石墨烯集成太赫兹超表面传感器结合金纳米粒子增强技术实现痕量蛋白质检测

为解决传统太赫兹(THz)生物传感技术中电磁响应弱、检测限高的难题，研究人员开发了一种基于石墨烯集成环形裂环谐振器(TSRR)的THz超表面传感器，结合金纳米粒子(AuNPs)局域表面等离子体共振(LSPR)增强技术，实现了中位素(MK)和癌胚抗原(CEA)的痕量检测，检测限分别达125 pg/mL和10 pg/mL，为THz生物传感器在疾病标志物检测中的应用提供了新思路。

　　

在生物医学检测领域，如何实现超低浓度蛋白质的快速精准检测一直是科学家们面临的重大挑战。太赫兹(THz)波因其非电离特性、指纹光谱等优势被视为理想检测工具，但天然材料对THz波的微弱响应严重制约了其应用。传统检测技术往往需要复杂标记步骤或昂贵设备，难以满足临床对痕量生物标志物的检测需求。

为突破这一瓶颈，中国的研究团队创新性地将化学气相沉积(CVD)石墨烯的狄拉克特性与环形偶极共振超表面相结合，设计出新型太赫兹超表面传感器。通过金纳米粒子(AuNPs)的局域表面等离子体共振(LSPR)效应增强石墨烯局部电场，最终在《Biosensors and Bioelectronics》发表了这项突破性研究成果。

关键技术包括：1）采用光刻技术在聚酰亚胺(PI)薄膜上制备含I型和C型谐振器的金阵列超表面；2）集成CVD石墨烯调控费米能级；3）利用抗体修饰的AuNPs实现信号放大；4）使用太赫兹时域光谱系统(TDS, ADVANTEST TAS7500TS)在27°C、2.7%湿度条件下进行检测。

【研究结果】
Indroduction
阐明了THz生物传感的技术瓶颈，指出超表面和纳米材料增强是解决弱响应问题的有效途径。

Result and Disscussion
设计的TSRR超表面结构包含石英基底、PI介质层和金谐振器阵列(导电率δ=4.56×10⁷ S/m)。实验证明，随着MK浓度从0增至375 pg/mL，传输峰振幅因石墨烯费米能级移动而增强，实现125 pg/mL的检测限。CEA抗体-AuNPs通过LSPR诱导电荷积累，进一步将CEA检测限提升至10 pg/mL。

Conclusion
该研究首创性地将石墨烯狄拉克特性与环形偶极共振超表面耦合，结合AuNPs增强策略，建立了无需标记的pg级蛋白质检测新方法。温度(27°C)和湿度(2.7%)的精确控制保证了实验结果的可重复性。

这项研究的突破性意义在于：1）首次实现THz超表面传感器对CEA的10 pg/mL级检测；2）创新性提出AuNPs增强石墨烯局域电场的物理机制；3）为癌症早期诊断等临床应用提供了新型检测平台。研究获得国家自然科学基金(62201312)等多项支持，相关技术已申请专利保护。