综述：推进太赫兹生化传感技术：从光谱指纹识别到智能检测 张海涛、 戴子杰、 叶云霞、 任旭东

《Photonics》：Advancing Terahertz Biochemical Sensing: From Spectral Fingerprinting to Intelligent Detection Haitao Zhang, Zijie Dai, Yunxia Ye and Xudong Ren

　　摘要 生化检测是各种科学学科的基础，但传统方法在实现快速、超高灵敏度和同时多目标分析方面仍存在固有的瓶颈。太赫兹（THz）波以其独特的光谱指纹识别能力和非破坏性特性而成为先进生化传感的一种有吸引力的平台。本文综述了过去二十年THz生化传感的发展历程，从被动识别向智能感知的进步进行了追踪。我们将这一技术轨迹围绕四个核心主题进行构建：灵敏度提升、特异性识别、多目标可视化和系统智能。首先评估了直接检测技术（如THz时域光谱学（THz-TDS）的基本限制。在此基础上，我们研究了超材料辅助结构如何利用高质量因子共振实现微量级检测，将检测限（LOD）降低到ng/mL甚至pg/mL级别，以及表面化学功能化如何在复杂样品中提供选择性靶向的分子锁定机制。此外，本文还强调了从单点光谱测量向使用像素化超材料的空间分辨多目标成像的范式转变。最后，本文探讨了新兴方向，包括动态可调智能超材料、多模式片上集成平台以及人工智能（AI）在逆向设计和数据解释中的日益融合，即使在复杂矩阵中也能实现超过95%的分类准确率。通过综合这些发展，本文为THz传感技术的未来轨迹提供了全面的视角。

1. 引言
太赫兹波通常定义为频率在0.1到10 THz之间的电磁辐射，介于微波和红外波段之间，兼具电子和光子特性[1,2]。由于其光子能量低、穿透能力强以及对分子振动和旋转模式的高灵敏度，THz技术在生物分子指纹识别、无损检测（NDT）和安全成像等领域展示了巨大潜力[3,4,5,6,7,8,9,10]。在生化传感背景下，THz波段与氢键和弱分子间相互作用的能量水平重叠，为分子识别和结构解析提供了丰富的信息。它的非电离性质确保了生物样本的完整性[11,12,13,14]。尽管有这些优势，传统的THz技术在应用于早期疾病诊断等临床场景时仍面临固有限制。主要障碍是THz辐射的亚毫米波长与目标生物分子的纳米级截面之间的巨大空间不匹配，这严重限制了微量级分析物的检测灵敏度[15,16,17]。此外，THz波在水环境中被强烈吸收，这在生物样本中很常见，对传感精度构成重大挑战[18]。图1展示了这些基本原理和挑战。近年来，超材料的出现为提升THz传感性能提供了强有力的方法[19,20]。作为工程复合材料，超材料通过精确设计亚波长单元格，实现了负折射、完美吸收和电磁诱导透明（EIT）等非常规电磁响应[21,22,23]。与传统生化传感器相比，基于THz超材料的平台具有响应速度快、无需标记操作和样本消耗少等明显优势[24]。然而，仍存在几个关键障碍。检测灵敏度往往达不到早期临床筛查的严格要求，特异性识别能力不足，水的吸收干扰仍然是一个主要障碍[25]。为克服这些障碍，最近提出了多种策略。为了提高灵敏度，研究人员使用了低介电常数基底（如石英、环状烯烃共聚物和聚酰亚胺），以及支持高级共振模式（包括EIT、环形偶极子和连续态中的准束缚态（quasi-BIC）的工程化单元格。引入金属纳米颗粒或石墨烯等活性材料已被证明可以有效放大传感信号[26]。在特异性方面，用抗体或适配体等生物识别元件对超材料表面进行功能化，可以实现目标分子的选择性捕获，从而进行精确的定性分析[27]。为了减轻水的干扰，探索了包括自参考反射测量、微流控集成和凝胶封装在内的技术。这些方法有效抑制了背景噪声，同时保持了样本的活性，从而提高了THz传感系统的实际应用性[28,29,30]。
作为超材料的二维对应物，超表面通过允许在亚波长尺度上灵活操控波前，进一步扩展了THz设备的功能集成[31,32,33]。通过精确调整单个单元格的相位、幅度和偏振响应，超表面可以实现包括光束导向、聚焦和全息成像在内的多种功能，支持紧凑型THz传感系统的发展[34,35,36,37]。然而，传统的超表面本质上是静态的；一旦制造完成，它们的电磁响应就是固定的，限制了它们对复杂和变化环境的适应性。为了解决这个问题，开发了动态可调超表面。通过结合液晶、相变材料或二维材料等响应介质，并施加外部刺激（包括电、热、光或机械触发），这些平台实现了THz幅度、相位和光谱的实时调制[38,39,40,41,42]。随着可调和多功能超表面变得越来越复杂，与其实际应用相关的挑战也随之加剧。特别是制造公差与理想化设计性能之间的差异成为制造设备的一个突出问题。为了解决这些物理不理想性，研究人员转向了数字策略。机器学习（ML）为解决这些不一致性提供了一种有效方法。除了在逆向设计、性能预测和公差分析中的作用外，ML还可以实施后端算法补偿，从而加速超表面在实际传感架构中的集成[43,44,45,46]。

为了明确这些快速进展的框架，有必要严格定义本手稿中使用的“智能传感”概念。我们不是将其视为一个宽泛的术语，而是将智能THz传感概念化为一个基于三个不同但协同工作的支柱的集成系统架构：（1）硬件可重构性，作为物理基础，使动态可调超表面能够实时适应复杂环境；（2）算法智能，作为计算核心，其中人工智能（AI）和ML执行结构逆向设计，补偿物理制造的非理想性，并从复杂的光谱数据中提取潜在的高维目标特征；（3）系统级集成，代表将这些活动芯片和AI模型与自动化微流控和多模式平台融合的操作架构。明确这些界限有助于理解孤立的技术突破如何汇聚形成下一代从样本到结果的分析系统。

