3D打印太赫茲Anapole超生物傳感器用于分子振動傳感

在現代生物傳感技術中，太赫茲（THz）光譜因其特別的低能量、非侵入性和非電離特性，逐漸成為生物醫學領域的重要工具。由于氨基酸、脂質、蛋白質等許多生物分子的振動、轉動能級恰好位于THz頻段，太赫茲光譜因此成為檢測這些生物分子的理想平臺。通過這些分子特別的振動特征，太赫茲光譜可實現物質的特異性識別。然而，由于波長與分子尺度的失配，在分子級別的檢測仍然面臨著許多挑戰，尤其是在檢測微量分析物時。基于超表面的生物傳感技術，進一步提高了傳感靈敏度，因此被廣泛應用。然而，傳統的太赫茲超表面生物傳感器往往依賴于折射率頻移，無法充分利用分子的振動指紋特性，因此在混合物檢測中存在固有限制。相對于折射率傳感，分子振動指紋傳感是具有特異性的，這使得它非常適合于混合物的傳感。

近日，西安交通大學張留洋教授團隊提出了一種基于Anapole模式的太赫茲超表面生物傳感器，利用過耦合的超表面諧振模式與分子振動模式相互作用產生的電磁誘導吸收（EIA）效應，成功實現了對糖類、氨基酸等生物小分子的高靈敏度特異性檢測。此外，在機器學習算法的輔助下，所設計的生物傳感器實現了對五種不同類別分子的識別。這項研究的成果為無標記生物檢測提供了新的思路，在復雜混合生物樣本分析中展現出廣闊的應用潛力。相關成果以“Terahertz molecular vibrational sensing using 3D printed anapole meta-biosensor"為題發表于國際期刊《Biosensors & Bioelectronics》上，論文第一作者為西安交通大學機械工程學院碩士研究生楊承霖。

圖1. 太赫茲Anapole超生物傳感器設計、制備及應用。

傳感器采用了立體的金屬—介質—金屬三明治結構。相比于傳統平面結構，立體結構能夠提供更大的太赫茲與物質相互作用空間，從而提高傳感靈敏度。在器件制備方面，研究團隊采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術（nanoArch^® S130，精度：2 μm）實現了立體器件的高精度制備，相比于傳統光刻工藝，極大簡化了制備復雜性，顯著降低了制備成本，為太赫茲傳感器件的高效、低成本制備提供了新的思路（圖1）。

圖2. 3D打印太赫茲器件表征。

研究團隊對制備得到的傳感器進行了性能測試。實驗結果顯示，基于過耦合的Anapole諧振與分子振動模式之間的相互作用，傳感器能夠在1.44 THz頻率下檢測到D-葡萄糖溶液，靈敏度可達0.54%/(mg·mL^-1)。此外，傳感器還能夠定量檢測D-谷氨酸和D-乳糖及其混合物，展示了其在復雜混合生物樣本分析中的巨大潛力(圖3、4)。

圖3. 生理水平葡萄糖溶液濃度的定量檢測。

圖4. 糖類和氨基酸及其混合物溶液的定量檢測。

進一步，研究團隊結合了機器學習算法，實現了對五種不同分子100%的識別率。在分子識別過程中，研究團隊采用主成分分析（PCA）和支持向量機（SVM）相結合的方法，對獲取的太赫茲光譜數據進行降維和分類。通過PCA方法，研究人員成功提取了光譜數據中的有效信息，并利用SVM實現了高精度的分子分類（圖5）。

圖5. 機器學習輔助超生物傳感器用于分子識別。

綜上所述，基于Anapole模式的太赫茲生物傳感器在分子識別和定量檢測方面展現出優異的性能。通過深入研究其物理機制，研究團隊成功實現了對多種生物分子的高靈敏度檢測，并結合機器學習方法實現了高準確率的分子分類。該研究不僅為太赫茲生物傳感器的設計提供了理論基礎，也為未來的生物檢測技術開辟了新的方向，具有廣泛的應用前景。