz超表面生物传感器，实现液态环境中生物分子的高灵敏度、实时检测。

三、研究流程与方法
1. 传感器设计与仿真
- 结构设计：采用非对称开口环谐振器（Asymmetric Split-Ring Resonators, SRRs）激发Q-BIC效应，PI薄膜为基底，PI毛细管（内径500 μm）作为微流通道（图1）。
- 参数优化：通过数值模拟（CST软件）分析结构参数（如开口角度θ）对共振频率（0.534 THz）和Q因子的影响（图2）。结果显示，θ=40°时Q因子最高，灵敏度最佳。
- 多极子分析：证明非对称结构下磁偶极子主导共振增强（图2e），而对称结构无响应（图2f）。

1. 传感器制备

   • 工艺步骤（图3a）：
     
     1. 在150 μm厚PI薄膜上旋涂光刻胶，通过光刻和磁控溅射制备铝SRRs。
        
     2. 旋涂5 μm热固性PI胶作为保护层。
        
     3. 键合PI毛细管并固化，形成可重复使用的微流通道。
        
   • 创新点：首次将3D PI毛细管微加工技术与THz MS结合，解决液态样品THz波吸收问题。
     

2. 实验验证

   • 检测对象：
     
     • 蛋白质溶液：卵清蛋白（1 pg/mL–1 mg/mL）、水解乳清蛋白（同浓度范围）。
       
     • 有机溶剂：乙醇溶液（0.0%–99.7%）。
       
   • 测试方法：
     
     1. 使用太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）记录传感器传输谱（图3b）。
        
     2. 通过调制深度（ΔT=(T_c−T_bare)/T_bare×100%）量化浓度变化（图4–6）。
        
   • 数据分析：
     
     • 构建二维小波系数强度图（2D WCIMs），通过连续小波变换（CWT）提取时频特征（图8），增强浓度差异的可视化。
       

四、主要结果
1. 蛋白质检测（图4–5）：
- 卵清蛋白和水解乳清蛋白的调制深度与浓度呈线性关系（R²分别为0.98258和0.99072），检测限低至1 pg/mL。
- 机理：蛋白质浓度改变水分子氢键网络振动强度，从而影响0.534 THz共振峰的透射率。

1. 乙醇检测（图6）：

   • 乙醇浓度与0.424 THz共振谷的调制深度线性相关（R²=0.99587），且99.7%乙醇因无水导致0.534 THz峰显著下降。
     
   • 机理：乙醇-水氢键与纯乙醇氢键的振动模式差异导致特征频率响应不同。
     

2. PI毛细管的调控作用（图7）：

   • 对比自由水与PI毛细管约束水的THz吸收，证实毛细管可限制水分子辐射面积，降低THz波吸收。
     

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 提出首个结合Q-BIC超表面与PI 3D微加工的THz生物传感器，为液态环境检测提供新范式。
- 阐明水分子氢键网络与THz波相互作用的调控机制。
2. 应用价值：
- 在医疗诊断中可实现无标记、实时检测（如癌症标志物），灵敏度高、成本低。
- 2D WCIMs为溶液浓度识别提供新方法，未来可结合神经网络进一步提升特异性。

六、研究亮点
1. 方法创新：
- 首创PI毛细管集成Q-BIC超表面设计，解决液态THz检测难题。
- 开发基于CWT的2D WCIMs分析技术，增强浓度差异辨识度。
2. 性能优势：
- 检测限达pg级，线性范围宽（6个数量级），优于同类PDMS微流控传感器（表I）。
3. 跨学科意义：推动THz技术、超材料与微流控的融合，拓展生物传感应用场景。

七、其他价值
研究框架（图9）系统化展示了从问题识别到结果阐释的全流程，为后续研究提供方法论参考。未来可通过修饰金纳米粒子实现特异性生物标志物检测。