总之，太赫兹生化传感正在从基础的光谱分析发展到超材料增强的传感，进一步朝着多目标可视化和智能集成系统发展。本文概述了该领域的关键发展，重点介绍了THz超材料和超表面在提高检测灵敏度、特异性和抗干扰能力方面的最新进展。我们还总结了动态调谐策略和智能设计方法的最新进展，并讨论了跨学科集成、智能设备和高保真度生化监测的未来趋势。

2. 基于光谱指纹识别的太赫兹检测
太赫兹检测的物理基础在于THz波与分子的低频振动、旋转和晶格骨架模式之间的共振相互作用。这一光谱窗口涵盖了与弱分子间作用（如氢键和范德华相互作用）相关的能量尺度。因此，各种有机分子、晶体和生物聚合物在这个范围内表现出特征性吸收特征，通常称为指纹谱，这是物质识别的基础[47]。THz-TDS通过检测样品对飞秒THz脉冲的时间响应来工作。通过进行傅里叶变换，可以提取幅度和相位信息，从而同时确定样品的吸收系数和折射率，用于定性和定量分析。然而，这种技术的限制在于尺度不匹配。亚毫米范围的THz波长比纳米级的目标分子尺寸大几个数量级，导致光-物质相互作用弱，灵敏度不足[16]。为了增强检测信号，早期研究主要集中在优化实验配置上。这些努力包括使用高电阻率硅基底以最小化介电损耗，调整样品形态以延长光路长度，以及利用衰减全反射（ATR）模式来增强界面处的衰减场[22]。图2展示了传统THz-TDS的能力和固有瓶颈。在固态样品分析中，目标分析物通常需要经过研磨、造粒或溶剂蒸发成薄膜等预处理过程，以形成干燥均匀的层，从而消除水吸收干扰。将这些样品与超材料结构集成可以有效放大检测信号。例如，Nie及其同事使用全电介质宽带超材料吸收器检测干膜形式的毒死蜱农药，在1.33 THz处识别出特征吸收峰，检测限（LOD）为0.1 mg/L，这归因于共振场局部化效应[48]。同样，Wang等人使用多频共振超材料对四环素盐酸盐颗粒进行了定量分析，在高频共振模式下实现了0.1 ng的LOD。这表明多模式传感可以提高定量可靠性[49]。在一项比较研究中，Li及其同事开发了一种石墨烯-超材料耦合传感器，通过分析1.2至1.8 THz范围内的光谱变化来区分各种与疾病相关的氨基酸。他们实现了10 ng/mL的LOD，这是通过石墨烯表面的π-π堆叠实现的目标分子的有效捕获和富集[50]。此外，Zhang等人使用基于氮掺杂碳纳米管和金纳米粒子的超材料平台展示了检测萘啶氟氧沙星相关农药的增强灵敏度[51]。同时，Du及其同事研究了植物生长调节剂，展示了超材料结构变化如何直接影响光谱特性[52]。这些研究表明，通过微纳结构设计或功能材料杂化增强光-物质相互作用可以提高THz指纹的灵敏度。然而，传感性能仍然依赖于样品与传感架构之间的形态兼容性。

检测液相样品（特别是水溶液）仍然是该领域的中心挑战，因为水分子在THz范围内的吸收系数很高[53]。为了解决这个问题，研究人员探索了包括微流控集成、ATR模式和凝胶封装在内的策略。微流控技术通过将样品限制在纳升到微升体积的微通道内，缩短了THz相互作用路径长度。例如，Zhou及其同事将石墨烯-超材料架构与微流控芯片集成，用于检测100 nM的DNA溶液。通过最小化液层厚度并利用近场增强，他们在水环境中保持了高灵敏度[54]。同样，Geng等人将微流控与超材料结合，用于痕量检测肝癌生物标志物，展示了其在复杂液体基质中的应用[26]。ATR模式利用微米深度处衰减场与样品之间的相互作用，从而避免了整体水的吸收。Lee及其同事将这种方法用于血清中的葡萄糖检测。然而，其灵敏度通常受到衰减场强度较低的限制[55]。凝胶封装采用亲水三维网络固定生物分子，同时排出一部分自由水。这项技术抑制了背景干扰，同时保持了生物活性。Zhou及其同事在超材料表面上使用适配体功能化的凝胶实现了血清中0.40 pM的凝血酶特异性检测[56]。尽管基于指纹谱的THz检测便于物质识别，但它仍面临几个限制[57]。灵敏度阈值受到THz波长与分子尺度之间空间不匹配的限制[2]。尽管有增强技术，当前的检测限仍远高于微量分析（包括单分子检测）的要求。水的吸收干扰限制了水相传感，因为当前的缓解策略会降低信号强度或增加结构复杂性[1]。缺乏特异性导致复杂基质中多种成分的光谱重叠，增加了对环境变化的敏感性[58]。除了物理限制，传统的THz-TDS系统需要大型设备，如飞秒激光器，这限制了它们在现场快速检测中的应用。紧凑型替代品（包括光电导天线和量子级联激光器（QCLs）[59,60]）受到带宽、稳定性和成本的限制。将样品处理技术（如微流控和响应刺激的凝胶）与机器学习算法结合起来，可以提高复杂系统中的选择性和分辨率。在芯片上集成太赫兹（THz）源、检测器和传感平台是实现实际应用所必需的。3. 增强型高灵敏度太赫兹传感技术：太赫兹超材料通过排列亚波长单元格来控制电磁特性，包括振幅、相位和偏振。这种增强机制源于欺骗性表面等离子体极化子（SSPPs）和局域场共振[19,20]，如图3a所示。SSPPs将太赫兹波限制在金属-介质界面，压缩波长并增强表面电磁场。当单元格的尺寸调整到太赫兹范围内时，它们会激发局域共振模式，如环状双极子（TDs）[61]、电磁诱导透明效应（EIT）[62]以及连续介质中的准束缚态（quasi-BIC）[63]。这些模式将入射能量集中在纳米尺度区域，包括结构间隙或边缘。这种局域场增强可以将电场强度提高几个数量级，放大由分析物介质环境变化引起的光谱响应，例如共振频率变化或透射率变化。这些机制使得传感灵敏度超越了传统的衍射极限。

