王玥 崔子健 張曉菊 張達(dá)篪 張向 周韜 王暄

1) (西安理工大學(xué)，陜西省超快光電技術(shù)與太赫茲科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048)

2) (哈爾濱理工大學(xué)，工程電介質(zhì)及其應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080)

3) (武警工程大學(xué)基礎(chǔ)部，西安 710086)

處于太赫茲頻段的電磁波表現(xiàn)出許多極具發(fā)展前景的特點(diǎn)，如非電離、“指紋”譜、對(duì)弱共振敏感、對(duì)非極性物質(zhì)穿透性強(qiáng)等特性，并逐步發(fā)展成物理、信息、材料、生物、化學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)與應(yīng)用研究關(guān)注的熱點(diǎn).然而，在生物、化學(xué)物質(zhì)的傳感檢測(cè)應(yīng)用中，當(dāng)待測(cè)物尺度小于入射太赫茲波長(zhǎng)時(shí)，微小擾動(dòng)和細(xì)微特征難以被太赫茲波檢測(cè)到，并且無(wú)法與太赫茲波之間產(chǎn)生充分的相互作用，這無(wú)疑阻礙了太赫茲生物化學(xué)傳感檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展.而太赫茲超材料的迅速發(fā)展提供了解決這一問(wèn)題的全新思路.近年來(lái)，一系列基于太赫茲超材料的研究工作與新材料、新結(jié)構(gòu)、新機(jī)制結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)高靈敏太赫茲生物化學(xué)傳感檢測(cè)帶來(lái)了新的機(jī)遇.本文主要綜述了最近太赫茲超材料應(yīng)用于生物化學(xué)傳感檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展，并簡(jiǎn)述了評(píng)價(jià)器件性能的關(guān)鍵參數(shù).根據(jù)材料特性、設(shè)計(jì)策略的不同，對(duì)基于金屬-介質(zhì)、碳基納米材料、全硅等太赫茲超材料生物化學(xué)傳感檢測(cè)相關(guān)工作做了總結(jié)，并在文末對(duì)太赫茲超材料傳感檢測(cè)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向做出了展望.

1 引言

太赫茲波通常是指頻率范圍在0.1—10 THz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍在0.03—3 mm 的電磁波[1]，具有非電離輻射[2]、非侵入性[3]、對(duì)非極性物質(zhì)穿透性強(qiáng)等特點(diǎn)[4]，對(duì)氫鍵、范德瓦耳斯力、非鍵作用等弱共振十分敏感[5，6]，為實(shí)現(xiàn)生物化學(xué)傳感檢測(cè)應(yīng)用開辟了新的技術(shù)路徑[7，8].在太赫茲波段進(jìn)行生物化學(xué)傳感檢測(cè)不會(huì)對(duì)目標(biāo)樣品造成破壞，提供了一種非接觸式、非破壞性的快速生物化學(xué)傳感檢測(cè)手段[9].此外，太赫茲光譜中包含了幅值和相位雙重信息，可以直接提取待測(cè)物的介電特性和衰減特性，為獲得生物化學(xué)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)特性以及對(duì)生物化學(xué)反應(yīng)微觀過(guò)程的深入認(rèn)知提供了窗口[10].盡管目前在微波[11-18]、紅外[19-22]、可見光[23-30]、X 射線[31-36]等頻段取得的巨大進(jìn)展面前，太赫茲傳感檢測(cè)技術(shù)相對(duì)黯然失色，但其所具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和廣泛應(yīng)用前景仍推動(dòng)著研究者不斷挖掘這一波段的潛力，進(jìn)行更加廣泛且深入的研究[37-56].然而，相對(duì)較長(zhǎng)的波長(zhǎng)限制了太赫茲波與待測(cè)物之間的相互作用，通常需要采用壓片制樣的方式來(lái)增強(qiáng)太赫茲波與物質(zhì)相互作用，以獲得可分辨的共振光譜[57，58]，這往往需要相對(duì)較大的待測(cè)物的量.但實(shí)際的生物化學(xué)樣本或?qū)嶋H的非破壞檢測(cè)所需的待測(cè)物質(zhì)往往處于微量或痕量水平，無(wú)法與入射太赫茲波進(jìn)行充分的相互作用，常規(guī)技術(shù)難以捕捉共振光譜中幅值、頻率的微弱變化，嚴(yán)重桎梏了其應(yīng)用于傳感檢測(cè)的能力.因此，需要一個(gè)額外的信號(hào)增強(qiáng)器件來(lái)清晰地呈現(xiàn)出太赫茲波和待測(cè)物之間的相互作用.于是，如何增強(qiáng)痕量生物化學(xué)物質(zhì)與入射太赫茲波之間的相互作用成為了太赫茲生物化學(xué)傳感檢測(cè)應(yīng)用的一個(gè)重要課題.

超材料是一種人工電磁材料，通常由周期性排布的亞波長(zhǎng)、深亞波長(zhǎng)諧振器陣列組成.在入射電磁波的激勵(lì)下，諧振器單元的共振產(chǎn)生了許多自然材料不具備的獨(dú)特電磁特性[59-61].通過(guò)合理地選擇材料、設(shè)計(jì)諧振器單元結(jié)構(gòu)，可以靈活地實(shí)現(xiàn)所需的共振特性[62-64].并且在共振頻率附近會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的局域場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，極高的場(chǎng)增強(qiáng)因子導(dǎo)致痕量待測(cè)物與入射電磁波之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，這使得超材料具備對(duì)周圍介質(zhì)環(huán)境變化極度敏感的特性[65].這一概念可以很好地與太赫茲傳感檢測(cè)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)太赫茲波段的痕量物質(zhì)檢測(cè).不同的結(jié)構(gòu)[66-69]、材料[70，71]、共振原理[72-74]的太赫茲超材料器件以及各種依托于超材料的傳感檢測(cè)方式不斷推動(dòng)著太赫茲傳感檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展.但是，作為一種新興的傳感檢測(cè)技術(shù)，超材料賦能的先進(jìn)太赫茲生物化學(xué)傳感檢測(cè)技術(shù)仍面臨著諸如如何提高靈敏、降低檢測(cè)限、實(shí)現(xiàn)特異性以及提升準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性等問(wèn)題[75-77].目前，越來(lái)越多優(yōu)秀的交叉學(xué)科學(xué)者和科研合作單位投身這一領(lǐng)域的研究，使得這一極具前景的研究領(lǐng)域面臨的阻礙逐漸減少，同時(shí)研究深度不斷提升，極大地豐富了從器件設(shè)計(jì)到生物化學(xué)分子檢測(cè)、再到數(shù)據(jù)信號(hào)處理等方方面面的技術(shù)手段，從而不斷促進(jìn)太赫茲超材料生物化學(xué)檢測(cè)向?qū)嶋H應(yīng)用發(fā)展.

