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“打靶环结构”，将不同“环”对应的偶极子谐振频率与不同生物化学物质的指纹谱匹配，利用吸收诱导透明(AIT)效应实现了同时检测和识别多种痕量生物化学分子太赫兹指纹谱。该结构的特别之处在于，可根据不同生物化学物质的指纹谱，定制“打靶环”的环数和环间距，实现“可重构”功能。研究成果以“Terahertz reconfigurable metasensor for specific recognition multiple and mixed chemical substances based on AIT fingerprint enhancement”为题发表在《Talanta》期刊上（IF=6.1,中科院一区），本科生黄俐皓为第一作者，指导老师为陈麟教授和朱亦鸣教授。
在太赫兹波段，大分子蛋白质等有直接的特征吸收，这是因为分子间化学键，比如范德华键、氢键的振动能级落在太赫兹波段。当超材料结构与检测物质的相互作用时，由于吸收诱导透明(AIT)原理，在超材料结构本身产生的宽带谐振中会出现检测物质的窄带吸收峰中，这个窄带吸收峰的出现代表了检测物质的存在，因此，可以将窄带吸收峰理解为检测物质的“指纹”。但是，之前设计的超材料结构仅能同时检测一种生物化学物质指纹谱，对于同时检测多种及混合物的生物化学物质指纹谱仍然具有很大的挑战。
研究团队提出了一种可重构的太赫兹“打靶环结构”传感器，可用于同时检测多个生物化学物质及其混合物。“打靶环结构”中每一个“环”的偶极子共振频率对应一种生物化学物质指纹谱，所以只要确定打靶环的环数，就可以对多种及混合痕量物质指纹谱同时进行检测。团队在原理证明实验中设计了“五环”结构，选取α-乳糖（婴儿食品稀释剂）、苯甲酸(防腐剂)、维生素 B2(重要膳食原料) 和 2,5-二氯苯胺(重要的农药化合物)这4种食品安全相关的化学物质及其混合物的指纹谱，用电路模型结合“环”之间的参数优化精确确定“环”的共振频率，使之与上述食品安全相关的化学分子的指纹谱精准匹配，在各自的指纹谱频率处激发AIT效应，实现分子及其混合物的特异性识别。实验测得的上述4种化学物质的检测下限分别为 8.61 mg/ml、6.96 mg/ml、7.54 mg/ml和 8.35 mg/ml。进一步使用单因素方差分析(ANOVA)，四种物质检测出错的概率小于0.001。所提出的“打靶环结构”还可扩展应用于痕量药物成分和环保中痕量固废物检测等领域，具有广阔的应用前景。
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0039914023012328?via%3Dihub