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本文构建了基于分层超材料的比色仿生传感器（HMm-CBs）平台，用于多种分子传感。该平台能识别四环素盐酸盐（TCHs），检测限达 0.003mg/L，还可监测虾的新鲜度。研究成果为多功能超材料设备在传感领域的应用提供新思路。
### 一、研究背景
超材料由亚波长尺度的金属单元构成，具备信号放大、高可控性和高灵敏度等特性，在分子传感领域应用广泛。其增强的灵敏度主要源于表面等离子体激元（SPPs）的共振激发和波导模式共振。凭借对 “元原子” 空间排列的合理设计，超材料能够实现对宽谱电磁辐射的控制。随着微纳加工技术的发展，基于超材料的传感器已在生物传感领域得到应用，可对癌症生物标志物、毒素、生物分子、农药及抗生素残留等多种分析物进行痕量检测。
然而，传统的单层超材料常依赖简单结构设计，与分析物的相互作用缺乏特异性，限制了检测的选择性。而且，食品中目标分子复杂多样，超材料制成后，其目标识别功能往往单一，可调节范围有限。因此，研发一种能突破现有单层超材料限制，实现对多种目标分子精准、选择性检测的传感器迫在眉睫。
比色仿生传感器（CBs）作为模拟人类感官系统的技术，通过分子可视化能力为分析复杂信号提供了可能。CBs 利用染料分子与目标分析物之间的交叉反应捕捉分子指纹，从而实现识别和区分。比色传感器阵列策略已被证实是识别食品基质中多种分析物的有效方法。此外，CBs 层在太赫兹（THz）频率范围内具有高透射率，对目标信号干扰极小。将不同尺度的亚波长阵列相结合，分层超材料与 CBs 的集成具备诸多优势，既能弥补单层 THz 超材料在特异性识别方面的不足，又能为超材料结构的灵活设计提供更直观的分子指纹参考，以匹配目标分子，实现所需的共振特性。这种分层结构赋予超材料从光学到 THz 频率的超宽带适应性，提升了其在多种应用中的通用性。
二、HMm-CBs 传感平台的构建与表征
研究人员开发了一种自组装方法来构建 HMm-CBs 传感平台。首先通过真空过滤制备碳纳米管（CNT）薄膜，再利用一步湿转移法将其转移到 Au 基底上，制备出 Au-CNT 混合材料。随后，使用激光蚀刻技术在基于 Au-CNT 的超表面上制造周期性缝隙天线阵列（SAA）单元。最后，通过毛细管力将比色传感器阵列沉积在涂有薄层色谱（TLC）的超表面上，成功制备出 HMm-CBs。
该超材料的分层结构由三层组成。底部的 Au 层具有良好的导电性和高反射率，作为基底为 THz 波传播提供稳定的电磁环境。中间层是动态可调的 CNT 谐振器，它结合了高导电性、可调性和高比表面积的优点，提升了传感器的性能，增强了灵敏度和响应速度。顶部的比色传感器阵列则用于可视化分析物指纹。
对 Au 层的表征发现，通过离子溅射沉积法制备的 Au 纳米颗粒（AuNPs）在其表面自由分散，扫描电子显微镜（SEM）图像显示 AuNPs 呈均匀的球形微观结构，直径为 19.5nm，薄膜厚度约为 150nm。CNT 谐振器层具有基于 CNT 的 SAA 亚波长结构单元，排列有序、尺寸标准。在微观尺度上，亚波长 SAA 元结构具备强大的电磁场限制能力，可作为 THz 谐振器检测周围电介质的变化。对 CNT 薄膜的 Raman 光谱表征显示，其在～1,350cm-1和～1,590cm-1处分别出现 D 峰和 G 峰，且 G 峰与 D 峰的强度比大于 2，证实了 SAA 表面的 CNT 为单层结构，纯度高、结构完整且无表面缺陷。
比色传感器阵列层由硅基底和化学响应染料分子区域构成。通过 Dektak XT 台阶仪测量，薄硅胶膜的厚度约为 200μm，由凝胶筛分机旋涂制备。SEM 图像显示硅胶基底表面存在孔隙，有助于染料分子的吸附和均匀分散。对吸附锌四苯基卟啉（ZnTPP）后的 CBs 进行元素映射，发现碳（C）、氮（N）、氧（O）、硅（Si）和锌（Zn）在 TLC 层中的分布高度均匀，表明 ZnTPP 在 CBs 中均匀分布。通过汞侵入孔隙度测试对 TLC 层的比表面积和孔径进行评估，其累积侵入曲线呈现典型的 Ⅱ 型等温线，反映了在大孔吸附剂上的典型物理吸附过程。计算得出总侵入体积为 2.2841mL/g，总孔面积为 493.897m2/g，中位孔径（体积）约为 8254.37nm，远大于小分子分析物的尺寸，有利于分析物的快速吸附和自由扩散。当 TCHs 添加到 CBs 层时，基于金属离子、TCHs 和染料分子之间的竞争响应机制，会发生颜色响应变化。