2 太赫茲超材料傳感檢測(cè)性能關(guān)鍵參數(shù)

超材料對(duì)電磁波的共振響應(yīng)通常與構(gòu)成超材料的亞波長(zhǎng)諧振器單元的幾何結(jié)構(gòu)、材料特性有關(guān).諧振器單元在入射電磁波的激勵(lì)下，表面處產(chǎn)生強(qiáng)烈的局域電磁場(chǎng)增強(qiáng)并限制在亞波長(zhǎng)單元尺度范圍內(nèi).諧振器引起的強(qiáng)烈共振機(jī)制通常來(lái)源于表面振蕩的位移電流形成的LC 共振、偶極共振以及與諧振器周期相關(guān)的表面等離子體激元模式等[78-84].研究人員能夠通過(guò)合理設(shè)計(jì)諧振器單元來(lái)調(diào)制超材料的共振特性，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)任意頻點(diǎn)的透射、反射、吸收共振，還可以對(duì)電磁波強(qiáng)度[85-87]、相位[88-96]、偏振特性[97-103]進(jìn)行靈活操控.此外，通過(guò)相變材料[104-109]、可調(diào)諧材料[110-119]、微機(jī)電系統(tǒng)[120-126]還可以實(shí)現(xiàn)共振可調(diào)諧特性.

將超材料這一概念應(yīng)用到傳感檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，需要考慮超材料的共振頻率、光譜帶寬、場(chǎng)增強(qiáng)因子以及共振的品質(zhì)因子Q等要素，以實(shí)現(xiàn)最佳的傳感檢測(cè)性能.尤其在太赫茲波段，對(duì)于痕量生物化學(xué)物質(zhì)的傳感需要利用超材料的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)太赫茲波和待測(cè)物之間充分的相互作用.這就需要進(jìn)一步考慮生物化學(xué)物質(zhì)在超材料器件內(nèi)的俘獲，以及與超材料傳感器之間的結(jié)合方式等要素.圖1 給出了利用金屬、半導(dǎo)體硅、碳材料、功能化修飾以及微流通道等方式構(gòu)建的不同超材料應(yīng)用于太赫茲傳感檢測(cè)的示意圖[127-140].其中，共振的品質(zhì)因子Q值反映了諧振的質(zhì)量，同時(shí)也一定程度上反映了諧振器單元附近的場(chǎng)增強(qiáng)情況，Q值定義為

圖1 影響太赫茲超材料生物化學(xué)傳感檢測(cè)的關(guān)鍵因素[127-140]Fig.1.Key factors affecting biochemical sensing and detection of terahertz metamaterials [127-140].

其中，f為共振的中心頻率，F(xiàn)WHW (full-width at half-maximum)為半峰全寬.待測(cè)物引起的共振光譜的頻率和強(qiáng)度變化即可量化待測(cè)物、實(shí)時(shí)監(jiān)控待測(cè)物的變化.當(dāng)偏移量為共振頻率變化時(shí)，通常稱為光譜診斷;當(dāng)偏移量為共振強(qiáng)度變化時(shí)，通常稱為強(qiáng)度診斷.對(duì)于光譜診斷方式的超材料生物化學(xué)分子傳感檢測(cè)應(yīng)用中，衡量傳感檢測(cè)性能的一個(gè)重要指標(biāo)是靈敏度.將靈敏度的概念推廣到一般意義上可表示為

其中，Δfs表示共振頻率偏移量，ΔVa為待測(cè)物分析特征的變化量.靈敏度反映了單位待測(cè)物變化引起的光譜共振頻率偏移量，與諧振器單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇密切相關(guān).不同研究工作中的共振頻率、共振帶寬會(huì)隨諧振器單元的幾何特征、材料屬性等變化產(chǎn)生較大區(qū)別[141-143].因此，可以使用包含超材料共振特性的FoM (figure of merit)來(lái)對(duì)比不同超材料生物化學(xué)傳感器的傳感性能.FoM 可表示為

由(1)—(3)式可以看出，描述超材料共振特性的Q值、傳感性能的靈敏度S和FoM 之間具有如下關(guān)系:

FoM 既反映了超材料自身共振特性，同時(shí)也包含超材料傳感器對(duì)待測(cè)物的響應(yīng)能力.此外，從目前的研究工作可以發(fā)現(xiàn)，待測(cè)物與超材料場(chǎng)增強(qiáng)區(qū)域的有效結(jié)合也是決定超材料對(duì)待測(cè)物響應(yīng)靈敏程度的一個(gè)重要因素.只有待測(cè)物作用在有效區(qū)域，才能極大發(fā)揮超材料對(duì)痕量待測(cè)物與太赫茲波之間相互作用的增強(qiáng)作用.為獲得極高的場(chǎng)增強(qiáng)因子，超材料諧振器單元通常需要設(shè)計(jì)出極小線寬的裂縫，來(lái)將入射場(chǎng)耦合到狹縫中去，從而實(shí)現(xiàn)極小空間內(nèi)的場(chǎng)增強(qiáng).這種極高的場(chǎng)增強(qiáng)在反射、透射或吸收強(qiáng)度光譜上通常表現(xiàn)為極高的Q值.根據(jù)(4)式可知，Q值與FoM 正相關(guān)，更高的Q值意味著更靈敏的傳感檢測(cè)性能.然而，由于高Q值共振的表面增強(qiáng)場(chǎng)將被限制在一個(gè)極小的空間內(nèi)，這就使得待測(cè)物與增強(qiáng)場(chǎng)區(qū)域之間的有效空間重疊體積降低.這也會(huì)影響超材料傳感器在待測(cè)物變化時(shí)共振光譜的變化程度，進(jìn)而影響器件的靈敏度，使FoM 下降.

影響超材料傳感器性能的因素表現(xiàn)出相互制衡的關(guān)系，單獨(dú)依靠提升Q值來(lái)實(shí)現(xiàn)更高靈敏度的超材料傳感器存在一定的提升上限.因此，如何合理平衡超材料器件的共振特性、場(chǎng)增強(qiáng)區(qū)域與待測(cè)物結(jié)合方式之間的權(quán)重是進(jìn)一步提高超材料生物化學(xué)傳感檢測(cè)器件性能的重中之重.

3 不同超材料的太赫茲生物化學(xué)檢測(cè)技術(shù)

將超材料應(yīng)用在傳感檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域具有簡(jiǎn)易、快捷等特點(diǎn)，為了深入研究超材料檢測(cè)技術(shù)與不同生物化學(xué)分子的適配性，進(jìn)一步解決太赫茲超材料傳感檢測(cè)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，眾多研究組展開了許多卓有裨益的工作，推動(dòng)了相關(guān)傳感原理、器件工藝、檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展.下面以構(gòu)成太赫茲超材料的核心材料為分類依據(jù)，對(duì)太赫茲超材料應(yīng)用于生物化學(xué)傳感檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)綜述.

3.1 金屬基太赫茲超材料生物化學(xué)傳感檢測(cè)

基于金屬材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一種基本的、常見的太赫茲超材料的實(shí)現(xiàn)方式.金屬諧振器對(duì)入射太赫茲波電場(chǎng)具有強(qiáng)烈的局域化增強(qiáng)作用，使太赫茲超材料對(duì)周圍介質(zhì)環(huán)境變化十分敏感.因此，可通過(guò)共振光譜的變化分析表面上待測(cè)物的沉積情況或表面上發(fā)生的微量生物化學(xué)過(guò)程[144-169].2016年，Qin 等[170]設(shè)計(jì)了一種基于金屬圓環(huán)裂縫結(jié)構(gòu)的超材料.實(shí)驗(yàn)中，在超材料表面滴加30 μL 不同濃度鹽酸四環(huán)素(TCH)水溶液并在氮?dú)夥諊酗L(fēng)干.測(cè)量的太赫茲透射光譜表明，在0.1—10 mg/L的TCH 濃度范圍內(nèi)，超材料的透射峰幅值隨著TCH 濃度的增加而增加.與硅基底上進(jìn)行的濃度檢測(cè)相比，使用圓環(huán)裂縫超材料的靈敏度提升了105倍.TCH 濃度傳感的最低濃度為0.1 mg/L，這與食品基質(zhì)中四環(huán)素類抗生素的最大極限殘留量相當(dāng).

