《Materials Research Bulletin》：Functionalized silicon-doped carbon quantum dots-Terahertz Metamaterial Integration for High-Performance Biosensing
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•构建了非局域太赫兹超材料，实现了强近场局域和低风险辐射损耗。•硅 - 碳量子点 (Si-CQDs) 混合集成调制介电环境并增强场 - 分析物相互作用。•生物传感器实现了超低肌酐检测限 (10 pg·mL-1)。引言太赫兹 (THz) 频谱区域位于微波和红外频率之间，已从历史
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构建了非局域太赫兹超材料，实现了强近场局域和低风险辐射损耗。
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硅 - 碳量子点 (Si-CQDs) 混合集成调制介电环境并增强场 - 分析物相互作用。
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生物传感器实现了超低肌酐检测限 (10 pg·mL-1)。
引言
太赫兹 (THz) 频谱区域位于微波和红外频率之间，已从历史上未充分利用的频带逐渐演变为先进传感技术中具有战略意义的平台 [1], [2], [3], [4]。然而，传统的太赫兹传感方法，如时域光谱和等离激元辅助检测，往往存在场局域性不足、扰动敏感性弱和光谱分辨能力有限等问题。这些内在局限性推动了该领域向能够重塑光 - 物质相互作用、超越天然材料限制的人工工程化电磁平台发展。在此背景下，超材料——由亚波长谐振单元组成的平面阵列——已成为一种强大的范式，用于通过工程化谐振和空间局域来定制太赫兹波前并增强场 - 分析物耦合 [5], [6], [7], [8]。
尽管早期的基于超材料的太赫兹传感器主要依赖于局限于单个超原子内的局域谐振响应，但此类局域架构固有地限制了电磁相互作用的空间范围和相干性。这些系统中的谐振行为主要由孤立的单元胞几何形状决定，使其容易受到辐射泄漏的影响，并限制了它们与分布的分析物进行集体相互作用的能力 [9]。相比之下，非局域超材料引入了一种根本不同的操作机制，其中长程晶格耦合和集体模式杂化主导了电磁响应 [10], [11], [12], [13], [14]。激发不再局限于单个谐振器，而是跨越多个单元胞，形成具有增强空间相干性和集体干涉效应的离域模式。这种从局域到非局域物理的转变不仅仅是结构上的修改，而是代表了向波矢选择性和动量依赖谐振现象的转变 [15], [16], [17]。关键在于，这种空间离域使得电磁场与分散在超材料上的分析物之间能够实现更有效的重叠，改善了相互作用均匀性以及对周围环境中微小扰动的敏感性。此外，非局域模式的集体特性为工程化色散、定制光谱响应以及稳定谐振特性以抵抗结构缺陷提供了额外的自由度。这些属性使非局域超材料成为一个引人注目的平台，用于克服太赫兹传感的基本相互作用局限性，并实现高度响应、大面积的生物传感界面 [18], [19], [20], [21]。
在这个非局域框架内，谐振模式的选择在决定电磁能量如何分布、局域并最终与目标分析物耦合方面起着决定性作用。在各种多极激发中，磁环形偶极子 (MTD) 谐振因其非平凡电磁拓扑和固有弱辐射耦合而脱颖而出，成为一种特别引人注目且功能上具有优势的模式 [22], [23]。与源于线性电荷振荡的传统电偶极子谐振不同，或与简单电流环相关的磁偶极子不同，MTD 谐振起源于形成闭合磁涡的极向电流配置。这种自组织电流拓扑产生了一种局域电磁态，其中向远场的辐射固有地被抑制，而能量集中在近场区域的亚波长体积内。这种配置能够在介电间隙或单元间区域形成高度局域的电磁热点，在此处局部场强度显著增强，而无需依赖与自由空间的强辐射交换。从传感角度来看，这一区别至关重要：MTD 谐振不是最大化远场散射特征，而是优先考虑近场能量局域和场 - 分析物重叠，这直接决定了实际生化环境中的检测性能。
