基于纳米晶体增强的太赫兹超材料生物传感器用于无创尿液胆红素诊断

《Scientific Reports》：A terahertz metamaterial biosensor using nanocrystals for noninvasive urine bilirubin diagnosis

本研究针对尿液胆红素传统检测方法存在的侵入性、操作复杂和设备要求高等问题，开发了一种基于纳米晶体增强的可调谐等离子体超材料生物传感器。该传感器在952 nm波长处工作，灵敏度达325 nm/RIU，品质因子为366.75，电场强度增强达1714倍，为肝功能障碍的无创诊断提供了新方案。

　　

在医疗诊断领域，胆红素作为血红蛋白的代谢产物，其浓度异常是肝功能障碍的重要指标。传统检测方法通常需要采血化验，不仅给患者带来不适，还依赖专业实验室设备。能否像测血糖一样，通过无创方式快速检测尿液中的胆红素含量？这正是Azizmorad Valinasab团队在《Scientific Reports》上发表的最新研究要解决的难题。

当前临床实践中，胆红素检测主要依赖化学分析或分光光度法，这些方法在基层医疗机构难以普及。而现有的太赫兹生物传感技术又存在灵敏度不足、共振可调性差和场限制能力弱等局限。面对这些挑战，研究人员将目光投向了等离子体超材料这一前沿领域。

研究团队创新性地设计了一种结合纳米晶体的可调谐等离子体超材料生物传感器。该装置的核心是一个基于银纳米棒阵列的半光子谐振器，通过精心设计的缺陷结构实现强烈的局域场增强。当太赫兹波与纳米晶体相互作用时，传感器能够通过折射率变化精确反映胆红素浓度。

在技术方法上，研究采用计算电磁仿真优化传感器结构，通过CST Studio 3D-EM软件模拟电磁波传播，建立等效电路模型分析TE/TM模式特性，并利用ε近零特性增强传感性能，最终实现对不同浓度胆红素尿液样本的折射率响应测试。

结构设计

传感器采用银纳米棒8×8周期阵列构成单晶环境，通过引入缺陷结构（黄色和棕色棒）和中心加倍半径的红棒优化共振模式。硅衬底厚度40 nm，银层厚度100 nm，输入输出波导尺寸为100 nm×100 nm。这种设计在不使用非线性材料的情况下实现了高效滤波，具备低功耗优势。

半解析建模

研究建立了TE和TM极化下的等效电路模型。TM模式下，电场垂直于间隙产生电容效应，形成Z_c+Z₁串联电路，增强了折射率变化的敏感性。通过Fresnel方程计算输入阻抗，解释了TM模式反射谷更尖锐的原因。

ENZ等离子体超材料特性

传感器在950 nm波长处同时表现出ε和μ近零特性，实现强场限制和相位控制。这种ENZ环境使电流强度显著增强，促进偏振控制和有效滤波。

吸收特性

在950 nm处观察到强吸收峰，对应周期性纳米结构支持的共振模式。对称三波导设计增强了场局域化，形成强场偶极子耦合。

折射率传感性能

基底折射率每增加0.1，共振波长红移32.5 nm。当折射率变化为0.2时，灵敏度达325 nm/RIU，品质因子366.75，优值系数65，均为最佳值。温度稳定性测试证实传感器在不同环境条件下性能可靠。

磁场分析

共振频率处表面电流形成磁偶极子，波导进出口处磁场增强，对侧磁场减弱，证实了等离子体共振机制。

全光开关特性

入射角0-50度时输出稳定，超过50度时开关触发，输出为零。这种角度调制开关不依赖非线性效应，功耗低。

电场增强

局域表面等离子体共振使输出电场强度增强1714倍，显著提升检测信号。

尿液胆红素诊断

研究测试了胆红素浓度3-12 mg/dL对应的折射率1.33-1.36。随着浓度增加，吸收谱呈现规律性红移，建立浓度与光学响应的定量关系。

与现有太赫兹生物传感器相比，该器件在灵敏度（325 nm/RIU）和电场增强（1714倍）方面表现突出，为实时、无创胆红素监测提供了可行方案。

该研究成功开发了一种基于纳米晶体增强的太赫兹超材料生物传感器，通过创新结构设计实现了高灵敏度（325 nm/RIU）、高品质因子（366.75）和强电场增强（1714倍）。传感器利用ε近零特性增强光与物质相互作用，通过折射率变化精确检测尿液胆红素浓度（3-12 mg/dL）。与现有技术相比，该无创诊断方法避免了传统采血的不便，降低了设备依赖，为肝功能障碍的早期筛查和居家监测开辟了新途径。未来通过进一步微型化和集成化，这种传感器有望成为便携式医疗诊断设备的核心组件，推动个性化医疗发展。