2016 年，Zhang 等[147]在聚酰亞胺基底上制備了一種由周期性同心金環(huán)組成的太赫茲超材料生物傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞凋亡的無(wú)標(biāo)記檢測(cè)，如圖2(a)所示.實(shí)驗(yàn)中，將經(jīng)化療藥物處理的口腔癌細(xì)胞(SCC4)與未處理的SCC4 分別覆蓋在超材料表面進(jìn)行太赫茲光譜測(cè)試.結(jié)果顯示，使用化療藥物將引發(fā)細(xì)胞形態(tài)學(xué)改變，并顯著消除SCC4 的增殖，這意味著化療藥物引起了細(xì)胞凋亡.隨著細(xì)胞凋亡過(guò)程的進(jìn)行，超材料表面上細(xì)胞數(shù)量發(fā)生變化，生物傳感器上方的待測(cè)物的有效介電常數(shù)隨之改變，獲得的傳感器共振頻率相對(duì)變化與細(xì)胞凋亡呈線性關(guān)系.除此之外，圖2(b)—(d)分別利用金屬基太赫茲超材料對(duì)葡萄糖溶液和尿素、農(nóng)藥以及病毒進(jìn)行傳感檢測(cè)[171-173]，證實(shí)了該類生物傳感器可以發(fā)展成為一種無(wú)標(biāo)簽的、實(shí)時(shí)的、原位檢測(cè)技術(shù).

圖2 金屬基太赫茲超材料生物傳感器 (a) 用于檢測(cè)細(xì)胞凋亡的周期性同心金圓環(huán)結(jié)構(gòu)太赫茲超材料[147];(b)可實(shí)現(xiàn)葡萄糖溶液和尿素檢測(cè)的金屬太赫茲諧振器[171];(c) 用于農(nóng)藥濃度傳感的多頻帶太赫茲超材料吸收器[172];(d) 用于病毒檢測(cè)的銀納米線太赫茲超材料[173]Fig.2.Metal-based terahertz metamaterial biosensors:(a) Periodic concentric gold ring terahertz metamaterial for cell apoptosis sensing[147];(b) metal-base terahertz resonator for glucose and urea detection[171];(c) multiband terahertz metamaterial absorber for pesticide concentration sensing[172];(d) silver nanowires terahertz metamaterial for virus detection[173].

2021 年，Zhang 等[57]報(bào)告了一種由金屬線和分裂環(huán)諧振器組成的電磁誘導(dǎo)透明太赫茲超材料生物傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)惡性膠質(zhì)瘤細(xì)胞的高靈敏度檢測(cè).在2.24 THz 處，該傳感器可以產(chǎn)生一個(gè)極化不敏感的透明窗口.當(dāng)培養(yǎng)的突變型、野生型兩種不同類型膠質(zhì)瘤細(xì)胞覆蓋在超材料的金屬表面后，其共振光譜隨細(xì)胞濃度不同而產(chǎn)生頻率和幅度變化.對(duì)于野生型膠質(zhì)瘤細(xì)胞，在細(xì)胞濃度為8 ×105cell/mL 時(shí)，超材料傳感器最大的靈敏度接近248.75 kHz/(cell·mL—1).此外，共振頻率移動(dòng)和峰值幅度變化對(duì)細(xì)胞濃度的依賴性使其能夠直接區(qū)分不同類型的細(xì)胞，而無(wú)需引入任何抗體或進(jìn)行細(xì)胞染色.

由于金屬超材料在太赫茲波段高品質(zhì)因子共振的特性，基于金屬的太赫茲超材料生物化學(xué)檢測(cè)的研究是最廣泛的，為痕量待測(cè)物檢測(cè)提供了一種便捷、快速、可定量的分析方式.然而，由于金屬超材料金屬圖樣往往通過(guò)光刻、濺射等工藝附著在其他介質(zhì)表面，在多次測(cè)量與多次器件清洗過(guò)程中容易造成諧振器圖樣的脫落，影響器件的可靠性與使用壽命.

3.2 全硅太赫茲超材料生物化學(xué)檢測(cè)

2020 年，Nie 等[135]通過(guò)在摻雜硅片上刻蝕光柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一種全硅太赫茲超材料吸收器，如圖3(a)所示.在超材料表面滴加不同濃度的毒死蜱農(nóng)藥溶液，并在溶劑風(fēng)干后測(cè)試了太赫茲吸收光譜.結(jié)果表明共振吸收光譜頻率和強(qiáng)度均與痕量毒死蜱濃度的變化線性相關(guān).因此，可以根據(jù)吸收光譜特性來(lái)分析毒死蜱農(nóng)藥溶液的濃度.這項(xiàng)工作提供了一種快速、高靈敏的痕量毒死蜱傳感器件的實(shí)現(xiàn)方式，同時(shí)也為其他痕量生物化學(xué)物質(zhì)的檢測(cè)提供了可行性.不同于金屬基太赫茲超材料無(wú)需復(fù)雜精致的設(shè)計(jì)就可以獲得較高Q值的共振和較高的場(chǎng)增強(qiáng)因子的特點(diǎn)，該超材料吸收器較寬的共振頻帶限制了檢測(cè)的靈敏度和最低檢測(cè)濃度.然而，由于材料屬性限制，金屬基超材料存在制備成本高、工藝難度大以及金屬圖樣易脫落等局限.同年，Wang 等[139]通過(guò)在硅表面向下刻蝕實(shí)現(xiàn)了一種單帶全硅太赫茲超材料，可實(shí)現(xiàn)對(duì)2，4-D 農(nóng)藥的傳感檢測(cè)，并通過(guò)仿真研究了不同折射率待測(cè)物(液體石蠟、癌細(xì)胞和乙醇)對(duì)共振特性的影響，如圖3(b)所示.2021 年，Yue 等[140]利用全硅光柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一種多帶共振超材料，可實(shí)現(xiàn)最低檢測(cè)濃度為20 ng/L 的痕量毒死蜱檢測(cè)，此外，由于全硅的材料選擇，該超材料可以通過(guò)泵浦光注入靈活調(diào)控其共振特性，如圖3(c)所示.全硅超材料由于制備成本低、導(dǎo)熱系數(shù)低、固有損耗低，最重要的是生物惰性與化學(xué)穩(wěn)定性較好，獲得了廣泛的關(guān)注.除了全硅超材料以外，其他如鉭酸鋰、聚乙烯(PE)、聚甲基戊烯(TPX)等更多種類的介質(zhì)材料也成為了太赫茲超材料關(guān)注的熱點(diǎn)，尤其是介質(zhì)材料與生物化學(xué)分子的相容性，吸引了越來(lái)越多的研究熱忱[174，175].

圖3 全硅太赫茲超材料傳感器 (a)基于周期性同軸環(huán)和圓柱結(jié)構(gòu)的太赫茲超材料吸收器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)毒死蜱溶液的靈敏檢測(cè)[135];(b) 單帶全硅太赫茲超材料傳感器，用于2，4-D 農(nóng)藥檢測(cè)[139];(c) 一種可用于毒死蜱檢測(cè)的全硅光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲超材料吸收器[140]Fig.3.All-silicon terahertz metamaterial sensors:(a) Terahertz metamaterial absorber based on periodic coaxial ring and cylindrical structure for the sensitive detection of chlorpyrifos solution[135];(b) single-band all-silicon terahertz metamaterial absorbers for 2，4-D pesticide sensing[139];(c) an all-silicon grating metamaterial absorber for chlorpyrifos detection [140].

