一种基于Q-BIC技术的、具有极化不敏感特性的全介质太赫兹超表面生物传感器，其实验Q值较高

《Optics & Laser Technology》：A Q-BIC driven polarization-insensitive all-dielectric terahertz metasurface biosensor with a high experimental Q-factor

提出了一种由硅圆柱和石英基板组成的多孔介质电介质太赫兹超表面生物传感器，通过调整对角线圆柱的半径破坏对称性，激发具有超高品质因子的三频带准束缚态连续（Q-BIC）共振。实验测得Q因子为224，用L-脯氨酸溶液测试，浓度在0.1到1 mmol/L之间观察到显著红色偏移，验证其高灵敏度。同时具备指纹识别能力、非电离安全性和极化不敏感性。

　　本文介绍了一种基于全介质材料的太赫兹超表面生物传感器，该传感器由硅圆柱体和石英基底构成，并通过调整圆柱体的半径以打破四元簇单元的对称性，激发了由准束缚态在连续谱（Q-BIC）驱动的三频带共振。这种全介质超表面表现出完全的偏振不敏感特性，这有助于生物传感过程并减少因位置放置不当而产生的误差。实验测得的Q因子达到224，显示出较高的性能。该传感器在检测L-脯氨酸溶液时表现出显著的红移现象，表明其具有较高的灵敏度。此外，该传感器还展示了指纹识别能力，使其在生物分子检测方面具有重要应用潜力。

太赫兹波（THz）是位于微波和红外之间的电磁波，频率范围为0.1–10 THz。与其它波段相比，太赫兹波具有独特的性质，如穿透非极性及介电材料的能力、指纹特性以及低单光子能量。这些特性使得太赫兹波非常适合用于检测生物化学物质，而不会造成离子化损伤。然而，金属超表面在生物传感中存在一个主要问题，即欧姆损耗会导致大量的电磁能量转化为热能，从而严重限制了高Q因子的实现。目前实验测得的金属超表面生物传感器最高Q因子仅为58，对应于同型半胱氨酸的检测限为0.05 pg/μL。相比之下，全介质超表面由于其较低的非辐射损耗，可以表现出更尖锐的共振特性，从而实现更高的Q因子。然而，尽管有诸多模拟研究支持，实验上实现高Q因子的全介质超表面仍然较为困难，主要受限于特定的制造挑战。

近年来，一些研究团队在全介质超表面生物传感器领域取得了重要进展。例如，2022年，王鹏飞等人在基于BIC的全硅太赫兹超表面中实现了高达1049的Q因子，而2025年，孙广成等人在全介质太赫兹谐振器中实现了拓扑保护的BIC模式，测得Q因子为371，这显著高于传统设计。然而，这些研究并未专门针对生物传感应用进行设计，因此缺乏相应的传感实验分析。相比之下，一些团队如杨云云和门科等人，虽然已经对全介质超表面进行了生物传感方面的实验研究，但测得的Q因子仅为40和35，明显低于理论预期。这表明在全介质超表面生物传感器领域，仍存在较大的研究空间。

本文提出的全介质超表面生物传感器，采用了一种周期性排列的不对称四元簇结构。在每个四元簇单元中，四个硅圆柱体被沉积在石英基底上。通过同步调整两个对角线圆柱体的半径，打破了四元簇结构的对称性，从而激发了由Q-BIC驱动的三频带共振。实验测得的Q因子分别为224、98和97，显示出较高的性能。此外，当传感器暴露于不同浓度的L-脯氨酸溶液时，其三频带共振峰出现了显著的红移，这验证了传感器的高灵敏度。L-脯氨酸是一种人体蛋白质合成所需的20种必需氨基酸之一，是氨基酸输液的重要原料，也是合成一线降压药物如卡托普利和依那普利的关键中间体。它在食品和制药行业中被广泛应用。本文实验中使用的L-脯氨酸由上海桑跟生物科技有限公司提供。

在太赫兹波段，分析物的特征吸收或反射光谱通常由分子或晶格振动、旋转以及弱相互作用引起，这些光谱表现出指纹般的独特性，从而实现了精准识别。与折射率传感相比，分析物指纹传感不仅提供了定量响应，还具有特定的识别能力。通过调整太赫兹波的入射角度，可以改变共振峰的位置。通过阶梯角度测试，可以进一步优化传感器的性能。此外，本文提出的全介质超表面还展示了指纹识别能力，这使得其在生物分子检测中具有独特的优势。

在制造方面，本文提出的全介质超表面采用石英基底和硅结构层。基底为厚度为500±10 μm的石英晶片，结构层为厚度为120±10 μm的本征硅晶片，具有〈100〉晶向和电阻率≥10 kΩ·cm。本征硅具有较高的热导率，这有助于在深硅刻蚀过程中防止光刻胶烧毁，并避免后续样品制造失败。制造过程包括多个关键步骤，如基底清洗、光刻胶涂覆、光刻、刻蚀、剥离和表面处理等。这些步骤确保了超表面结构的精确制造，从而提高了传感器的性能。

本文提出的全介质超表面在太赫兹波段表现出高Q因子共振，这得益于其较低的非辐射损耗，使其在生物传感应用中具有显著优势。通过设计不对称的四元簇结构，实现了对微小生物分子的高灵敏度检测。这种传感器不仅能够准确识别生物分子，还能够在多种应用场景中保持稳定性能。此外，由于其非离子化特性，该传感器在检测过程中不会对样品造成损伤，从而提高了检测的可靠性和安全性。

综上所述，本文提出的全介质太赫兹超表面生物传感器具有多项优异特性，包括非离子化安全性、偏振不敏感性、高Q因子、高灵敏度以及指纹识别能力。这些特性使其在生物分子检测领域具有广阔的应用前景。未来的研究可以进一步优化传感器的结构设计，提高其灵敏度和选择性，从而拓展其在生物医学、食品安全和环境监测等领域的应用价值。同时，可以探索更先进的制造技术，以实现更复杂的结构和更高的性能，推动全介质超表面生物传感器的发展。