Nanophotonics杂志报导我院团队研究成果：高灵敏、偏振无关的太极微环传感器实现Aβ蛋白的定量检测

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图1基于环偶极子共振的太极环微环传感器设计及其偏振无关特性。

1. 导读

太赫兹超材料传感是一门结合太赫兹技术和超材料的新型交叉技术。通过增强局域电磁谐振，太赫兹超材料可以实现不同目标物的超痕量检测，在生物医学、食品安全、环境监测、工农业、材料表征和安全检验等方面具有广泛的实际应用。研究表明，与传统电偶极子和磁偶极子相比，环偶极子表现为闭合型的电流和磁场，拥有着更强的近场束缚效应。因此，基于环偶极子共振的超材料能够提供一个高品质、高灵敏度的传感平台。

近日，南昌大学空间科学与技术研究院的青年教师雷江涛在nanophotonics发表最新文章。受到完美对称的中国古老而神秘太极图的启发，设计了一种基于环偶极子共振的新型高对称传感器。针对目标物的超薄厚度和折射率，其结构能够在太赫兹波段产生高灵敏响应。鉴于此，研究人员利用此结构实现Aβ蛋白浓度从0.0001 mg/ml到10 mg/ml（23 nM至2.3×103 µM）的大范围定量检测，展示出巨大的应用潜力。

2. 研究背景

太赫兹（THz）光谱因其无创、非电离、低散射、高穿透性和指纹光谱等突出特点在生物传感应用中越来越受到关注。然而，自由空间太赫兹探测器的低灵敏度限制了许多生物分子的痕量检测。幸运的是，THz超材料通过增强光与物质的相互作用，为THz技术在生物传感领域的有效应用提供了巨大的机遇。

β-淀粉样蛋白（A β）是阿尔茨海默病（俗称老年痴呆症）病理的主要生物标志物，存在于人体血液和脑脊液当中。Aβ的定量和灵敏检测有助于相应疾病的诊断、筛查。Aβ的传统传感方法包括比色法、电化学法，荧光检测法，免疫检测法等等。然而，比色法操作简单但灵敏度低，电化学法灵敏度高但受限温度，荧光检测法中发光化合物与Aβ的相互作用一定程度上干扰了检测结果，免疫法特异性强但相对成本高。太赫兹超材料传感的无标、无损快速检测可能成为另外一种弥补传统传感方法不足的新型技术手段。

3. 创新研究

（1）设计了一种高灵敏且与入射光偏振无关的新型太赫兹环偶极子共振传感器。如图1，引入结构对称破缺，单个太极环（STR）能够在太赫兹波段产生与入射光偏振方向相关的环偶极子共振。进一步，将缺口方向相互垂直的四个太极环组合成新的单元结构（QTR），可以实现从偏振相关到偏振无关的巧妙转变。这种转变有效的消除因入射光偏振方向改变所导致的Q因子减少的问题，从而减少检测误差。图2展示了该结构对超薄分析物具有较高的折射率灵敏度。在相同4 µm分析物覆盖时，与其他先进的太赫兹超材料结构的对比体现了该结构传感的优势。

图2. QTR超材料传感性能研究

（2）QTR太赫兹超材料传感器可应用于Aβ蛋白浓度从0.0001 mg/ml到10 mg/ml的大范围定量检测。如图3所示，实验制备并验证了QTR超材料在太赫兹频段上的共振现象以及与入射光偏振方向无关的特性。QTR超材料与太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）有机结合实现了对不同浓度的单体Aβ的无标记定量检测。其检测的范围和灵敏度丝毫不逊色于传统的比色法、电化学法和荧光检测法。

图3 QTR超材料对Aβ浓度的检测。

4. 应用与展望

该论文报道了基于环偶极子共振的太极环微环太赫兹超材料，对超薄分析物折射率具有非常高的灵敏度，并且其偏振无关的特性解决因入射光偏振方向改变所导致的Q因子减少的问题，提高了检测时的稳定性。该工作将推动环偶极子共振超构表面器件走向生物样品检测的实际应用。

该研究成果以“High-sensitivity polarization-independent terahertz Taichi-like micro-ring sensors based on toroidal dipole resonance for concentration detection of Aβ protein”为题在线发表在Nanophotonics。

本文作者分别是Wencan Liu, Xinwei Zhou, Shucai Zou, Zhengguang Hu, Yun Shen, Mengqiang Cai, Dongdong Lin, Jia Zhou, Xiaohua Deng, Tianjing Guo and Jiangtao Lei，其中雷江涛和郭天敬老师为通讯作者。