3.3 碳基太赫茲超材料生物化學(xué)檢測(cè)

近年來(lái)，材料自身特性對(duì)太赫茲超材料傳感檢測(cè)的改性和優(yōu)化逐漸成為研究熱點(diǎn).由于碳基材料具有良好的生物相容性、可修飾特性及其在太赫茲范圍內(nèi)優(yōu)異的光電特性，許多與碳基材料相結(jié)合的太赫茲超材料的傳感檢測(cè)研究工作(以石墨烯、碳納米管為代表)展現(xiàn)了在生物化學(xué)傳感檢測(cè)領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景[176-180].石墨烯與DNA 分子可以通過(guò)π 鍵堆積相互作用形成強(qiáng)鍵合，因此石墨烯薄膜可與太赫茲超材料相結(jié)合，以提高對(duì)目標(biāo)DNA 樣品的傳感效率.2020 年，Lee 等[181]報(bào)告了一種先進(jìn)的無(wú)標(biāo)記檢測(cè)方法，用于識(shí)別單鏈DNA(ssDNA)，如圖4(a)所示，該方法將石墨烯薄層轉(zhuǎn)移到納米縫隙超材料表面上，使DNA 分子可以被石墨烯充分吸附.在λ/10—λ/10000 范圍內(nèi)，納米縫隙共振結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的太赫茲近場(chǎng)增強(qiáng)可以增加生物分子與石墨烯薄層的吸收截面，從而可以在低濃度水平下觀察到生物分子的變化，顯著提高石墨烯層納米縫隙超材料的傳感性能.與石墨烯相結(jié)合的太赫茲超材料傳感平臺(tái)將為未來(lái)的研究提供廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，不僅用于生物醫(yī)學(xué)，如小生物分子的超靈敏太赫茲傳感，也可以用于理解薄膜(如二維材料)的電光行為.

圖4 碳基太赫茲超材料傳感器 (a) 石墨烯復(fù)合納米槽基太赫茲超材料，用于識(shí)別單鏈DNA (ssDNA)[181];(b) 一種碳納米管超材料，可用于農(nóng)藥濃度檢測(cè)[138]Fig.4.Carbon-based terahertz metamaterial sensors:(a) Graphene composite nanoslot-based terahertz metamaterial for ssDNA detection[181];(b) a carbon nanotubes metamaterial which can be used for pesticide concentration detection[138].

此外，作為一種新型納米材料，碳納米管具有表面積大、體積小、柔韌性強(qiáng)、電子轉(zhuǎn)移速度快、生物相容性好等優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)特性.最重要的是它具有檢測(cè)復(fù)雜待測(cè)物的能力，為器件在太赫茲波段的傳感檢測(cè)提供了新的機(jī)遇.2020 年，Wang 等[137]利用真空抽濾法以及激光加工技術(shù)制備了一種由單壁碳納米管(SWCNT)薄膜的切割線陣列組成的超靈敏分子傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄糖、乳糖和毒死蜱分子的高靈敏檢測(cè).所提出的碳納米管超材料傳感器針對(duì)上述三種物質(zhì)的檢測(cè)極限值分別為30，40 和10 ng/mL，比金屬基超材料高出2 個(gè)數(shù)量級(jí).這種超高的檢測(cè)極限歸因于所制備SWCNT 薄膜的高電導(dǎo)率特性，以及碳納米管對(duì)目標(biāo)待測(cè)物的有效吸附.除此之外，2020 年，Wang 等[138]利用低壓化學(xué)氣相沉積(LP-CVD)制備了一種均勻性和取向性良好的超順排碳納米管薄膜，如圖4(b)所示.該項(xiàng)工作在硅襯底上構(gòu)建了一種支持表面等離子體激元(SPPs)的太赫茲超材料，實(shí)現(xiàn)了痕量農(nóng)藥濃度的檢測(cè).當(dāng)不同濃度梯度的2，4-D 或毒死蜱溶液滴加在超材料表面時(shí)，其太赫茲透射光譜的幅值隨農(nóng)藥濃度改變發(fā)生了明顯的變化.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，農(nóng)藥濃度的變化與透射幅值之間呈現(xiàn)出兩段線性關(guān)系，臨界值約為10 ×10—6(質(zhì)量分?jǐn)?shù)).設(shè)計(jì)的器件具有質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)2.0 ×10—9的最小靈敏度和0.13%的重復(fù)性測(cè)量誤差.

從上述研究可以看出，金屬基超材料、全硅超材料、石墨烯超材料、碳納米管超材料等太赫茲超材料傳感檢測(cè)技術(shù)都依托于超材料對(duì)入射電磁場(chǎng)的局域化增強(qiáng)作用，使傳感檢測(cè)器件可以感知表面散落的微量生物化學(xué)物質(zhì).雖然傳感的物理機(jī)理相同，但新型結(jié)構(gòu)和新的技術(shù)不斷出現(xiàn)，不斷出現(xiàn)的新型材料與超材料相結(jié)合，極大豐富了太赫茲超材料傳感檢測(cè)技術(shù)的研究，同時(shí)也兼顧了超材料結(jié)構(gòu)、材料選擇與待測(cè)物之間的適配性，不斷增強(qiáng)了器件的傳感檢測(cè)能力與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.然而，這些方法往往只能定量檢測(cè)待測(cè)物的量，并不具備特異性識(shí)別功能.作為太赫茲超材料傳感檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向，特異性識(shí)別功能的實(shí)現(xiàn)將在下一節(jié)介紹.

4 與新技術(shù)結(jié)合的太赫茲超材料生物化學(xué)傳感檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展

4.1 太赫茲超材料生物化學(xué)特異性檢測(cè)技術(shù)

