评述：基于QBIC超表面的太赫兹超灵敏生物传感器

研究背景

      太赫兹（THz）技术以其强穿透性、非电离和非破坏性等独特优势在高速通信、无损检测与成像以及生物医学诊断等众多领域被广泛应用。特别是THz频段内包含有大量生物化学分子的分子间弱相互作用、分子转动/振动能级、晶格低频振动吸收等重要物质信息，它们可形成独特的光谱指纹以实现物质鉴别，这使得THz技术在生物化学传感领域具有极大的应用优势。随着对太赫兹技术研究的不断深入，传统的太赫兹检测技术也面临着诸多问题，比如生物样品中水的吸收会对THz信号造成干扰，痕量样品提供的THz响应非常微弱，以及THz波与微尺度样品的散射/吸收截面不匹配等问题。

      近年来，超表面与太赫兹技术的结合逐渐受到了生物医学传感领域的关注。这是因为超表面的作用尺度在细胞层级，其有效传感范围正好与细胞厚度相匹配。同时超表面可以实现对局域光场能量的强约束，从而促进光-物质作用。此外，超表面可以与微流控、衰减全反射（ATR）、抗体/纳米颗粒体系等技术结合，具有广泛的适用场景。

      然而，传统的金属与介质超表面往往受限于欧姆或辐射损耗，导致其共振存在较低的Q因子或较弱的共振深度，这将大大抑制光-物质相互作用的效率，直接降低传感器的检测性能。尽管随着新材料例如石墨烯、碳纳米管等的应用或许可以提供解决方案，但是其容易受到批量制备工艺与成本的限制。近年来，连续域中的准束缚态(QBIC)概念被引入超表面的设计中，用于实现高Q因子的共振激发，专家学者们开始探索基于QBIC的光学超表面在生物化学传感领域的潜在应用。

论文导读

      近日，上海理工大学彭滟教授小组提出了一种太赫兹波段内的新型QBIC金属超表面设计及其传感应用，其通过在金属超表面结构中引入非对称性来操纵电四极子与磁偶极子的干涉耦合，从而诱导了Q因子高达503的超高品质谐振(QBIC)的激发。在该模式下，超表面约束的光场能量和有效传感区域分别实现了400%和1300%的巨大增幅，从而拓展了光-物质相互作用的强度与广度。模拟和实验表明，该QBIC超表面具有高达420 GHz/RIU的折射率灵敏度，对痕量同型半胱氨酸（Hcy）分子的直接检测限（LoD）为12.5 pmol/μL。该研究成果以题为“Terahertz ultrasensitive biosensor based on wide-area and intense light-matter interaction supported by QBIC”发表在中科院一区期刊Chemical Engineering Journal上。该新型太赫兹超表面传感器与已报道的文献相比综合性能最优，其将有助于实现痕量生化分子的高精度传感，并促进超高Q因子光学非线性平台的开发和应用。该工作由上海理工大学庄松林院士领导的太赫兹技术创新研究院主导完成，第一作者为刘炳伟博士，通讯作者为彭滟教授，魏东山教授，朱亦鸣教授。

主要研究内容

      在这项工作中，研究人员提出了一种基于QBIC的“环链型”超表面。在太赫兹脉冲的激发下，结构不对称的引入将引发电四极子和磁偶极子之间的干涉耦合，并且可以在远场中观察到具有超高乃至无限Q因子的QBIC共振。基于理论模拟，研究人员发现QBIC相比本征偶极（Dipole）共振具有更好的传感性能。这是基于以下两点：1）通过电磁场的空间耦合实现的有效传感面积的巨幅增加；2）由高Q因子决定的强光场约束极大促进了面内光-物质相互作用。研究人员还通过优化结构的非对称度来实现QBIC共振的Q因子和振幅深度的控制，这取决于检测不同生物样品和系统分辨率的需求。这里所提出的QBIC超表面具有高达503的超高Q因子，理论灵敏度为420 GHz/RIU，可以在2 THz附近实现高性能传感，并且对生物标志物（Hcy）的直接检测极限（LoD）可达pmol量级。研究结果表明，这种QBIC超表面生物传感器可以作为高性能检测痕量生物分子的强大工具，并且可以推广到THz波段以外的跨波长区域。

