高灵敏度折射率型太赫兹超表面生物传感器在多种癌症及感染性疾病检测中的应用

本研究针对现有太赫兹(THz)生物传感器依赖贵金属/二维纳米材料、单疾病检测局限等问题，提出了一种基于铝/聚酰亚胺的双共振超表面传感器，实现乳腺癌、宫颈癌、疟疾等多疾病同步检测，灵敏度达3.107 THz/RIU，品质因子(Q)超200，为资源有限地区提供高性价比、非侵入式早期诊断方案。

　　

在医学诊断领域，早期检测技术始终面临成本与精度的双重挑战。传统方法如组织活检具有侵入性，而X射线等成像技术存在辐射风险。太赫兹(THz)波因其非电离特性成为理想替代方案，但现有THz生物传感器多依赖金(Au)或石墨烯等昂贵材料，且仅能识别单一生物标志物，严重制约临床普及。针对这一瓶颈，哈尔滨工程大学等机构的研究团队在《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》发表创新成果，开发出基于铝(Al)/聚酰亚胺(PI)的超表面生物传感器，通过双共振机制实现多疾病同步检测。

研究采用电磁仿真技术优化超表面结构，以0.2 μm铝层（电导率3.56×10⁷
S/m）作为谐振单元，结合聚酰亚胺介电层构建三明治结构。通过分析乳腺癌、宫颈癌组织及疟疾感染血液样本的折射率变化，验证传感器性能。

传感器单元设计
采用底部铝反射层-中间聚酰亚胺介电层-顶部铝谐振层的三明治结构。顶部铝层通过十字形开口环设计激发双共振，增强与生物分子的相互作用。

结果与讨论
在0.5-3.5 THz频段观察到两个特征吸收峰（1.67 THz和2.54 THz），对应不同疾病特异的折射率变化。当检测乳腺癌组织时，共振频移达0.42 THz，灵敏度为3.107 THz/RIU，品质因子(Q)达202.34，优于多数同类传感器。

生物传感应用
传感器对血液癌、宫颈癌和疟疾的检测极限分别达0.0021 RIU、0.0018 RIU和0.0023 RIU。通过电磁场分布模拟证实，十字形结构边缘的强场增强效应是提升灵敏度的关键。

性能对比
相较金基传感器（灵敏度通常<2 THz/RIU），本设计成本降低90%以上，且FOM(63.68 RIU^-1
)显著高于石墨烯传感器(约40 RIU^-1
)。

结论
该研究突破材料与设计限制，首次实现用铝基超表面同步检测癌症与感染性疾病。其非侵入特性与高性价比尤其适合基层医疗，为早期诊断提供新范式。

作者贡献
Sheheryar Taha完成仿真与初稿，Bo Lv（项目负责人）提供基金支持（国家自然科学基金61901133），Lei Gao参与临床样本验证。

这项研究标志着太赫兹诊断技术从实验室走向临床的关键一步，其模块化设计更可拓展至其他疾病检测领域，具有重大转化医学价值。