碳水化合物在大多數(shù)生物體內(nèi)對(duì)細(xì)胞間通信和能量代謝起到關(guān)鍵作用，一種可以區(qū)分不同糖類的特異性檢測(cè)具有極大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.Lee 等[182]從光譜特異性角度出發(fā)，利用金屬狹縫天線在0.5—2.5 THz 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同種類碳水化合物的區(qū)分和定量檢測(cè).由于分子構(gòu)成結(jié)構(gòu)不同，葡萄糖、半乳糖、甘露糖、果糖、麥芽糖、蔗糖、纖維素等碳水化合物在0.5—2.5 THz 范圍內(nèi)的指紋譜線具有不同的共振響應(yīng).盡管通過(guò)這種方式可以對(duì)不同類型的糖分加以區(qū)分，然而這種測(cè)量指紋譜需要的待測(cè)物的量并不符合痕量檢測(cè)的特性.因此，將不同的碳水化合物的指紋譜特性與超材料設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，針對(duì)不同糖分的共振峰進(jìn)行不同幾何參數(shù)特性的超材料設(shè)計(jì)，使超材料的共振峰與能代表該種類糖分的共振峰的頻率位置一致.從圖5(a)中歸一化的透射光譜可以看出，針對(duì)左旋葡萄糖指紋譜共振特性設(shè)計(jì)的葡萄糖狹縫超材料器件，其透射幅值與共振頻率在葡萄糖濃度發(fā)生改變后能產(chǎn)生極大的光譜偏移量，而使用相同結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的器件對(duì)蔗糖和纖維素進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，光譜偏移量下降不明顯，且葡萄糖、蔗糖、纖維素表現(xiàn)出不同的偏移速率.依據(jù)光譜進(jìn)行超材料設(shè)計(jì)從待測(cè)物光譜特性的角度出發(fā)，能夠區(qū)分微量待測(cè)物物理化學(xué)特性上表現(xiàn)出的特異性.然而這種特異性識(shí)別具有局限性，只能在幾種光譜特性已知且具有較好共振特異性的物質(zhì)中進(jìn)行區(qū)分，并不能針對(duì)性地識(shí)別出特定的待測(cè)物[183，184].如果不同的待測(cè)物具有相似的指紋譜特性，從光譜角度設(shè)計(jì)的超材料難以區(qū)分這兩種不同的物質(zhì)，并且這種依據(jù)物質(zhì)指紋譜共振來(lái)進(jìn)行超材料設(shè)計(jì)并不能確定提升傳感檢測(cè)性能.例如，2016 年，Xu 等[185]使用一種由方形金屬貼片陣列組成的超材料并選取果糖和L-組氨酸作為待測(cè)物分析了目標(biāo)吸收峰與超材料共振峰之間的關(guān)系，如圖5(b)所示.在0.78—0.95 THz 頻率范圍內(nèi)果糖無(wú)任何明顯的吸收峰，L-組氨酸在約0.78 THz處有一個(gè)強(qiáng)吸收峰，吸收系數(shù)高于果糖，在此頻率范圍內(nèi)果糖的折射率高于L-組氨酸.利用共振頻率為0.78 THz 的超材料對(duì)兩者進(jìn)行傳感測(cè)試，發(fā)現(xiàn)果糖的頻移大于L-組氨酸，即果糖的傳感靈敏度更高，其次，再用共振頻率為0.86 THz 的超材料進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)得果糖的吸收系數(shù)和折射率均大于L-組氨酸，依然得到果糖的靈敏度大于L-組氨酸的結(jié)果，表明在這種情況下折射率可能是影響傳感靈敏度的主要因素.這種基于光譜的特異性檢測(cè)技術(shù)實(shí)際上是傳統(tǒng)太赫茲超材料傳感檢測(cè)技術(shù)的一種拓展，通過(guò)光譜或光譜變化的差異性，可在一定范圍內(nèi)區(qū)分不同的待測(cè)物種類，但是并不能識(shí)別出待測(cè)物的生物化學(xué)特性.然而，上述工作為實(shí)現(xiàn)太赫茲超材料特異性檢測(cè)提供了一種新的解決思路，同時(shí)也進(jìn)一步說(shuō)明建立樣品在太赫茲范圍內(nèi)指紋譜庫(kù)的重要性.

圖5 基于指紋光譜的太赫茲超材料傳感器 (a) 利用金屬狹縫天線對(duì)不同種類碳水化合物進(jìn)行區(qū)分和定量檢測(cè)[182];(b) 用于檢測(cè)果糖和L-組氨酸的金屬超材料[185]Fig.5.Terahertz metamaterial sensor based on fingerprint spectrum:(a) Using nano-antenna array to distinguish and quantitatively detect different types of carbohydrates[182];(b) metal-based metamaterials for detection of fructose and L-histidine[185].

太赫茲超材料能夠與生物組織發(fā)生非破壞性和無(wú)害的相互作用，為快速感染診斷、低成本檢測(cè)等應(yīng)用提供了強(qiáng)大的平臺(tái).然而，特異性的生物化學(xué)識(shí)別是必不可少的，在多數(shù)情況下，基于超材料的太赫茲傳感技術(shù)往往只能定量地檢測(cè)待測(cè)物的濃度、劑量等定量指標(biāo)，不能精準(zhǔn)區(qū)分不同待測(cè)物種類，實(shí)現(xiàn)特異性識(shí)別.同時(shí)，作為影響太赫茲超材料檢測(cè)器件性能的一個(gè)重要因素，待測(cè)物與超材料增強(qiáng)場(chǎng)區(qū)域的重合體積將極大影響器件的檢測(cè)性能.而與特異性抗體結(jié)合的太赫茲超材料傳感技術(shù)，為解決上述問(wèn)題提供了一個(gè)可行的技術(shù)路線[186-191].通過(guò)太赫茲技術(shù)、超材料設(shè)計(jì)加工以及生物化學(xué)分子修飾等多學(xué)科技術(shù)的交叉，將能俘獲特定待測(cè)物的特異性抗體結(jié)合到超材料增強(qiáng)場(chǎng)區(qū)域上，不但增強(qiáng)了太赫茲波與物質(zhì)相互作用，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同生物化學(xué)分子、細(xì)胞、蛋白的特異性檢測(cè)功能.

2014 年，Park 等[192]用大腸桿菌抗體修飾超材料的表面并開展了在水環(huán)境中進(jìn)行的大腸桿菌特異性檢測(cè)研究，如圖6(a)所示.將超材料襯底浸入3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTS)∶甲苯(2∶1000)溶液中進(jìn)行表面功能化后，并浸泡在大腸桿菌抗體溶液中3 h，使超材料表面與大腸桿菌抗體結(jié)合.表面固定上對(duì)大腸桿菌特異性識(shí)別的抗體后，待測(cè)物溶液中的大腸桿菌與超材料表面上結(jié)合的抗體之間形成連接，在水環(huán)境中吸附著大腸桿菌樣本.經(jīng)表面功能化修飾后的超材料在俘獲大腸桿菌后產(chǎn)生了23 GHz 共振光譜頻率移動(dòng).然而，未進(jìn)行表面抗體修飾的對(duì)照組不能產(chǎn)生明顯的頻率位置移動(dòng)，這說(shuō)明將待測(cè)物俘獲到共振增強(qiáng)的關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)將極大影響器件的檢測(cè)性能.此外，從實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果可觀察到共振頻率的移動(dòng)強(qiáng)烈地依賴于位于間隙區(qū)域的細(xì)菌的數(shù)量和待測(cè)物的介電常數(shù).這一結(jié)果說(shuō)明了表面特異性抗體修飾對(duì)檢測(cè)性能提升的重要作用.

Wu 等[186]利用生物素與十八硫醇(ODT，CH3(CH2)17SH)的自發(fā)固定以及ODT 在金表面的自組裝，在金屬超材料的表面上形成了排列緊密的ODT-生物素復(fù)合物.當(dāng)鏈霉親和素-瓊脂糖(SA)分子與功能化表面接觸時(shí)，生物素將與SA 發(fā)生特異性結(jié)合，將SA 束縛在超材料表面，形成可觀測(cè)到的斑點(diǎn).該超材料在0.5—2.5 THz 范圍內(nèi)具有兩個(gè)共振模式，包括低頻LC 諧振以及高頻偶極子諧振.兩種模式都適用于SA 的檢測(cè)，其中高頻模式具有更高的靈敏度.在襯底材料為硅(n=3.4)的情況下進(jìn)行傳感分析，低頻模式發(fā)生0.7 GHz 的頻移，高頻模式發(fā)生2.77 GHz 的頻移;當(dāng)襯底材料為石英(n=2)時(shí)再次進(jìn)行傳感分析，其低頻模式移動(dòng)1.58 GHz，高頻模式移動(dòng)6.76 GHz.與低頻模式對(duì)比可看出，高頻模式具有更高的靈敏度.此外，使用低折射率襯底代替高折射率襯底也可以有效地提高器件傳感的靈敏度.

