基于机器学习辅助的可调节石墨烯–MXene–Au/Cu太赫兹等离子体超表面传感器的理论研究，用于高灵敏度重金属离子检测

《Diamond and Related Materials》：Theoretical investigation of a machine learning-assisted tunable graphene–MXene–Au/Cu terahertz plasmonic metasurface sensor for high-sensitivity heavy metal ion detection

　　**摘要**
在水介质中快速且无需标记地检测重金属离子仍然是环境和生物化学监测中的一个关键挑战，因为传统的实验室技术通常受到处理时间较长以及在亚波长尺度上太赫兹（THz）光与物质相互作用较弱的限制。本工作提出了一种混合太赫兹等离子体超表面传感器，该传感器将石墨烯、MXene和贵金属（Au/Cu）元件整合到一个对称的三重圆形分裂环谐振器中，该谐振器嵌入在SiO?基底上的多层方形环框架内。通过COMSOL Multiphysics中的有限元仿真研究了电磁响应，并考察了四种结构配置。对石墨烯化学势（0.1–0.9 eV）、入射角（0°–80°）、方形谐振器边长和圆形环半径进行了参数扫描，以评估设备的电可调性和角度鲁棒性。栅控石墨烯导电性产生的偏压灵敏度约为32.9%/eV，同时峰值透射窗口保持高度稳定（CV ≤ 0.18%），这表明偏压和入射角调制的是共振凹陷而非非共振基线。作为折射率平台使用时，这种优化后的传感器能够以接近理想的线性（R2 ≥ 0.9998）检测Cu2?和Mg2?离子，实现了最大灵敏度1158 GHz/RIU和优于以往报道的设计（200–600 GHz/RIU）的优值9.49 RIU?1。XGBoost替代模型能够再现全波响应，其确定系数高于0.9994，皮尔逊相关性超过0.9997，平均绝对百分比误差低于0.2%，从而实现了计算经济的设计探索。这些结果建立了一个可调、可靠且由机器学习辅助的超表面平台，用于高精度的THz生物化学和环境离子传感。