技术突破

      基于QBIC的“环链”超表面设计图如图1（a）所示，在太赫兹脉冲的激发下，在谐振器的回路中存在一对反向电流振荡（蓝色箭头），且各自产生环形磁场（紫色箭头）。它们在谐振器的开口及中间的大间隙区域发生耦合，从而表现出对入射光场的广域和超强的束缚行为（图1a，左），插图中还给出了具体的结构设计方案（图1a，右）。实际加工的超表面生物传感器的示意图如图1b所示。在图1c中，包含样品分子的试剂通过滴样与超表面传感器接触，并且以薄膜或团簇的形式附着在传感器表面。相比于传统的超表面设计，该QBIC超表面生物传感器具有超大的传感区域可“捕获”更多的样品分子，并且具有超高的Q值可以实现对痕量样品的高精度分辨。

      研究人员发现，在QBIC共振模式下，超表面在x-y平面上的电场增强不仅分布在谐振腔的内部及其侧边缘，而且还存在于谐振器之间的大间隙区域，并且推测该位置形成了一个大范围的“光活性区域”（图2a，右）。而超表面在y-z平面上的磁场分布表明，谐振腔处存在两个极强的环形磁场。它们分别沿z方向逆时针和顺时针分布，并且在相交区域内紧密叠加，其与推测的“光活性区域”重合（图2c，右）。这种强耦合意味着电磁场和物质之间的相互作用将比偶极（Dipole）共振强得多。此外，在x-y平面设置的电磁场探针AB表明，QBIC模式对应的电场和磁场强度在空间上具有超强的分布特征（图2b，d）。因此，可以证实QBIC诱导的大范围光活性区域的存在，这大大拓展了面内光-物质相互作用的空间范围，并意味着有效传感面积的巨幅增加。与本征Dipole模式相比，计算得到QBIC模式对应的传感区域面积增加了约1300%（图中绿色掩模标记的区域为有效感测区域）。此外，在图3e中，可以发现QBIC模式约束的电场能量比Dipole模式增加了约400%，且能量分布非常集中。这意味着在QBIC共振位置的光场存储了更多的电磁能量用于与分析物的耦合，这将大大拓展面内光-物质相互作用的强度。而在图3f中还给出了不同非对称度下受超表面约束的光场能量的整体频域分布，可以清楚地观察到对称保护BIC态向QBIC态演化所对应的能量泄漏过程。

      同型半胱氨酸（Hcy）是人体中反映心脑血管疾病、阿尔茨海默氏症、精神分裂症、炎症性疾病等的关键生物标志物，对其浓度的高精度检测对众多临床疾病的预防与诊治具有重要的意义。研究人员基于所提出的QBIC超表面传感器对痕量同型半胱氨酸分子进行了高精度传感。实验结果表明，该超表面传感器对应QBIC共振对痕量同型半胱氨酸分子的直接检测极限为12.5 pmol/μL，其性能相比传统Dipole模式提升了约40倍，有力证明了该超表面生物传感器在临床应用中的巨大潜力。

观点评述

      连续域中的准束缚态（QBIC）由于其超高的辐射品质（Q）因子，在光开关、非线性、通信和传感方面具有独特的吸引力。在超表面中观察到的QBIC也为实现面内强光-物质相互作用以及开发超灵敏生物传感器提供了一个可行的平台。本项研究展示了一种新型QBIC超表面及其生物传感应用。通过操纵电四极子和磁偶极子之间的干涉耦合，可以激发超高品质的QBIC谐振并可支持广域和超强的光-物质相互作用。具体而言，研究人员通过在超表面中引入非对称度，从而打破对称保护BIC态并形成极窄线型的QBIC共振，该模式下将分别实现约束的电磁能量与有效传感面积约400%与1300%的巨幅增加，所形成的大范围强光活性区域将大幅提高传感器对于痕量分子的捕捉概率并促进光场能量与样品分子的耦合。模拟与实验证明，所激发的QBIC共振在2 THz附近具有高达503的超高品质因子与420 GHz/RIU的高灵敏度，并可直接实现对痕量分子的pmol级传感，其检测精度至少提高了40倍。该项工作为实现痕量分子的快速、精确和无损传感提供了一条新途径，并在生物化学反应监测、光催化和光生物调制领域具有潜在应用。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

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