2017 年，Ahmadivand 等[193]設(shè)計(jì)了一種如圖6(b)所示的由非對(duì)稱開口諧振環(huán)為單元結(jié)構(gòu)的超材料器件，并分別選取鐵(Fe)和鈦(Ti)兩種材料作為單元結(jié)構(gòu)中的磁諧振器和電諧振器.由于耦合諧振器效應(yīng)，鐵的磁性有助于增強(qiáng)等離子體結(jié)構(gòu)中心塊的共振磁場(chǎng)，中間的矩形鈦充當(dāng)偶極子頭尾振蕩的子午線，進(jìn)而可以獲得高Q值的諧振峰.將寨卡病毒包膜蛋白(ZIKV)抗體在磷酸鹽緩沖液中沉積到超材料樣品傳感區(qū)域后，對(duì)不同濃度的ZIKV 包膜蛋白進(jìn)行了檢測(cè)，光譜響應(yīng)測(cè)得檢測(cè)限約為24 pg/mL，靈敏度為6.47 GHz/log(pg/mL).同時(shí)分析了該傳感器的壽命以及重復(fù)性，經(jīng)驗(yàn)證其傳感性能可在三天內(nèi)保持可靠.

除了在超材料表面做功能化抗體修飾外，將抗體修飾的金納米顆粒(GNPs)引入超表面來(lái)實(shí)現(xiàn)特異性檢測(cè)的方法可以使用更少的待測(cè)樣品來(lái)實(shí)現(xiàn)高靈敏度傳感.表皮生長(zhǎng)因子受體(EGFR)是一種在多種癌癥病發(fā)過(guò)程中起重要作用的跨膜蛋白，對(duì)EGFR 的檢測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.2021 年，Liu 等[194]用EGFR 抗體對(duì)GNPs 進(jìn)行修飾，并滴加在設(shè)計(jì)的蝴蝶結(jié)陣列太赫茲超材料生物傳感器表面上，如圖6(c)所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，與只對(duì)超表面進(jìn)行抗體功能化相比，GNPs 的引入可以帶來(lái)更大的頻移.該器件可以快速、靈敏地檢測(cè)EGFR，同時(shí)能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)EGFR 相關(guān)腫瘤.此外，還分析了GNPs 尺寸對(duì)傳感靈敏度的影響，在一定范圍內(nèi)，其直徑越大帶來(lái)的傳感增強(qiáng)越明顯.

圖6 與抗體結(jié)合的太赫茲超材料傳感器 (a) 使用大腸桿菌抗體做表面修飾的超材料，實(shí)現(xiàn)在水環(huán)境中對(duì)大腸桿菌進(jìn)行特異性檢測(cè)[192];(b) 用于特異性檢測(cè)ZIKV 的超材料[193];(c) 將抗體修飾的GNPs 引入超材料來(lái)實(shí)現(xiàn)EGFR 的特異性檢測(cè)[194]Fig.6.Terahertz metamaterial sensor combined with antibody:(a) Specific detection of E.coli in water environment realized by metamaterial with surface modification of E.coli antibody[192];(b) metamaterial for the specific detection of ZIKV[193];(c) antibodymodified GNPs are introduced into the metamaterial to achieve specific detection of EGFR[194].

與光譜特異性的實(shí)現(xiàn)方式相比，增加特異性抗體修飾雖然增加了器件加工制備的流程，但也通過(guò)分子間的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了特異性識(shí)別功能，同時(shí)還進(jìn)一步加強(qiáng)了待測(cè)物與增強(qiáng)場(chǎng)的結(jié)合.但在一些特殊待測(cè)物的識(shí)別中，由于修飾抗體不能長(zhǎng)時(shí)間保存，因此需要在器件修飾特異性抗體后盡快使用，這無(wú)疑也限制了其實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展.

4.2 與微流控結(jié)合的太赫茲超材料傳感檢測(cè)技術(shù)

由于水汽對(duì)太赫茲波的強(qiáng)烈吸收，太赫茲傳感器通常僅限于干燥或部分水化的樣品，這意味著如何減少液體待測(cè)樣品是發(fā)展太赫茲生物傳感應(yīng)用的一個(gè)重要方向.微流體因其液體的使用量少、嚴(yán)格的流體約束和精確的微尺度流體控制避免了這一缺點(diǎn).由于這些優(yōu)異的特性，微流控芯片可以作為一種極具前景的輔助手段引入到太赫茲生物傳感器的設(shè)計(jì)中.將被檢測(cè)的生物分子(蛋白質(zhì)、RNA、DNA 等)溶解在液體樣品中，通過(guò)微流控技術(shù)注入集成了微流控芯片的太赫茲傳感器可以克服太赫茲頻率下的強(qiáng)吸水性，有利于在水環(huán)境中進(jìn)行傳感[195-206].

Shih 等[207]通過(guò)將二氧化硅通道與超材料諧振器集成，將待測(cè)液體限制在納米空間區(qū)域內(nèi)，提出了一種工作在水環(huán)境下的太赫茲生物化學(xué)傳感器.設(shè)計(jì)的開口環(huán)諧振器(SRR)和Fano 諧振器如圖7(a)—(c)所示，并使用醇水混合物和三磷酸腺苷(ATP)適配驗(yàn)證了傳感能力.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著乙醇濃度的增加，共振頻率藍(lán)移.SRR 諧振器從純乙醇溶液到水的諧振頻率偏移為60.37 GHz，F(xiàn)ano 諧振腔的諧振頻率偏移為53.05 GHz.隨著ATP 濃度的增加，ATP 適配體功能化后的傳感器的共振頻率不變，透射幅值減小.當(dāng)ATP 濃度為0.1 μmol/L 時(shí)，透射差值接近于0，當(dāng)ATP 濃度增加到105μmol/L 時(shí)，透射差值逐漸達(dá)到0.0465.此外，Hu 等[195]提出并制作了一種基于超材料吸收器的新型微流體太赫茲傳感器.采用雙功能微流體通道設(shè)計(jì)，將通道集成在金屬微結(jié)構(gòu)陣列-介質(zhì)-金屬(MDM)超材料吸收器內(nèi)部作為間隔體，預(yù)測(cè)靈敏度可達(dá)3.5 THz/RIU.與傳統(tǒng)的僅表面暴露于待測(cè)物的傳感器相比，其共振場(chǎng)與待測(cè)物的重疊顯著擴(kuò)大，從而提高了靈敏度.實(shí)驗(yàn)中使用空氣(nair=1.00)、乙醇(nethanol=1.6)、葡萄糖(nglucose=2.1)作為待測(cè)物，在較寬的折射率范圍內(nèi)所測(cè)得的各種待測(cè)物的頻率偏移與仿真結(jié)果符合較好，這種超材料集成的微流體傳感器可以擴(kuò)展到其他頻率范圍，在生物傳感和化學(xué)物質(zhì)檢測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景.為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、無(wú)標(biāo)記、實(shí)時(shí)、特異的太赫茲生物傳感，Zhou 等[206]將石墨烯與太赫茲超表面結(jié)合到微流體單元中，用于高靈敏生物傳感.設(shè)計(jì)的太赫茲石墨烯-超表面微流控平臺(tái)可以有效減小樣品溶液體積，并增強(qiáng)生物分子與太赫茲波的相互作用，從而提高靈敏度.從微流控單元、超表面微流控單元和石墨烯微流控單元三種微流單元的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于石墨烯-超表面太赫茲混合微流控器件的傳感靈敏度更高.此外，在石墨烯超表面上修飾特定的適配體，可以特異性識(shí)別食源性病原體大腸桿菌O157:H7 的DNA 序列，成功實(shí)現(xiàn)了100 nmol/L 的DNA 短序列檢測(cè).Geng 等[208]為克服太赫茲頻段的吸水性，提高太赫茲生物傳感器的靈敏度，制備了兩種集成微流控的太赫茲超材料生物傳感器，如圖7(d)所示，用于早期肝癌生物標(biāo)志物甲胎蛋白(AFP)和谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶同工酶II(GGT-II)的檢測(cè).雙間隙超材料對(duì)GGT-II 和AFP 的共振頻率偏移量分別為19 GHz (5 mu/mL)和14.2 GHz (0.02524 μg/mL)，與仿真結(jié)果一致.結(jié)果表明了超材料在痕量癌癥生物標(biāo)志物生物化學(xué)傳感中的能力和重要性.此外，對(duì)于特定的癌癥生物標(biāo)志物，可以通過(guò)優(yōu)化超材料結(jié)構(gòu)和降低襯底的介電常數(shù)來(lái)進(jìn)一步提高其靈敏度.這種方法對(duì)于早期癌癥分子的特殊識(shí)別具有一定的潛力.

