太赫兹多孔带状波导传感技术在磷酸盐缓冲生理盐水中电解质浓度检测的应用研究

为解决传统太赫兹(THz)传感技术灵敏度不足、检测限(LOD)较高的问题，台湾国立成功大学Ja-Yu Lu团队开发了一种基于多孔带状波导(PRW)的新型传感平台。研究利用横向磁(TM)波导模式的传播损耗常数作为传感信号，实现了对磷酸盐缓冲生理盐水(DPBS)中电解质浓度的高灵敏度检测，检测限低至18.18 nmol/mm2，灵敏度达0.092 cm-1/(μg/mm2)。该技术为集成传感与通信(ISAC)系统提供了微型化解决方案。

　　

在第六代通信(6G)和物联网(IoT)快速发展的背景下，集成传感与通信(ISAC)技术成为研究热点。然而传统太赫兹(THz)传感方法存在灵敏度低、检测限高、设备体积大等问题，难以满足微型化、高精度检测需求。特别是生物电解质浓度检测在医疗诊断和环境监测中具有重要意义，但现有技术对磷酸盐缓冲生理盐水(DPBS)等复杂溶液的检测能力有限。

国立成功大学的研究人员创新性地提出了一种基于多孔带状波导(PRW)的太赫兹传感平台。该平台采用聚乙烯对苯二甲酯(PET)编织网作为波导核心，通过分析横向磁(TM)波导模式的传播损耗变化，实现了对DPBS溶液中电解质浓度的高灵敏度检测。相关研究成果发表在《Sensing and Bio-Sensing Research》期刊。

研究主要采用太赫兹波导时域光谱(THz-WG-TDS)系统，结合有限时域差分(FDTD)数值模拟方法。实验使用两通道PRW结构，通过滴涂法在1 cm²传感区域沉积不同浓度DPBS溶液，测量TM模式在0.1-0.7 THz频段的传播损耗常数(α_s)。

研究结果显示，在0.454 THz探测频率下，PRW对电解质分子密度(ρ)的检测灵敏度最高达到0.092 cm^-1/(μg/mm²)。在中等密度范围(41-81 μg/mm²)，0.425 THz探测频率下的检测限(LOD)为1.28 μg/mm²，相当于18.18 nmol/mm²的摩尔密度变化。通过有效介质理论计算和模态功率分布分析证实，传感机制源于样品引起的波导核心折射率(n_eff.s)和厚度变化导致的TM模式限制改变。

在讨论部分，作者指出该PRW传感平台具有三大优势：一是检测灵敏度显著高于传统太赫兹传感技术；二是仅需1 cm的样品-场相互作用长度，便于系统集成；三是无需复杂加工，成本低廉。这些特点使其在生化传感、片上系统(SoC)和ISAC应用中具有重要价值。研究还发现，当电解质密度超过81 μg/mm²时，波导模式会从核心限制型转变为包层限制型，导致传感信号下降，这为优化检测范围提供了理论依据。

该研究不仅开发了一种新型太赫兹传感方法，还为6G通信时代的集成传感系统提供了技术储备。未来可进一步探索PRW在微流控芯片集成和活体检测中的应用潜力。