三、指纹的模式识别分析
通过评估暴露前后每个像素，获得 TCHs 的差异图像并生成指纹。以浓度为 100mg/L 的 TCH、土霉素盐酸盐（OTCH）、金霉素盐酸盐（CTCH）和强力霉素盐酸盐（DOXH）为例，展示了各自的指纹。为了对不同类型 TCHs 的指纹进行定性分析，研究人员运用了主成分分析（PCA），并生成了 3D 得分图。结果显示，第一主成分 PC1 的贡献率为 58.31%，PC2 为 16.07%，前三个主成分的累积贡献率达到 84.25%。尽管样本数据点略有重叠，但仍呈现出聚类趋势，表明设计的比色传感器阵列对不同的 TCHs 有不同响应。
层次聚类分析（HCA）得到的树形图也反映了 CBs 数据中的聚类情况，所有 TCHs 样本都能明显区分，24 个案例中无错误或不准确情况。为提高 CBs 衍生的不同 TCH 指纹的区分率，研究人员使用线性判别分析（LDA）、k 近邻（KNN）和反向传播神经网络（BPNN）三种分类算法构建分类模型。LDA 模型在 PC=7 时达到最佳正确判别率（校准 = 100%，预测 = 83.33%）；KNN 模型在 PC=10、K=3 时最佳（校准 = 98.33%，预测 = 90%）；BPNN 算法表现最为出色，训练集和预测集的判别率均为 100%，错误率为 0。这表明 CBs 结合化学计量学可有效区分 TCHs。不过，不同浓度（0.01mg/L - 1000mg/L）的 TCH 溶液在 CBs 上的指纹差异并不明显，说明 CBs 层在现场检测和可视化识别不同 TCHs 方面虽有优势，但对 TCHs 的痕量高灵敏度检测能力有限。
四、分层超材料的传感原理
THz 波与超材料结合能够增强电磁波与复杂分子集体振动之间的相互作用，这一特性在分子传感中应用广泛。超材料的设计是提高分析物检测灵敏度的关键挑战之一，而分子指纹可为超材料设计提供更直观的参考。基于构建的 CBs 层的指纹识别能力，研究人员设计出与目标分子匹配的超材料结构，通过选择材料和设计谐振器单元结构，实现了所需的共振特性，从而实现对痕量分析物的高灵敏度检测。
利用有限差分时域（FDTD）数值模拟对分层超材料的电场进行可视化。模拟得到的基于 Au-CNT 的超材料在共振峰处的表面电场分布显示，在 0.57THz 时，强电场主要集中在 SAA 结构边缘两侧，对周围电介质环境的微小变化敏感，具有传感应用潜力。实验共振峰与模拟结果吻合良好，强度差异主要源于基底损耗以及模拟和实验系统参数的差异。
对比空白样品和 Au-CNT-SAA 超材料的 THz 脉冲时域轮廓，发现超材料的主脉冲强度减弱且出现轻微时间延迟。强度减弱是由于 THz 波与超材料金属成分相互作用产生的吸收损耗以及菲涅尔损耗（THz 波在界面的反射）；时间延迟则是因为超材料在 THz 波段的折射率大于 1，导致光在其中传播速度降低。
进一步研究制备的 HMm 对 TCHs 的分子传感能力，通过压片法制备不同 TCHs 粉末样品并记录其 THz 波段吸收光谱，发现除 OTCH 整体吸收峰较弱外，其他三种 TCHs 在 0.72 - 0.78THz 范围内均有较强吸收峰。检测不同浓度 TCHs 时，超材料的归一化吸收光谱在 0.67 - 0.78THz 处有明显吸收峰，与 TCHs 的指纹光谱匹配。这是通过优化微阵列结构设计和 CNT 基薄膜的独特可调特性，使超材料结构的 THz 共振峰与 TCHs 的分子指纹峰相匹配，增强了 THz 波与分析物的相互作用，提高了传感的灵敏度和选择性。
研究 TLC 层对 TCH 吸附效率和 THz 透射率响应的影响发现，Au-CNT-TLC 层的透射率略低于未涂层的 Au-CNTs，这是由样品厚度的微小差异导致的光程差引起的。加入 TCHs 后，两者透射率均降低，且 Au-CNT-TLC 的透射率变化率（ΔT/T）比 Au-CNTs 增加了 4.68%，表明 TLC 层作为超薄大孔吸附剂，优化了检测过程，提高了小分子的分离和富集效率。对分层超材料 100 个随机位置的 THz 透射率测试显示，其变化小于 10%，相对标准偏差表明超材料结构均匀，信号重复性好。
