在現(xiàn)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(yī)學領域的重要工具。由于氨基酸、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等許多生物分子的振動、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(xiàn)物質(zhì)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(zhàn)，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(tǒng)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(chǎn)生的電磁誘導吸收（EIA）效應，成功實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(zhì)—金屬三明治結構。相比于傳統(tǒng)平面結構，立體結構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(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(xiàn)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(shù)據(jù)進行降維和分類。通過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實現(xiàn)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(xiàn)出優(yōu)異的性能。通過深入研究其物理機制，研究團隊成功實現(xiàn)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(xiàn)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。
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