**引言**
太赫兹（THz）频率范围大约为0.1到10 THz，处于微波电子学和红外光子学之间。由于源和探测器技术的限制，这一领域历史上一直未被充分利用。太赫兹发射器、探测器和时域光谱系统的最新进展大大扩展了其在无标记传感化学和生物介质中的应用 [1], [2]。在这一光谱区域内，许多生物分子和极性液体表现出特征性的旋转、振动和松弛响应，这些响应可以直接通过电磁询问来获取。太赫兹光子的非电离特性使得可以在不引起分子降解的情况下分析结构敏感的样品，而其相对较长的波长则有助于与比光学条件下通常探测的更大体积的分析物进行相互作用 [3], [4], [5]。尽管具有这些固有优势，但由于衍射的影响，自由传播的太赫兹辐射与物理尺寸远小于工作波长的分析物之间的相互作用强度仍然受到限制。这种根本的阻抗不匹配激发了对能够将电磁能量集中在深度亚波长尺度上的超材料和超表面结构的深入研究。一种Cr–SiO?–Si?N?–Ti四层超材料吸收剂在8.58–16.20 μm范围内实现了超过90%的宽带红外吸收，平均吸收率为96.9%，这是通过耦合的局域表面等离子体共振（LSPR）、法布里-珀罗（Fabry–Pérot）和表面等离子体极化子（SPP）共振实现的 [6]。一种单层四带非极性超材料吸收剂在8.84, 9.07, 10.82, 12.42 GHz处实现了接近完美的X/Ku带吸收，峰值吸收率达到99.9%，这得益于共振元件的耦合和四重旋转对称性 [7]。一种可调的基于石墨烯的五带中红外完美吸收剂通过嵌套的圆形-椭圆形石墨烯等离子体共振实现了高折射率灵敏度（930.6–1134.3 nm/RIU），适用于多通道传感和窄带检测 [8]。一种基于石墨烯的菱形中红外吸收剂实现了四个接近完美的吸收峰，吸收率高达99.96%，灵敏度为1103.8–1261.4 nm/RIU，并具有非极性特性，适用于传感和生物医学应用 [9]。一种基于石墨烯的菱形中红外吸收剂实现了四个接近完美的吸收峰，吸收率高达99.96%，灵敏度为1103.8–1261.4 nm/RIU，可调节共振控制，并具有非极性操作，适用于传感应用 [10], [11], [12]。一种体积狄拉克半金属材料通过三重等离子体诱导的透明度实现了高性能的四重调制和超灵敏度折射率传感，显示了在先进光子器件实现中的强大潜力 [11]。一种混合MoS?/STO太赫兹超材料吸收剂实现了电调和热调的双重完美吸收，具有高调制深度、温度敏感性和非极性特性，适用于传感和光学调制 [12]。一种基于石墨烯的多模太赫兹吸收剂通过电、磁、四极和法布里-珀罗共振实现了三重接近完美吸收，具有可调和非极性特性，适用于传感、成像和通信 [13]。一种基于石墨烯的多模太赫兹吸收剂通过多种共振机制实现了三重接近完美吸收，包括偶极、四极和法布里-珀罗模式，适用于高级传感、成像和通信应用 [14]。一种MoS?/TOPAS太赫兹等离子体诱导透明超材料通过材料和几何调制实现了主动光谱调谐，对于传感和慢光应用实现了高折射率灵敏度（1.393 THz/RIU）和优值（FOM）为51.9 RIU?1 [15]。选择太赫兹光谱范围作为当前传感平台的工作域是基于最近在太赫兹超表面传感研究中发现的几个互补优势。首先，水中的重金属离子与周围的水分子强烈相互作用，改变氢键网络和水合壳层动态，从而通过介电松弛过程产生可测量的太赫兹复介电常数变化。这种浓度依赖的折射率扰动可以通过太赫兹超材料传感器中的共振位移有效检测到，正如在基于石墨烯、硼烯和其他二维材料的太赫兹生物传感平台中所展示的 [16], [17]。其次，太赫兹辐射的非电离特性支持对环境和生物相关样品的安全重复分析，而不会引起分子降解，这使其适合用于化学和生物医学传感 [18]。第三，太赫兹超材料谐振器通常包含使用已建立的微纳制造技术可以实现的结构特征，使得可以实现高性能传感的复杂谐振架构 [19]。第四，太赫兹时域光谱（THz-TDS）提供了宽带和相位敏感的表征，有助于准确跟踪与分析物引起的折射率变化相关的共振位移，并能够定量提取传感优值 [20]。一种热可调的基于GST的太赫兹超材料能够实现电磁诱导透明（EIT）和双带接近完美吸收状态之间的可逆切换，实现了具有增强调制性能的多功能控制 [21]。一种集成的非对称超表面通过相变控制实现了连续体中的热可调准束缚态（quasi-BIC）和类似EIT的太赫兹共振，为先进的光子器件提供了超高质量调制 [22]。太赫兹超栅格提供了多功能亚波长平台，用于操纵电磁波，适用于光束分割、抗反射、衰减波检测和超灵敏传感 [23]。一种外消旋介电手性超表面实现了圆二色性、偏振旋转和太赫兹波前的独立控制，推进了手性传感和光子器件的发展 [24]。一种宽带修改的单载流子（MUTC）光电二极管模块实现了高功率亚太赫兹操作，具有平坦的140–220 GHz频率响应，支持75–90 Gbps的无线通信链接 [25]。

**结论**
一种可调的混合太赫兹等离子体超表面传感器被设计、数值优化并通过COMSOL Multiphysics v6.3中的有限元仿真进行了全面评估，用于高灵敏度检测水介质中的Cu2?和Mg2?离子。该设备将石墨烯、MXene和贵金属（Au/Cu）共振元件整合到一个对称的三重圆形分裂环架构中，该架构被嵌入在SiO?基底上的多层方形环框架内。四种结构配置被提出。

**作者贡献**
N. M. 提出了主要思想并进行了数值模拟；Ngaira Mandela 负责写作和原始草稿；Abdelhamid Albaid 和 Umer Farooq 负责监督；Ahmed Mehaney 负责写作、审阅和编辑。E. 参与了本手稿初稿的撰写和修订工作。N. M. 讨论了研究结果并做出了最终结论，同时负责审稿、编辑和修订工作。U. M.、H. A. E.、N. M.、A. A. 和 M. A. A. 对这项工作进行了监督并提供了资金支持。所有作者都为最终成稿做出了贡献。

**参与同意**：不适用。
**出版同意**：不适用。
**伦理审批与参与同意**：不适用。

**关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明**：
AI工具（Chat GPT 和 deepseek）仅用于英语语言的编辑和优化，所有内容均经过作者的审查和批准。

**资助**：
本研究由沙特阿拉伯海伊尔大学的科研处通过项目编号资助。

**未引用的参考文献**：[34], [36]

**利益冲突声明**：
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

**致谢**：
本研究由沙特阿拉伯海伊尔大学的科研处通过项目编号资助。

作者列表：Hussein A. Elsayed | Ngaira Mandela | Abdelhamid Albaid | Umer Farooq | Ahmed Mehaney