TCH 检测过程为：将不同浓度（0.01 - 1,000mg/L）的 TCH 分子滴在 HMm 表面，干燥后收集 THz 光谱分析。结果显示，0.57THz 处的光谱透射率随 TCH 浓度增加而逐渐降低，TCH 浓度与相应的 ΔT/T 在 0.57THz 处的标准相关性呈现高度线性，相关系数（R2）为 0.9948，拟合方程为 y = 3.926x + 10.172（y 代表 0.57THz 处的 ΔT/T，x 代表 TCH 对数浓度），计算得到的检测限（LOD）为 0.003mg/L。对比纯 Au 和基于 Au-CNT 的超材料对 TCH 溶液的检测，发现 Au 基超材料的透射率较高，但基于 Au-CNT 的超材料透射率变化更明显，其 LOD 为 0.05mg/L，远高于 Au-CNTs。
CNT 基超材料传感分析灵敏度增强的机制在于，通过 π - π 堆积等非共价表面力使吸附分子在超材料表面富集，改变了样品的折射率和吸收系数，借助 SAA 结构的局部电场增强了灵敏度。此外，分析物的引入使 CNT 发生掺杂，大量分子使费米能级靠近狄拉克点，降低了载流子密度和光电导率，实现了更高的透射率和更显著的吸收共振。
五、选择性和抗干扰能力
为评估 HMm-CBs 对 TCHs 检测的选择性和抗干扰能力，研究人员考察了多种抗生素（林可霉素、氯霉素、青霉素、红霉素、卡那霉素和阿莫西林）的影响。将每种抗生素以特定浓度引入 HMm-CBs 系统检测，发现只有 TCHs 存在时才出现色差，其他干扰对信号响应影响极小。这是由于 TCHs 与金属离子之间的竞争性取代反应赋予了 HMm-CBs 系统高选择性。通过直方图量化不同抗生素分子的比色响应 D 值，发现除特定化学响应染料外，与 TCHs 相关的八种化学响应染料的 D 值高于其他抗生素。将所有抗生素过量与 TCH（100mg/L）混合，监测色差响应，结果显示 HMm-CBs 对 TCHs 的响应不受干扰物质影响。
六、应用演示
为展示分层超材料在实时食品新鲜度监测方面的潜在应用，研究人员开发了虾新鲜度指示卡。指示卡由聚偏二氟乙烯（PVDF）吸附层作为柔性基底、比色传感器阵列层和 Ag 共振层组成。PVDF 是一种导电聚合物，具有类似金属的反射率，能吸附多种挥发性分子，且在 THz 区域支持表面等离子体模式。比色传感器阵列层使用七种植物衍生指示剂，其分子结构对不同酸碱度的腐败气体有特定响应。微观结构上，超材料指示卡的 Ag 共振层包含不对称分裂环阵列，可产生局部等离子体效应检测挥发性气体和腐败细菌。
为评估智能指示卡的有效性，研究人员在 4°C 和 25°C 的恒定实验条件下，对虾样品的 THz 透射光谱和色差图像进行了 48 小时的连续监测。传感器在 0.56THz 和 0.97THz 处有强共振峰，随着储存时间增加，共振峰强度逐渐降低。储存 28 小时后，降低速率迅速增加，32 小时后趋于稳定，表明样品已变质，挥发性代谢物产量达到稳定阶段。新鲜和变质样品在 THz 光谱和分子指纹上有明显差异，在视觉层面，以化学响应染料溴酚蓝为例，随着虾的新鲜度从新鲜变为次新鲜再到变质，颜色从黄色变为绿色再变为蓝色。监测虾储存过程中指纹响应 G 值的变化，发现其变化过程包括快速增长期（0 - 8 小时）、滞后期（8 - 32 小时）和稳定期（32 - 48 小时）。这些结果表明，该智能指示卡能够实时监测虾的新鲜度及其代谢行为，且具有高热稳定性、环保和成本效益等优点。
七、研究结论
研究构建了 HMm-CBs 平台，可用于多种分析物的识别和测量。作为概念验证，创建的传感器能在 0.01 - 1,000mg/L 范围内区分 TCHs，检测限为 0.003mg/L，对多种常用抗生素具有高选择性和抗干扰性，还开发了用于监测虾新鲜度的智能包装解决方案。
不过，HMm-CBs 仍面临技术挑战，如复杂基质样品的灵敏度有待提高、在恶劣环境中的长期稳定性不足以及可拉伸机械性能欠缺等。未来可通过材料和器件设计减少环境因素对信号的影响，借助机器学习实现人工智能，进一步提升分子传感性能。通过灵活设计超材料，HMm-CBs 的设计方法有望更广泛地应用于创建具有多种功能的平台，如即时护理和可穿戴设备，在个性化医疗保健领域发挥重要作用。