超材料传感技术已经从利用基本共振模式发展到优化品质因数（Q因子）和整合功能性动态响应。早期设计使用了传统的金属和介质超材料[64]，如分裂环谐振器（SRRs）和棒状天线，依赖于电双极子、LC电路或Fano共振模式[65]。尽管这些传感器的灵敏度达到每折射率单位100到200 GHz（GHz/RIU），但由于金属中的欧姆损耗和辐射损耗，其性能受到限制，从而导致低品质因数（Q因子）[66,67]，如图3b所示。后续研究转向了高Q因子共振设计，特别是准BIC。准BIC源自结构对称性保护的束缚态，具有无限Q因子。通过引入几何不对称性，如尺寸扰动、旋转或对称性破缺，BIC与辐射连续介质耦合，转变为高Q因子的准BIC共振[68,69]。张及其同事设计了一种不对称结构来打破全局对称性[70]，从而实现了一个Q因子为120.6、灵敏度为每度3.45 GHz的太赫兹角度传感器。彭及其同事设计了一种双C阵列超表面来打破结构对称性[71]，实现了16倍的共振幅度增强和0.36 ng/mL的超灵敏度检测限，如图3c所示。王等人开发了一种全介质不对称四聚体簇[72]，实现了Q因子超过2500的环状双极子共振。其折射率灵敏度达到每RIU 489 GHz，其窄线宽使得能够检测微量生物分子。

第三阶段是整合能够扩展传感器功能的材料。基于高电阻率硅的全介质超材料消除了金属损耗，实现了更高的Q因子。二维材料如石墨烯允许通过电控费米能级动态调节共振频率。集成相变材料（如二氧化钒VO2）可以使传感器在热、光或电刺激下在不同功能状态之间切换，表现为吸收器或过滤器。刘及其同事通过调节石墨烯费米能级，在混合金属-石墨烯结构中实现了超过400%的局域场能量增强和420 GHz/RIU的灵敏度[73]。唐等人将石墨烯与布拉格反射器结合，激发了稳定的共振模式[74]。通过优化传感介质厚度和石墨烯光学参数，实现了每RIU 407.36度的角度灵敏度，如图3d所示。图4a比较了非超材料传感器、金属超材料和基于准BIC的全介质超材料传感器的灵敏度。图3. 增强机制、结构演化和系统级集成以实现高灵敏度太赫兹传感。(a) 直接太赫兹照射与超材料辅助的局域电场约束之间的增强原理示意图。(b–d) 代表性超材料单元格的结构演化及其电场分布。转载自参考文献[67]，版权2025年，作者，根据Creative Commons Attribution CC BY 4.0许可协议发布。转载自参考文献[71]，版权2024年，作者，根据Creative Commons Attribution CC BY 4.0许可协议发布。转载自参考文献[74]，版权2024年，作者，根据Creative Commons Attribution CC BY 4.0许可协议发布。图4. (a) 比较传统太赫兹-TDS、金属超材料和基于准BIC的全介质传感器的检测限（LOD）的条形图。转载自参考文献[65]，版权2025年，作者，根据Creative Commons Attribution CC BY 4.0许可协议发布。转载自参考文献[75]，版权2022年，作者，根据Creative Commons Attribution CC BY 4.0许可协议发布。转载自参考文献[63]，根据美国光学学会（OSA）开放获取出版协议条款发布。(b) 在分裂环谐振器间隙下方嵌入微通道的示意图，以最大化液体样品与电场的相互作用，将水溶性分析物精确定位在电场最强区域。转载自参考文献[65]，版权2022年，作者，根据Creative Commons Attribution CC BY 4.0许可协议发布。(c) 基于分裂环阵列的微流控集成完美吸收器传感器。图4. (a) 比较传统太赫兹-TDS、金属超材料和基于准BIC的全介质传感器的检测限（LOD）的条形图。转载自参考文献[65]，版权2025年，作者，根据Creative Commons Attribution CC BY 4.0许可协议发布。转载自参考文献[75]，版权2022年，作者，根据Creative Commons Attribution CC BY 4.0许可协议发布。转载自参考文献[63]，根据美国光学学会（OSA）开放获取出版协议条款发布。(b) 在分裂环谐振器间隙下方嵌入微通道的示意图，以最大化液体样品与电场的相互作用，将水溶性分析物精确定位在电场最强区域。转载自参考文献[65]，版权2022年，作者，根据Creative Commons Attribution CC BY 4.0许可协议发布。(c) 基于分裂环阵列的微流控集成完美吸收器传感器。要将超材料的灵敏度应用于液体传感，微流控集成和超材料吸收器设计是主要的系统级策略。微流控技术可以将皮升到纳升的液体分析物输送并限制在超材料的特定区域。亚波长通道设计可以最小化太赫兹波在水溶液中的传播损耗。将微通道嵌入超材料基底或将它们放置在共振单元的间隙上方，可以最大化样品与电磁场之间的空间重叠。李及其同事证明，在分裂环谐振器间隙下方嵌入微通道可以让液体样品与电场最强区域相互作用[76]，提高相互作用效率，如图4b所示。

