浙江
在现代生物传感技术中，太赫兹（THz）光谱因其独特的低能量、非侵入性和非电离特性，逐渐成为生物医学领域的重要工具。由于氨基酸、脂质、蛋白质等许多生物分子的振动、转动能级恰好位于THz频段，太赫兹光谱因此成为检测这些生物分子的理想平台。通过这些分子特有的振动特征，太赫兹光谱可实现物质的特异性识别。然而，由于波长与分子尺度的失配，在分子级别的检测仍然面临着许多挑战，尤其是在检测微量分析物时。基于超表面的生物传感技术，进一步提高了传感灵敏度，因此被广泛应用。然而，传统的太赫兹超表面生物传感器往往依赖于折射率频移，无法充分利用分子的振动指纹特性，因此在混合物检测中存在固有限制。相对于折射率传感，分子振动指纹传感是具有特异性的，这使得它非常适合于混合物的传感。
近日，西安交通大学张留洋教授团队提出了一种基于Anapole模式的太赫兹超表面生物传感器，利用过耦合的超表面谐振模式与分子振动模式相互作用产生的电磁诱导吸收（EIA）效应，成功实现了对糖类、氨基酸等生物小分子的高灵敏度特异性检测。此外，在机器学习算法的辅助下，所设计的生物传感器实现了对五种不同类别分子的识别。这项研究的成果为无标记生物检测提供了新的思路，在复杂混合生物样本分析中展现出广阔的应用潜力。相关成果以“Terahertz molecular vibrational sensing using 3D printed anapole meta-biosensor”为题发表于国际期刊《Biosensors & Bioelectronics》上，论文第一作者为西安交通大学机械工程学院硕士研究生杨承霖。
图1. 太赫兹Anapole超生物传感器设计、制备及应用。
传感器采用了立体的金属—介质—金属三明治结构。相比于传统平面结构，立体结构能够提供更大的太赫兹与物质相互作用空间，从而提高传感灵敏度。在器件制备方面，研究团队采用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术（nanoArch®S130，精度：2 μm）实现了立体器件的高精度制备，相比于传统光刻工艺，极大简化了制备复杂性，显著降低了制备成本，为太赫兹传感器件的高效、低成本制备提供了新的思路（图1）。
图2. 3D打印太赫兹器件表征。
研究团队对制备得到的传感器进行了性能测试。实验结果显示，基于过耦合的Anapole谐振与分子振动模式之间的相互作用，传感器能够在1.44 THz频率下检测到D-葡萄糖溶液，灵敏度可达0.54%/(mg·mL-1)。此外，传感器还能够定量检测D-谷氨酸和D-乳糖及其混合物，展示了其在复杂混合生物样本分析中的巨大潜力(图3、4)。
图3. 生理水平葡萄糖溶液浓度的定量检测。
图4. 糖类和氨基酸及其混合物溶液的定量检测。
进一步，研究团队结合了机器学习算法，实现了对五种不同分子100%的识别率。在分子识别过程中，研究团队采用主成分分析（PCA）和支持向量机（SVM）相结合的方法，对获取的太赫兹光谱数据进行降维和分类。通过PCA方法，研究人员成功提取了光谱数据中的有效信息，并利用SVM实现了高精度的分子分类（图5）。
图5.机器学习辅助超生物传感器用于分子识别。
综上所述，基于Anapole模式的太赫兹生物传感器在分子识别和定量检测方面展现出优异的性能。通过深入研究其物理机制，研究团队成功实现了对多种生物分子的高灵敏度检测，并结合机器学习方法实现了高准确率的分子分类。该研究不仅为太赫兹生物传感器的设计提供了理论基础，也为未来的生物检测技术开辟了新的方向，具有广泛的应用前景。
https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.117351
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