水生細菌污染是全球性難題，傳統(tǒng)檢測方法存在諸多不足，促使科學家尋找更高效、靈敏的技術。太赫茲光譜技術憑借其獨特優(yōu)勢脫穎而出，它利用生物分子的介電特性，在太赫茲頻段實現(xiàn)細菌的精確檢測，且其非電離特性保證了檢測的安全性和非破壞性，非常適合水質監(jiān)測。表面等離子體共振（SPR）技術可實時檢測生物分子相互作用，通過測量折射率變化實現(xiàn)無標記檢測。超表面技術則通過精準操控電磁波，進一步提升了傳感器性能。
近期，《Plasmonics》期刊發(fā)表的一項研究揭示了一款集成石墨烯與鈣鈦礦超表面的太赫茲生物傳感器，其通過多維度模擬與實驗驗證，實現(xiàn)了水borne細菌的高靈敏檢測。研究團隊同步公開的系列圖片直觀展示了傳感器結構設計、電磁場分布及檢測機制，為太赫茲傳感技術的實際應用提供了可視化依據(jù)。
研究內容
圖 1 傳感器設計的不同視圖
如圖1（A-C）所示，傳感器采用“同心圓環(huán)-方形層”嵌套結構：內層為三層同心圓形鈣鈦礦（CH?NH?PbI?）結構，半徑分別為4.5μm、12μm和14μm，置于1.8μm厚的SiO?基底上，構成太赫茲波共振的核心框架；外層為邊長16μm的石墨烯方形結構（T?），通過化學氣相沉積（CVD）制備，其化學勢可調，實現(xiàn)對太赫茲波的動態(tài)響應；20μm×1.8μm的SiO?基底提供機械支撐并確保太赫茲波的高透過率。這種結構設計在圖1中以立體視角清晰呈現(xiàn)，展現(xiàn)了鈣鈦礦與石墨烯的空間耦合關系，為電磁場增強奠定了基礎。
研究發(fā)現(xiàn)，當石墨烯化學勢從0.1eV增至0.9eV時，0.5THz處的透射率從98.65%逐步下降，證明化學勢可有效調節(jié)材料對太赫茲波的吸收效率。并且，入射角度從0°增至80°時，透射率降幅僅3.38%，證實傳感器在寬角度范圍內仍保持穩(wěn)定響應，適配復雜檢測場景。
圖 2 生物傳感器在三個不同頻率下的電磁場分布模式
而圖2的電磁場分布可視化結果進一步揭示了傳感機理：在0.5THz時，傳感器結構內出現(xiàn)明顯的棕色高亮區(qū)域，表明此處電場強度集中，形成強共振效應；相比之下，0.45THz和0.55THz時的藍色區(qū)域則顯示場分布較弱，驗證了0.5THz為最佳工作頻段。
圖 3 水生細菌的檢測
圖3的實驗數(shù)據(jù)圖直觀呈現(xiàn)了傳感器對水borne細菌的響應：當折射率從1.33增至1.3921時，共振頻率從0.518THz移至0.504THz，對應透射率下降約0.53%，且頻率偏移與折射率變化呈線性關系。結合性能參數(shù)，該傳感器實現(xiàn)了0.146RIU的檢測限與638GHz/RIU的靈敏度，較其他石墨烯基傳感器（如500GHz/RIU的水溶液檢測傳感器）性能提升顯著。
該傳感器通過光刻、等離子體刻蝕等工藝實現(xiàn)多層結構集成，為規(guī)模化生產提供了技術路徑。研究團隊指出，未來可結合電磁場優(yōu)化策略，進一步集成微流控系統(tǒng)，實現(xiàn)細菌檢測的自動化與高通量——這一愿景在環(huán)境監(jiān)測、飲用水安全預警等領域具有直接應用價值。
該研究通過結構示意圖、性能曲線與電磁場模擬圖的多維度呈現(xiàn)，構建了從理論設計到實驗驗證的完整證據(jù)鏈。這些可視化成果不僅揭示了石墨烯-鈣鈦礦超表面在太赫茲傳感中的協(xié)同機制，更為下一代無標記生物檢測技術提供了可借鑒的“圖像化”解決方案。
原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s11468-025-02948-y
來源：微生物安全與健康網，作者~肖錦琦。