基于超材料的完美吸收器为液相传感提供了方法。在关键耦合条件下，使结构阻抗与自由空间相匹配，可以在特定频率下实现接近100%的光学吸收，将入射能量限制在超材料层内。这些结构对表面液体的折射率变化非常敏感。徐及其同事开发了一种基于分裂环阵列的微流控集成吸收器传感器[77]，实现了每RIU 523 GHz的灵敏度。该平台分析了悬浮微粒的粒径和浓度，如图4c所示。尽管超材料增强提高了太赫兹传感的灵敏度，但挑战限制了实际应用。主要问题是缺乏选择性。超材料作为电磁换能器，其信号响应反映了传感区域的介电特性变化，缺乏分子识别能力。表面生物功能化，包括抗体、适配体或多分子印迹聚合物（MIPs）的固定，提供了选择性。引入功能层会扰乱电磁场分布，增加制造复杂性，并阻碍设备重复使用。现有系统在多目标检测能力方面有限。针对单一分析物或共振模式的优化限制了在血液或间质液等生物基质中同时检测多个分析物。多带谐振器和空间复用阵列引入了设计复杂性、信号串扰和数据处理开销。开发具有高灵敏度和选择性的超材料是必要的。将这些结构与微流控技术和人工智能算法集成，可以实现复杂样品的高通量、多目标分析。

表1总结了最近报道的太赫兹超材料传感器的性能指标，比较了不同传感机制下的Q因子、灵敏度和检测限（LOD）。对这些指标的横截面分析揭示了结构复杂性、共振质量和传感能力之间的基本物理权衡。比较不同操作太赫兹波段的绝对频率变化会引入固有的分析偏差。定义为目标共振频率相对频率变化的归一化灵敏度指标（S/f0），为评估独立于操作光谱的结构效能提供了标准化基准。支持准BIC的对称性破缺结构可以实现超过100的Q因子[71]。这种高度局域化的电磁场约束使得检测限极低，适用于痕量分析。同样的约束机制限制了动态范围，导致在较高分析物浓度下快速出现光谱饱和。依赖传统双极子或宽带等离子体共振的超材料阵列具有较低的内在Q因子，但显示出更宽的动态范围和对非均匀分析物沉积的更高容忍度。特定超材料架构的选择取决于应用需求。在均匀环境中检测微量目标需要高Q因子的设计。对于复杂基质的批量分析，较低Q因子的结构更合适，因为它们具有更宽的动态范围，可以减轻饱和和沉积不规则性。