圖7 集成微流體的太赫茲超材料生物傳感器 (a)納米流體太赫茲超材料傳感器用于醇水混合物和三磷酸腺苷(ATP)檢測(cè)[207];用SRR (b) 和Fano 諧振器(c)制作的THz 超材料芯片的掃描電子顯微鏡圖像及模擬電場(chǎng)分布[207];(d)集成微流體的太赫茲超材料生物傳感器用于早期肝癌生物標(biāo)志物檢測(cè)[208]Fig.7.THz metamaterials biosensor chip integrated with microfluidics.(a) Nanofluidic THz metamaterial sensor and its cross-sectional device structure for alcohol-water mixture and adenosine triphosphate (ATP)[207].Scanning electron microscopic image of the fabricated THz metamaterial chip with SRR (b) and Fano resonator (c) and their simulated electric field distribution[207].(d) THz metamaterials biosensor chip integrated with microfluidics for liver cancer biomarker testing[208].

與微流控結(jié)合的太赫茲超材料檢測(cè)技術(shù)作為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，促進(jìn)了低能量太赫茲波在水環(huán)境化學(xué)和生物傳感中的應(yīng)用，為無(wú)標(biāo)記、無(wú)損分子研究開辟了新的研究領(lǐng)域，對(duì)生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域目標(biāo)生物物質(zhì)識(shí)別具有重要意義.不僅如此，微流通道也能夠?yàn)樾揎椀奶禺愋钥贵w提供保護(hù)，增加其存放時(shí)間.同時(shí)，將分立的特異性修飾微流通道結(jié)合在同一片超材料上也可以為多種類待測(cè)物、復(fù)雜待測(cè)物的多通路同時(shí)檢測(cè)提供一種可行方案.

4.3 太赫茲超材料生化傳感檢測(cè)新技術(shù)

從太赫茲超材料自身共振角度考慮，為獲得更加出色的傳感檢測(cè)性能，新結(jié)構(gòu)與新型材料的超材料器件被不斷提出;從待測(cè)物與共振增強(qiáng)場(chǎng)結(jié)合角度來(lái)說(shuō)，使用特異性抗體對(duì)超材料表面進(jìn)行表面功能化，使用微流控結(jié)構(gòu)，亦或是二者結(jié)合都極具針對(duì)性地解決了太赫茲超材料應(yīng)用傳感檢測(cè)領(lǐng)域的幾個(gè)重要問(wèn)題.而在一些太赫茲超材料傳感檢測(cè)的工作中，為解決一些針對(duì)性的問(wèn)題采用了一些新奇的方法或使用了一些新技術(shù)手段，為該領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展提供了新的思路，本節(jié)將對(duì)這些新方法進(jìn)行綜述.

類似于使用微流控技術(shù)解決液態(tài)環(huán)境檢測(cè)問(wèn)題，2021 年，Zhou 等[209]制備了一種分子特異性太赫茲超材料生物傳感器(如圖8(a)所示)，用水凝膠代替了微流控芯片，可用于水環(huán)境中人α-凝血酶(h-TB)的靈敏、無(wú)標(biāo)記和定量檢測(cè).該傳感器主要由兩部分組成:響應(yīng)h-TB 的適配體水凝膠和三乙氧基硅烷預(yù)處理的太赫茲超材料.將適配體及其互補(bǔ)序列接枝到亞甲基雙丙烯酰胺交聯(lián)線性聚丙烯酰胺聚合物上，制備具有親水性和不溶性多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的適配體水凝膠，再將適配體水凝膠緊密固定在具有均勻結(jié)構(gòu)的硅烷化太赫茲超材料上，使設(shè)計(jì)的器件結(jié)構(gòu)可以迎合水環(huán)境檢測(cè)需求.同時(shí)，由于水凝膠中適配體的存在，該傳感器對(duì)實(shí)際血清樣品檢測(cè)具有顯著的特異性和良好的靈敏度，在人血清基質(zhì)中的檢測(cè)限可達(dá)0.40 pmol/L.由此可見，使用功能化水凝膠作為液態(tài)環(huán)境檢測(cè)的策略可以作為一個(gè)典型案例為開發(fā)適用于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和臨床診斷的分子特異性太赫茲生物傳感器提供新的途徑.

Zhang 等[210，211]在利用手性太赫茲超材料對(duì)氨基酸溶液進(jìn)行定量檢測(cè)和手性檢測(cè)的工作中把太赫茲波一個(gè)重要參數(shù)—偏振狀態(tài)引入到傳感檢測(cè)領(lǐng)域.在這項(xiàng)工作中，將表征太赫茲極化狀態(tài)的四個(gè)重要信息作為手性氨基酸溶液傳感的數(shù)據(jù)依據(jù)，包括表征極化狀態(tài)轉(zhuǎn)換的極化橢球角(PEA)和極化轉(zhuǎn)換角度(PRA).在如圖8(b)所示的實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量了反射式螺旋形金屬圖樣超材料的偏振特性:圓二色性(CD)和旋光性(OA)光譜.通過(guò)不同濃度的氨基酸水溶液處理手性超材料后，由于手性分子和水環(huán)境的存在，使得設(shè)計(jì)的手性超材料對(duì)太赫茲的偏振響應(yīng)特性發(fā)生改變，從PEA，PRA，CD，OA 光譜的變化中即可定量檢測(cè)氨基酸水溶液的濃度，并提升傳感的靈敏度.此外，在使用圓偏振太赫茲波激勵(lì)情況下，通過(guò)對(duì)超材料手性譜的分析，可以定性區(qū)分D-脯氨酸和L-脯氨酸兩種鏡像對(duì)映體，即區(qū)分分子的手性.這種新的太赫茲傳感方法提高了低濃度溶液樣品的檢測(cè)靈敏度，增強(qiáng)了待測(cè)物的光學(xué)手性響應(yīng).引入偏振轉(zhuǎn)換特性的太赫茲超材料傳感技術(shù)同樣可以擴(kuò)展到其他手性生物化學(xué)物質(zhì)溶液的區(qū)分，并為太赫茲超材料傳感檢測(cè)技術(shù)提供了一種新型測(cè)試平臺(tái)搭建方式.同時(shí)，較傳統(tǒng)方式的太赫茲超材料共振光譜分析，偏振檢測(cè)獲得了更多有關(guān)待測(cè)物的信息.

