近日，上海市现代光学系统重点实验室在庄松林院士的指导之下，提出了一种太赫兹波段内的新型QBIC金属超表面设计及其传感应用。该研究成果以题为“基于QBIC超表面的太赫兹超灵敏生物传感器”（ Terahertz ultrasensitive biosensor based on wide-area and intense light-matter interaction supported by QBIC）发表在《化学工程杂志》上（Chemical Engineering Journal，中科院一区）。刘炳伟博士为第一作者，通讯作者为彭滟教授，魏东山教授，朱亦鸣教授。
太赫兹（THz）技术以其强穿透性、非电离和非破坏性等独特优势在高速通信、无损检测与成像以及生物医学诊断等众多领域被广泛应用。近年来，超表面与太赫兹技术的结合逐渐受到了生物医学传感领域的关注。这是因为超表面的作用尺度在细胞层级，其有效传感范围正好与细胞厚度相匹配。同时超表面可以实现对局域光场能量的强约束，从而促进光-物质作用。此外，超表面可以与微流控、衰减全反射（ATR）、抗体/纳米颗粒体系等技术结合，具有广泛的适用场景。
该研究通过在金属超表面结构中引入非对称性来操纵电四极子与磁偶极子的干涉耦合，从而诱导了Q因子高达503的超高品质谐振(QBIC)的激发。在该模式下，超表面约束的光场能量和有效传感区域分别实现了400%和1300%的巨大增幅，从而拓展了光-物质相互作用的强度与广度。模拟和实验表明，该QBIC超表面具有高达420 GHz/RIU的折射率灵敏度，对痕量同型半胱氨酸（Hcy）分子的直接检测限（LoD）为12.5 pmol/μL。
相比于传统的超表面设计，该QBIC超表面生物传感器具有超大的传感区域可“捕获”更多的样品分子，并且具有超高的Q值可以实现对痕量样品的高精度分辨。为实现痕量分子的快速、精确和无损传感提供了一条新途径，并在生物化学反应监测、光催化和光生物调制领域具有潜在应用。
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723010781