4. 为实现选择性和多重识别功能化的策略：功能化策略为太赫兹超材料传感器提供了选择性识别和多重检测[79]。这些策略将生物识别事件或分子振动转换为太赫兹光学响应。方法已从外源性生化修饰转变为物理匹配，以及从单一分析转变为多重分析。当前方法包括在传感界面构建分子锁以进行特定捕获，预处理分析物以增强信号，以及利用基于共振匹配的光学选择性增强。表面功能化通过化学固定生物识别元件（如抗体和适配体）或功能材料（如石墨烯）提供分子识别能力。基于抗体的功能化依赖于特定的抗原结合位点。硅烷化通常是实现这种固定的一种方法。Ahmadivand及其同事用寨卡病毒抗体功能化了等离子体环状超材料[78]，检测病毒包膜蛋白的LOD为24 pg/mL。传感机制依赖于抗原-抗体结合过程中局部折射率变化引起的共振频率变化。刘等人用埃洛石纳米管（HNTs）修改了超表面[80]来检测鳞状细胞癌抗原（SCCA），如图5a所示。图5. 太赫兹传感中的选择性识别和信号增强功能化策略。(a) 用密集适配体或抗体修饰的超材料单元格示意图，以捕获特定目标分子，从而实现增强的选择性检测。转载自参考文献[65]，版权2022年，作者，根据Creative Commons Attribution CC BY 4.0许可协议发布。(b) 使用金纳米粒子（AuNP）标记的探针和链位移放大（SDA）预处理分析物（例如miRNA），生成大量复合物，导致显著的信号变化，从而有效区分微量特定目标与复杂背景蛋白质。转载自参考文献[65]，版权2022年，作者，根据Creative Commons Attribution CC BY 4.0许可协议发布。(c) 基于共振匹配（HIT效应）的选择性增强，其中超材料的共振峰被设计为匹配或接近分析物的固有频率，以增强其特定响应，从而通过逆峰推断确定未知分析物的身份。转载自参考文献[75]，版权2022年，作者，根据Creative Commons Attribution CC BY 4.0许可协议发布。适配体提供了化学稳定性、广泛的靶标兼容性和易于合成的修改。张及其同事基于功能化的水凝胶网络开发了一种超材料传感器[81]。将葡萄糖氧化酶等识别单元嵌入水凝胶基质中，实现了在溶液、血清和汗液中的葡萄糖检测。石墨烯通过其大的比表面积和π电子云支持功能化。这些特性有助于通过非共价相互作用（如π-π堆叠）吸附含有芳香环的目标分子。徐等人构建了石墨烯-太赫兹超材料异质结[82]，利用石墨烯与有机磷农药氯吡硫磷-甲基之间的π-π相互作用。该平台实现了对微量农药的特异性吸附，其检测限（LOD）低于未添加石墨烯的结构。分析物预处理和信号放大策略旨在实现痕量级分析，在这种分析中，直接与分析物的相互作用产生的信号几乎可以忽略不计。金纳米粒子（AuNPs）由于其高介电常数和易于功能化而增强了信号。用配体（如抗体或适配体）修饰的AuNPs能够结合目标分析物，并在传感热点区域聚集。这种聚集引起了局部折射率的变化，从而放大了共振频率的变化或振幅的变化。杨及其同事将抗体制修饰的AuNPs与超材料结合[24]，实现了对microRNA-21的阿托摩尔（aM）级检测限。除了作为质量标记外，功能化的AuNPs还为在传感界面固定捕获抗体提供了支架，提高了灵敏度和特异性。史等人用抗-HA标签抗体修饰的全介电超表面来检测HA抗原[83]，与裸超表面相比，这种配置将灵敏度提高了2.66倍。它能够区分HA抗原与含有牛血清白蛋白（BSA）、卵白蛋白（OVA）和乳清蛋白（WP）的背景，如图5b所示。整合等温核酸放大技术（如链位移放大（SDA）或滚环放大（RCA）可以将单个目标核酸分子转化为串联重复序列。这些重复序列将信号标记（如AuNPs）固定在传感器表面，从而指数级放大信号。牛及其同事使用环形偶极超材料开发了一个用于癌胚抗原（CEA）的夹心免疫传感器[84]，能够在ng/mL浓度下检测到CEA。基于共振匹配的特异性依赖于杂交诱导的透明性（HIT）或吸收诱导的透明性（AIT）[85]。当分子振动频率与局部共振模式（如表面等离子体共振）耦合时，就会发生这种现象，在宽带吸收背景中产生一个清晰的透明窗口。魏斯及其同事在0.53 THz下观察到分离环谐振器与α-乳糖分子耦合时的AIT特征[86]。赵等人通过将分子指纹与共振频率变化（Δf）相关联来识别特定物质[75]，如图5c所示。他们使用皮秒激光直写技术制造了三个金属网格传感器，分别针对氯噻酮、吡唑醚菌胺和溴氰菊酯的指纹峰进行了调谐。传感器共振与分析物指纹之间的频率偏差（δ）决定了给定浓度下的Δf大小。δ值越小，耦合越强，Δf越大。比较不同样本的Δf序列，研究人员可以反推指纹峰的位置，从而准确识别未知农药。将功能化的THz传感器应用于临床环境面临界面稳定性和电磁干扰的关键挑战。生化受体，特别是抗体和适配体，会随时间发生结构降解和构象变化，影响传感器的长期稳定性和批次间的再现性。在复杂的临床基质（如全血或血清）中，背景蛋白质的非特异性结合会与目标识别竞争，严重降低分析特异性。引入介电功能层和大型生物靶标会根本改变局部电磁环境。这些功能层常常会引起寄生吸收和散射，导致超材料共振的阻尼以及Q因子的相应降低[87]。这种共振展宽会导致基线位移不稳定，使共振频率变化的准确提取变得复杂，并降低检测限。克服这些障碍需要开发超薄、低损耗的功能性接口，同时保持生物活性且不牺牲结构品质因子。基于共振匹配的策略提供了一种无标记的替代方案，但需要严格的制造公差，并依赖于目标分析物中预先表征的THz指纹峰。用于高通量应用的并行分析仍然有限。设计传感器阵列或多模态谐振器以实现多目标检测会引入识别位点之间的交叉反应性，微流体集成存在挑战，并且在解释多维数据集时计算复杂。功能化平台往往重复使用性较差，并缺乏临床评估所需的长期稳定性数据。未来的进展需要稳定、可图案化和通用的功能化接口。将传感器与自动化微流体集成可实现完整的样本分析工作流程。人工智能自动化传感器逆向设计，解卷积重叠的光谱特征，并从高维数据中提取潜在特征。这些进步将实验室原型转化为实用的分析系统。

5. 向同时多目标检测和空间化学可视化迈进
功能化策略提高了对特定目标的识别能力，但无法同时分析多个组分或绘制化学空间分布。获取多维信息需要THz超材料，以从离散点测量发展到连续表面检测。本章探讨了同时多目标识别和化学空间分布的可视化。传感器阵列策略、光谱空间映射机制以及集成THz成像技术实现了高通量多组分传感。单共振超材料传感器难以在含有多种分析物的复杂混合物中识别特定目标。传感器阵列和像素化平台解决了这一限制。通过整合具有不同共振频率的单元结构或定制的表面功能化，可以创建可光学寻址的阵列。这种并行响应能力实现了同时多目标检测。全介电超表面具有低固有损耗和高品质因子。钟等人开发了倾斜的硅纳米柱阵列，支持高Q值的准双模式（quasi-BIC）共振[88]。该架构在0.97 THz处识别出了酪氨酸的特征吸收峰，在0.625 THz处识别出了檀香宁的特征吸收峰，如图6a所示。整合多种结构或功能单元可以实现多组分识别。川崎等人使用多光谱THz透射图像绘制了甲基苯丙胺和MDMA的空间分布，将它们与密封袋中的阿司匹林区分开[89]。叶等人开发了一个2 × 2传感器阵列，结合了三种具有不同共振频率的辐条状超材料单元（MM1、MM2和MM3）[90]，如图7b所示。该阵列将氯噻酮和溴氰菊酯等分析物引起的共振频率变化（Δf）映射到THz透射图像中的空间强度分布上。每个单元的共振与分析物指纹之间的光谱重叠将光谱响应转化为图像对比度，无需复杂的光谱解卷积即可实现视觉区分。