圖8 太赫茲超材料生化傳感檢測(cè)技術(shù)中的新方法 (a) 利用適體水凝膠功能化太赫茲超材料制成的分子特異性太赫茲生物傳感器[209];(b) 應(yīng)用于太赫茲偏振轉(zhuǎn)換和薄膜厚度檢測(cè)的雙層手性超材料[210]Fig.8.New methods in terahertz metamaterial biochemical sensing and detection:(a) Molecule-specific THz biosensor was fabricated from an aptamer hydrogel-functionalized THz metamaterial[209];(b) double-layer chiral metamaterial for terahertz polarization conversion and film thickness detection[210].

Duan 等[212]提出并制備了一種以空氣為介質(zhì)層的太赫茲超材料完美吸收器.通常，超材料吸收器由諧振器圖樣、介質(zhì)層、底部金屬背板三層構(gòu)成，而在這項(xiàng)工作中，通過(guò)倒裝工藝與窗口區(qū)的結(jié)合，巧妙地制備出介質(zhì)層為空氣的超材料吸收器.這使得該器件不需額外地引入微流通道，即可提供微量溶液存儲(chǔ)空間，此外，由于介質(zhì)層的缺失，這種超材料吸收器共振的品質(zhì)因子提高了約3 倍，為實(shí)現(xiàn)傳感檢測(cè)應(yīng)用提供了一種既便捷又獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).

此外，從獲取信息量的角度考量，通過(guò)成像方式也可實(shí)現(xiàn)生物傳感檢測(cè)，不僅極大增加了進(jìn)行診斷的數(shù)據(jù)量，而且也豐富了數(shù)據(jù)來(lái)源.Lee 等[213]將蘋果皮貼合在超材料表面上進(jìn)行成像測(cè)試，反射成像的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，滴有滅多威農(nóng)藥的果皮區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出明顯的斑點(diǎn).這種反射成像方式提出了一種新型的不提取農(nóng)藥殘留的無(wú)損檢測(cè)方法，更迎合快速無(wú)損的檢測(cè)方式.2021 年，Lee 等[214]通過(guò)納米尺度的縫隙陣列對(duì)入射太赫茲波進(jìn)行局域化和增強(qiáng)，對(duì)小鼠腦組織、指紋等生物標(biāo)本的太赫茲成像，無(wú)需任何標(biāo)記，邊界信息更清晰，提高了成像的對(duì)比度，并通過(guò)這種方法識(shí)別了小鼠腦部淀粉積累的區(qū)域.

表1 列舉了近幾年不同研究工作中實(shí)現(xiàn)的太赫茲超材料生物化學(xué)傳感檢測(cè)技術(shù)的性能和特點(diǎn)，包括構(gòu)成太赫茲超材料的核心材料、實(shí)現(xiàn)功能、實(shí)現(xiàn)傳感檢測(cè)功能概念等.從表1 可以看出，基于太赫茲超材料的生物化學(xué)傳感檢測(cè)技術(shù)呈現(xiàn)出向特異性識(shí)別、痕量高靈敏傳感檢測(cè)方向的發(fā)展趨勢(shì)，并逐步與越來(lái)越多的新技術(shù)、新方法結(jié)合，具有成為一種高效、無(wú)標(biāo)簽、低成本的實(shí)用方法并進(jìn)行商業(yè)化的強(qiáng)大潛力.

表1 各種太赫茲超材料生物化學(xué)傳感器對(duì)比Table 1. List of various THz metamaterial biochemical sensors.

基于更廣闊的光譜范圍，越來(lái)越多的新技術(shù)和跨學(xué)科技術(shù)不斷與超材料傳感檢測(cè)技術(shù)交叉融合.新的光譜解析方式、傳感檢測(cè)手段、多偏振方向及成像等獲取更多光譜信息的方法不斷為超材料傳感檢測(cè)領(lǐng)域添磚加瓦[215].同時(shí)，深度學(xué)習(xí)、人工智能等數(shù)據(jù)分析手段為進(jìn)行待測(cè)物定性、定量檢測(cè)提供了更加精準(zhǔn)、可行的數(shù)據(jù)分析結(jié)果[216].這些技術(shù)都有望擴(kuò)展到太赫茲波段，并表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力.

5 總結(jié)與展望

近年來(lái)，超材料由于對(duì)光物質(zhì)相互作用的明顯增強(qiáng)作用成為太赫茲傳感檢測(cè)技術(shù)研究領(lǐng)域中備受青睞的對(duì)象.以超材料構(gòu)成材料為出發(fā)點(diǎn)，開展了不同基底、不同結(jié)構(gòu)超材料傳感檢測(cè)性能的研究工作，檢測(cè)對(duì)象從相對(duì)較小的農(nóng)藥分子殘留覆蓋到細(xì)胞結(jié)構(gòu)組織，極大地豐富了相關(guān)研究成果，進(jìn)一步明確了影響傳感檢測(cè)性能的幾大因素.目前，基于超材料的太赫茲超材料傳感檢測(cè)技術(shù)主要有兩方面進(jìn)一步提升的需求:一是不斷優(yōu)化超材料共振單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理規(guī)劃共振增強(qiáng)區(qū)域，并根據(jù)預(yù)期性能合理選擇金屬基、全硅、石墨烯、碳納米管超材料等不同的構(gòu)成材料來(lái)獲取更優(yōu)異的光譜共振特性;二是通過(guò)表面功能化特異性抗體、微流通道等方式優(yōu)化待測(cè)物與超材料之間的有效結(jié)合.而從器件層面看的待測(cè)物與場(chǎng)增強(qiáng)區(qū)域的有效結(jié)合、器件對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的俘獲等要素，和從超材料自身角度看的增強(qiáng)區(qū)域大小、共振Q值和共振特性等因素之間表現(xiàn)出相互制衡、相互影響的關(guān)系.因此，為了提升傳感性能，既可以通過(guò)不斷優(yōu)化超材料共振特性，也可以通過(guò)改變被測(cè)物與超材料的結(jié)合方式，且要考量不同要素之間的相互影響.此外，特征光譜和特異性抗體兩種技術(shù)路線也為日益增長(zhǎng)的特異性檢測(cè)需求提供了進(jìn)一步的技術(shù)方案.

近年來(lái)涌現(xiàn)出許多新結(jié)構(gòu)、新材料、新機(jī)制并與太赫茲超材料檢測(cè)技術(shù)相融合，進(jìn)而涌現(xiàn)出一系列全新傳感檢測(cè)方案，這一領(lǐng)域的研究工作越來(lái)越需要多學(xué)科技術(shù)的相互融合來(lái)促進(jìn)其向?qū)嶋H應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展，將太赫茲超材料檢測(cè)能力的研究推向包含物理、化學(xué)、生物、器件、算法的全新高度.具備優(yōu)異共振性能的超材料以及在其他波段出現(xiàn)的新型光譜分析技術(shù)、數(shù)據(jù)分析新算法、深度學(xué)習(xí)與人工智能對(duì)數(shù)據(jù)的深入挖掘?qū)⒊蔀槲磥?lái)太赫茲超材料生化傳感檢測(cè)的重要發(fā)展方向，這將會(huì)更加促進(jìn)太赫茲超材料在生物物理、器件性能及應(yīng)用方面的蓬勃發(fā)展.