此外，功能纳米材料的引入为通过界面工程提高太赫兹超材料传感器性能提供了一种有效途径。特别是，硅掺杂碳量子点 (Si-CQDs) 具有优异的水分散性和丰富的表面官能团，使其能够作为生化传感的有效功能界面层 [24]。当与所提出的非局域超材料集成时，Si-CQDs 修饰了谐振结构周围的局部介电环境，并为目标分子提供了丰富的吸附位点，从而增强了强局域太赫兹近场内的场 - 分析物相互作用。局部介电调制和分析物富集的协同效应带来了传感灵敏度和检测稳定性的提高。尽管如此，集成 Si-CQDs 的太赫兹非局域超材料的实验演示仍然稀缺，其在超灵敏生物化学检测方面的潜力尚未得到充分探索。
在此，我们提出了一种基于 MTD 谐振、集成 Si-CQDs 的非局域太赫兹超材料传感器 (超传感器)，以构建一个混合太赫兹生物传感平台，实现远场激发效率和近场电磁局域的协同增强。通过利用非局域晶格耦合引起的集体电磁响应，所提出的结构有效地定制了电流分布，并促进了 TD 模式的有效激发，允许入射太赫兹波强耦合到高度局域的电磁场中，同时抑制辐射损耗。为了实现高性能生物传感，引入了一层硅 - 碳量子点功能化界面层，用于调制局部介电环境并为目标分子提供丰富的吸附位点。Si-CQDs 的引入通过调节局部介电环境和促进分析物在局域太赫兹近场内的富集，增强了场 - 分析物相互作用。实验结果表明，在集成 Si-CQDs 后，与未改性的对照相比，超传感器用于肌酐检测的幅度灵敏度提高了约 2.89 倍，检测限低至 10 pg·mL-1。非局域电磁谐振与 Si-CQD 功能界面层的协同集成提供了增强的传感灵敏度、改进的检测稳定性以及提高的环境变化鲁棒性。
章节片段
非局域超材料
本实验所使用的基于强耦合 MTD 谐振的集成 Si-CQDs 超材料传感系统的示意图架构如图 1(a) 所示，其中超材料由排列在二氧化硅基底上的双开口谐振环单元组成的周期性单元结构构成，周期性为 160 μm。超材料的制造涉及标准的微纳制造过程，包括磁控溅射和光刻。A
肌酐浓度痕量检测的实验验证
肌酐是肌肉代谢产生的小分子代谢产物，主要通过肾小球滤过从体内清除 [28], [29]。由于其血液中的浓度在生理条件下保持相对稳定，因此它是评估肾功能的关键临床指标。当肾功能受损导致肾小球滤过受损时，血清肌酐水平会明显上升，因此准确量化肌酐对于...是不可或缺的。
结论与展望
总之，开发了一种基于 MTD 谐振的非局域太赫兹超材料生物传感器，并通过集成 Si-CQDs 进行了功能增强，实现了电磁场局域和界面介电调制的协同优化。非局域耦合机制促进了集体模式激发并改善了场均匀性，而由 MTD 主导的谐振有效地抑制了辐射耗散并将电磁能量集中在...内。
实验部分
超材料是通过常规微 / 纳制造过程制造的。首先，使用顺序溶剂处理彻底清洗石英基底，以去除有机残留物和表面污染物。随后，在基底上旋涂双层光刻胶，并进行软烘工艺以增强薄膜稳定性和附着力。然后将样品与设计的光罩精确对齐，并暴露于紫外光下以转移结构...
CRediT 作者贡献声明
Lidong Hao：方法论。Li Zhang：形式分析。Jian Gao：撰写 – 初稿。Na Wen：形式分析。Chengwei Liu：调查。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的相互竞争的财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
Jian Gao|Lidong Hao|Li Zhang|Na Wen|Chengwei Liu