图6. 从基于离散点的传感到多目标空间可视化和多路复用成像的转变。(a) 基于倾斜硅纳米柱阵列（准双模式）的全介电超表面，用于特异性识别酪氨酸和檀香宁等不同物质。转载自参考文献[88]，版权归2020年作者所有，根据知识共享署名CC BY 3.0许可协议授权。(b) 通过AIT效应放大微量手性对映体信号的地频扫描指纹传感（FSFS）平台。转载自参考文献[12]，版权归2023年作者所有，根据知识共享署名CC BY 4.0许可协议授权。(c) 集成了C形谐振器和可调石墨烯微条的超表面像素，实现了从一到多的空间光谱映射，显著扩展了单个硬件像素的信息密度。转载自参考文献[91]，2022年，经皇家化学学会许可，许可通过Copyright Clearance Center, Inc.提供。

图7. (a) 基于成像的分子条形码概念，将一维光谱特征编码为二维空间分布。转载自参考文献[92]，版权归2025年作者所有，根据知识共享署名CC BY 4.0许可协议授权。(b) 一个由两个辐条状超材料单元组成的复合传感器阵列，将不同分析物的光谱响应转化为特征空间强度图像，无需复杂的光谱解卷积即可实现直接视觉区分。转载自参考文献[90]，版权归2026年作者所有，根据知识共享署名CC BY 4.0许可协议授权。傅等人引入了信息超材料和可编程超表面[93]。通过整合可调介质（如石墨烯、液晶或微机电系统（MEMS）执行器，可以动态控制超表面单元的电磁相位和振幅。这种控制实现了实时功能重构和自适应多目标检测，使单个硬件平台能够适应多种分析物指纹。刘等人设计了一种地频扫描指纹传感（FSFS）平台，增强了微量手性对映体的分子指纹信号[12]。该平台在0.95至2.0 THz范围内将微量手性肉碱的分子指纹信号增强了8.65 dB，如图6b所示。通过触发相邻像素组的AIT效应，实现了宽带光谱分析。他们提出了一种双自由度复用机制，利用角度和厚度复用。然而，微通道流体与基底之间的折射率差异限制了其实际应用。

将光谱信息映射到空间图像上增强了化学组成的视觉表征。遵循Tittl等人提出的中红外分子条形码技术[94]（见图7a），THz研究人员将一维光谱特征编码为二维空间分布。像素化超表面平台为每个单元分配了特定的频率选择性。分析物相互作用产生了独特的吸收或传输空间模式，建立了光谱与图像之间的对应关系。Watts等人将可重构的超表面空间光调制器与压缩传感算法结合起来，实现了单像素THz成像[95]。该方法通过切换超表面编码模式并收集最小投影数据来重建空间和光谱信息，避免了逐点扫描，实现了高速多光谱成像。孙等人通过整合对称的金属C形谐振器和可调石墨烯微条设计了覆盖目标THz指纹范围的超表面像素[91]。该架构实现了单个超表面像素与多个特征吸收光谱之间的一对多映射，如图6c所示，提高了传感平台的信息密度。整合THz超材料成像技术将离散参数测量发展为真实空间分布的可视化。Kuznetsov等人使用具有不同吸收频率（0.30、0.33和0.36 THz）和极化敏感性的像素化超表面吸收器阵列构建了多光谱THz成像仪[96]。将入射的THz能量转化为热能，通过红外探测器捕获为热辐射，实现了实时非冷却成像。Escobedia等人将超材料吸收器与CMOS处理的PN二极管单片集成，创建了室温焦平面传感器[97]。测量THz辐射引起的电压变化可以重建空间强度分布。这些系统直接映射了农药残留物的二维浓度剖面，扩展了THz传感平台的信息维度。使用共振频率匹配的静态传感器阵列、像素化空间光谱编码平台和焦平面成像系统推动了多目标检测和化学可视化的发展。当前的局限性包括阵列架构复杂性、优化多通道数据解卷积算法的需求以及系统集成要求。整合可编程信息超材料、动态调制机制和机器学习数据处理技术实现了智能平台，用于同时传感和成像。这些平台推动了实时环境监测、快速食品安全筛查和精密生物医学诊断的应用。

液体活体采样为太赫兹智能传感提供了一个关键应用领域。传统的肿瘤学诊断依赖于侵入性组织取样。液体活体采样通过分析血液或唾液等生物流体，为精准医疗提供了一种微创替代方案。太赫兹超材料传感器能够实现无标记检测疾病生物标志物，包括循环肿瘤DNA（ctDNA）、外泌体和低丰度蛋白质[98]。这些目标在复杂生物基质中的天然低浓度要求分析平台具有高灵敏度和特异性。高Q值的超表面通过强电磁场限制满足了灵敏度要求。通过整合特定的表面功能化（如针对外泌体表面蛋白的适配体），有助于从背景干扰中分离目标。光子传感技术的最新进展表明，需要推动检测极限以实现可靠的液体活体采样结果[99]。将太赫兹传感阵列与微流体模块结合，为早期筛查和临床诊断奠定了硬件基础。

