在現(xiàn)代生物傳感技術(shù)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(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要工具。由于氨基酸、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等許多生物分子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)恰好位于THz頻段，太赫茲光譜因此成為檢測(cè)這些生物分子的理想平臺(tái)。通過(guò)這些分子特別的振動(dòng)特征，太赫茲光譜可實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的特異性識(shí)別。然而，由于波長(zhǎng)與分子尺度的失配，在分子級(jí)別的檢測(cè)仍然面臨著許多挑戰(zhàn)，尤其是在檢測(cè)微量分析物時(shí)。基于超表面的生物傳感技術(shù)，進(jìn)一步提高了傳感靈敏度，因此被廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的太赫茲超表面生物傳感器往往依賴于折射率頻移，無(wú)法充分利用分子的振動(dòng)指紋特性，因此在混合物檢測(cè)中存在固有限制。相對(duì)于折射率傳感，分子振動(dòng)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(xué)張留洋教授團(tuán)隊(duì)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(guò)耦合的超表面諧振模式與分子振動(dòng)模式相互作用產(chǎn)生的電磁誘導(dǎo)吸收（EIA）效應(yīng)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)糖類、氨基酸等生物小分子的高靈敏度特異性檢測(cè)。此外，在機(jī)器學(xué)習(xí)算法的輔助下，所設(shè)計(jì)的生物傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)五種不同類別分子的識(shí)別。這項(xiàng)研究的成果為無(wú)標(biāo)記生物檢測(cè)提供了新的思路，在復(fù)雜混合生物樣本分析中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力。相關(guān)成果以“Terahertz molecular vibrational sensing using 3D printed anapole meta-biosensor"為題發(fā)表于國(guó)際期刊《Biosensors & Bioelectronics》上，論文第一作者為西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生楊承霖。

圖1. 太赫茲Anapole超生物傳感器設(shè)計(jì)、制備及應(yīng)用。

傳感器采用了立體的金屬—介質(zhì)—金屬三明治結(jié)構(gòu)。相比于傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)，立體結(jié)構(gòu)能夠提供更大的太赫茲與物質(zhì)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(tuán)隊(duì)采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（nanoArch^® S130，精度：2 μm）實(shí)現(xiàn)了立體器件的高精度制備，相比于傳統(tǒng)光刻工藝，極大簡(jiǎn)化了制備復(fù)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(tuán)隊(duì)對(duì)制備得到的傳感器進(jìn)行了性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，基于過(guò)耦合的Anapole諧振與分子振動(dòng)模式之間的相互作用，傳感器能夠在1.44 THz頻率下檢測(cè)到D-葡萄糖溶液，靈敏度可達(dá)0.54%/(mg·mL^-1)。此外，傳感器還能夠定量檢測(cè)D-谷氨酸和D-乳糖及其混合物，展示了其在復(fù)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(cè)。

圖4. 糖類和氨基酸及其混合物溶液的定量檢測(cè)。

進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合了機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)五種不同分子100%的識(shí)別率。在分子識(shí)別過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)采用主成分分析（PCA）和支持向量機(jī)（SVM）相結(jié)合的方法，對(duì)獲取的太赫茲光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維和分類。通過(guò)PCA方法，研究人員成功提取了光譜數(shù)據(jù)中的有效信息，并利用SVM實(shí)現(xiàn)了高精度的分子分類（圖5）。

圖5. 機(jī)器學(xué)習(xí)輔助超生物傳感器用于分子識(shí)別。

綜上所述，基于Anapole模式的太赫茲生物傳感器在分子識(shí)別和定量檢測(cè)方面展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。通過(guò)深入研究其物理機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種生物分子的高靈敏度檢測(cè)，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)了高準(zhǔn)確率的分子分類。該研究不僅為太赫茲生物傳感器的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，也為未來(lái)的生物檢測(cè)技術(shù)開(kāi)辟了新的方向，具有廣泛的應(yīng)用前景。