6. 前沿：智能、集成和实际应用
太赫兹超材料传感正在从静态设备发展到具有动态重构能力、多功能集成和人工智能的平台。本章探讨了动态可重构的超表面、多模态融合、系统芯片（SoC）集成和AI数据处理。讨论了标准化和实际应用的扩展挑战。这些进步使得传感平台具有高灵敏度、高特异性、快速响应时间和环境适应性。动态可重构的超表面能够主动控制电磁响应。通过整合相变材料、二维材料（如石墨烯）或微机电系统（MEMS）等主动调谐元件，可以调节共振频率、相位和振幅。王等人回顾了电调谐、热调谐、光学调谐和机械调谐机制[100]。对于电调谐，张等人将可变电容器二极管与石墨烯夹层结构结合[101]，实现了对共振吸收频率（3.4至4.55 GHz）和振幅（反射系数从-3到-35 dB）的独立控制。这种双调谐机制适用于THz和光学领域，如图8a所示。对于热调谐，Iyer等人利用半导体载流子浓度和有效质量的温度依赖性变化[102]。在重掺杂的InSb基底上设计谐振器[102]，实现了中红外范围内超过1.7 μm的稳态共振波长移位。这种位移超过了传统的热光效应，如图8b所示。光学泵浦-探测调制提供了超快控制。刘等人利用强烈的THz泵浦脉冲通过Poole-Frenkel效应和Joule加热在VO2超材料中诱导相变[103]。这种方法在皮秒时间尺度上将透射率调节了13%，如图8d所示。为了实现机械调谐，Cong等人开发了一种基于MEMS的悬臂结构，该结构可以通过电压控制倾斜角度[104]。这种结构能够动态控制360°范围内的输出相位差，从而实现对波前偏转的局部单元控制以及实时可重构的全息成像，如图8c所示。实时可调谐性使得单个传感器能够适应各种分析物光谱，并通过编码序列切换支持多目标检测。这为自适应可编程传感阵列的硬件基础奠定了基础。多模式融合和片上系统集成增强了信息采集和实际应用能力[105,106]。将THz超材料传感技术与拉曼光谱[107,108,109]或荧光检测[110,111,112]等分析技术相结合，可以提供全面的结构和成分分析。这种融合提高了复杂系统中的检测可靠性[113]。微型化和高级集成促进了现场应用[114,115]。通过单片集成或异构集成超材料传感单元与微流控模块、片上THz光源和检测器，可以创建微型化实验室。这种集成简化了工作流程，并减少了功耗和系统体积[116,117,118]。Wang等人设计了一种基于共振梯度超表面的THz等离子体传感器[119]，如图8e所示。将这种梯度超表面与准BIC共振相结合，可以在不进行机械扫描的情况下实现连续宽带光谱编码和增强吸收。该平台能够以大约10 μg·mm?2的检测限动态检测多种成分。结合深度神经网络（DNNs）可以以93.31%的准确率预测混合分析物中的单个成分浓度。

图8. 智能THz传感的前沿趋势：动态可重构性、片上系统集成和人工智能赋能。(a) 石墨烯夹层结构的电调谐。转载自参考文献[101]，经美国化学学会许可转载。(b) 使用InSb基板进行热调谐。转载自参考文献[102]，版权归2017年作者所有，采用知识共享署名CC BY 4.0许可。(c) 通过基于MEMS的悬臂结构进行机械调谐。转载自参考文献[120]，版权归2023年作者所有，采用知识共享署名CC BY 4.0许可。(d) VO2超材料的光泵浦-探测调制。转载自参考文献[121]，版权归2024年作者所有，采用知识共享署名CC BY 4.0许可。(e) 基于共振梯度超表面并与深度神经网络结合的THz等离子体传感器，能够以超过93%的准确率预测混合分析物中的单个成分浓度。转载自参考文献[119]，版权归2025年作者所有，采用知识共享署名CC BY 4.0许可。(f) 用于切换波前操控的自旋解耦超表面。转载自参考文献[122]，经John Wiley and Sons许可转载。(g) 利用VO2的相变特性的双模可调吸收器。转载自参考文献[123]，2025年，经英国皇家化学会许可。(h) 使用LiNbO3槽波导的紧凑型THz吸收光谱学，消除了自由空间光路径，实现了低成本便携式传感终端。转载自参考文献[124]，版权归2026年作者所有，采用知识共享署名CC BY 4.0许可。(i) 基于深度学习的双频段传感器，用于识别红酒。转载自参考文献[125]，版权归2025年作者所有，采用知识共享署名CC BY 4.0许可。(j) 基于CNN辅助的超材料传感器正向优化和逆向设计。转载自参考文献[126]，版权归2025年作者所有，采用知识共享署名CC BY 4.0许可。(k) DECANet深度学习框架，用于癌症组织的自动分类和高分辨率成像，为临床应用提供端到端诊断可靠性。转载自参考文献[127]，版权归2025年作者所有，采用知识共享署名CC BY 4.0许可。Hu等人设计了一种使用自旋解耦超表面的可切换多功能THz波操控装置[122]，如图8f所示。这种设计无需使用活性材料或重新设计结构即可切换和组合多种波前控制功能。Liu等人提出了一种利用VO2相变特性的双模可调THz吸收器[123]，如图8g所示。VO2的绝缘体到金属转变（IMT）可以在窄带和宽带吸收之间动态切换，降低了制造复杂性。Sung等人开发了一种使用锂铌酸盐（LiNbO3）槽波导的紧凑型THz吸收光谱技术[124]，如图8h所示。将槽波导集成到薄LiNbO3层中可以局部化THz电场，提高插入样品的测量灵敏度。这种方法消除了复杂的自由空间光路径，为体积有限的应用创造了紧凑的系统[128,129]。要将笨重的台式光学设置转变为完全便携的片上系统平台，需要集成紧凑型太赫兹光源。尽管当前的超材料传感器表现出优异的分析性能，但它们主要依赖于外部的大规模THz时域光谱仪。未来的架构必须将微型光源直接集成到传感芯片上。固态发射器，如太赫兹量子级联激光器（QCLs）和共振隧穿二极管（RTDs）[130,131]，可以提供亚毫米级的连续波或脉冲THz辐射。通过采用异构集成技术，包括倒装芯片键合和与CMOS兼容的单片制造[132]，可以使这些微型光源与微流控通道和超材料谐振器直接接口。这种源-传感器集成减少了自由空间传播损耗，缩小了整个系统的尺寸，并为现场可部署的太赫兹生化分析建立了硬件基础。人工智能处理复杂的动态设备数据[133]，解决重叠光谱[134,135]，并从微弱信号中提取目标信息[136,137]。在信号处理方面，AI模型可以分离复杂光谱，提取特征指纹，并在光谱响应和分析物种类之间建立高维的非线性映射[138,139,140]。例如，Yu等人开发了一种基于深度学习的双频段THz超材料传感器[141]，如图8i所示，能够以98.33%的准确率识别红酒品种。Chen等人应用了卷积神经网络（CNN）辅助的方法[126]进行THz超材料传感器的正向优化和逆向设计，如图8j所示。Wang等人开发了DECANet深度学习框架[127]，用于THz-TDS数据的端到端分类，自动化识别癌症组织，如图8k所示。尽管报告了高准确率，但将机器学习（ML）与THz传感相结合仍面临数据稀缺性和模型可解释性方面的主要方法论挑战。获取大规模THz生物数据集受到复杂样本制备和高测量成本的严重限制。在这样的有限经验数据上训练高度参数化的深度神经网络常常会导致过拟合，从而影响模型的泛化能力。为了解决这个问题，必须使用针对一维光谱定制的数据增强技术。传统方法包括高斯噪声添加、光谱位移和合成少数类过采样技术（SMOTE）来扩展特征空间。像生成对抗网络（GANs）这样的高级模型也可以合成高保真的THz光谱轮廓，显著提高模型的鲁棒性。复杂的ML算法的不透明黑箱特性限制了它们在需要严格决策透明度的生物化学和临床应用中的部署。可靠的传感需要将算法决策追溯到特定的物理现象，例如THz分子的固有共振频率。可解释AI（XAI）工具，包括Shapley Additive Explanations（SHAP）和注意力机制，可以量化特定光谱特征对最终诊断输出的确切贡献。将这些算法预测与潜在的THz物理机制对齐对于建立临床监管所需的诊断可靠性至关重要[142,143,144]。要将这些平台从实验室原型转变为商用设备，必须解决关键的制造限制，特别是制造公差和可扩展性。虽然高Q值共振（如准BIC）提供了出色的分析灵敏度，但其性能严格受到微纳制造精度的限制。在大规模制造过程中出现的微小几何偏差或表面缺陷会严重降低Q值并引起不可预测的光谱偏移[145]。因此，在实现最大Q值、确保操作稳健性和最小化生产成本之间存在基本的物理和经济权衡。对于实际应用，特别是在片上生物医学传感中，选择适度稳健的共振模式而不是极端高Q值设计可以减轻批次间的变异性并降低制造成本。长期的环境稳定性和批次间的制造一致性仍然是关键的产业化障碍。解决这些问题需要耐用的功能材料、精确的微纳结构制造和稳健的封装技术。克服这些障碍需要材料科学、微纳制造、信息科学和特定领域应用之间的跨学科整合[146,147,148,149]。

7. 总结与展望
本综述总结了二十年来太赫兹生化传感从被动识别到主动智能感知的发展历程。四个技术进步定义了这一进步：超材料场增强克服了波长与分子的不匹配问题，提高了灵敏度；表面功能化提供了分子特异性以确认目标；像素化超表面将离散点测量转换为连续的空间映射，实现了多目标可视化；将动态可重构硬件与人工智能集成，建立了系统智能。THz传感提供了快速的非破坏性多维分析，其性能优于传统方法。应用范围包括食品安全筛查、环境监测和生物医学诊断。实际部署面临重大挑战：现实世界样本引入的矩阵干扰会降低传感信号的质量；长期的环境稳定性尚未得到验证；缺乏标准化的性能评估协议阻碍了跨研究比较和监管验证。解决这些障碍需要跨学科的协调。材料科学贡献了稳定的功能接口；微纳制造提供了一致且成本效益高的可扩展生产；人工智能必须能够可靠地处理复杂的真实世界数据。将这些学科集成起来，可以实现无处不在的THz传感，用于现场准备好的生化检测。除了跨学科工程之外，还需要根本性的物理进步来克服当前平台的限制。新兴领域如拓扑光子学提供了另一种物理机制，可以绕过制造漏洞。通过利用拓扑保护的边缘态，THz超表面可以在复杂的现实世界矩阵中实现高缺陷免疫和环境稳定性。此外，探索量子增强型THz传感代表了在痕量检测方面的根本性进步。利用量子光学现象，如压缩THz状态，可以将传感极限推向超越经典噪声边界，理论上可以实现以前被背景噪声掩盖的超低浓度生物标志物的检测。为了描绘从实验室概念验证到常规实际应用的路径，我们提出了一种THz智能传感系统的技术路线图，如图9所示。要实现全面商业化，需要在多个跨学科领域超越特定里程碑。短期内，必须致力于建立标准化、开源的THz光谱数据库，用于生物和化学分析物，并结合稳健、可扩展的微纳制造技术来制备均匀的超材料阵列。中期里程碑需要片上系统（SoC）的异构集成，将紧凑型固态微光源（例如QCLs、RTDs）与传感模块结合起来，显著缩小系统尺寸。同时，必须验证XAI模型，以便处理来自复杂现实世界矩阵的数据，从背景干扰中分离目标信号。最终，长期商业化取决于建立严格的监管评估协议、进行多中心临床试验以验证诊断应用，并开发先进的封装技术以确保设备在极端环境中的稳定性。克服这些里程碑将使THz超材料平台成为无处不在的即时检测（POCT）和工业监测终端。

图9. 智能THz传感系统的技术路线图。