科技导报

参考文献	谐振频率/ THz	最大折射率灵敏度/（GHz·RIU^–1）	最大品质因子
[6]	0.732，1.916，2.602	572	23
[7]	1.170	165	16
[8]	2.320	700	低于10
[9]	0.617	60	273
[10]	1.854	407	112
本工作	2.933，3.412，3.637	981	320

参考文献	谐振频率/ THz	最大折射率灵敏度/（GHz·RIU^–1）	最大品质因子
[6]	0.732，1.916，2.602	572	23
[7]	1.170	165	16
[8]	2.320	700	低于10
[9]	0.617	60	273
[10]	1.854	407	112
本工作	2.933，3.412，3.637	981	320

一种用于癌细胞检测的高灵敏度多谐振太赫兹超表面生物传感器

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黄育杰 ¹^,² , 郝亚峰 ¹^,² , 刘雨航 ² , 牛文宇 ¹^,² , 李腾腾 ¹^,²^,^*

科技导报 | 研究论文 2026,44(9): 116-123

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科技导报 |研究论文 2026 , 44 (9) : 116 -123

一种用于癌细胞检测的高灵敏度多谐振太赫兹超表面生物传感器

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黄育杰¹^,², 郝亚峰¹^,², 刘雨航², 牛文宇¹^,², 李腾腾¹^,²^,^*

作者信息

¹中北大学宽禁带半导体超越照明材料与技术全国重点实验室，太原 030051

²中北大学半导体与物理学院，太原 030051

通讯作者:

李腾腾（通信作者），副教授，研究方向为光电超构器件及系统集成技术、太赫兹功能器件、微纳光电材料与器件（探测传感方向）、激光产业化应用技术，电子信箱：litengteng@nuc.edu.cn

A high−sensitivity multi−resonant terahertz metasurface biosensor for cancer cell detection

Yujie HUANG¹^,², Yafeng HAO¹^,², Yuhang LIU², Wenyu NIU¹^,², Tengteng LI¹^,²^,^*

Affiliations

¹State Key Laboratory of Widegap Semiconductor Optoelectronic Materials and Technologies, North University of China, Taiyuan 030051, China

²School of Semiconductor and Physics, North University of China, Taiyuan 030051, China

出版时间: 2026-05-13 doi: 10.3981/j.issn.1000-7857.2026.03.00062

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摘要

收起

面对癌症发病率上升的现状，癌细胞早期、快速、高灵敏检测成为生物传感技术研究重点，传统生物检测方法存在诸多缺陷，太赫兹（THz）超表面传感器凭借无标记、非侵入、高灵敏度等优势在生物传感领域展现出良好应用潜力。针对现有THz超表面生物传感器谐振模式单一及性能有待提升的问题，提出了一种多谐振THz超表面生物传感器，该器件单元结构包括由4个开口谐振环（split ring resonator，SRR）与十字形金属复合的结构层、聚四氟乙烯（PTFE）介质间隔层、连续的底层金属。传感器在2.933、3.412和3.637 THz处产生3个窄带高吸收谐振峰，且在1.00~1.40的折射率变化范围内，谐振频率随折射率增加而红移，2.933与3.412 THz处谐振峰的最大折射率灵敏度为541和981 GHz/RIU，品质因子分别高达320与82。本研究所设计的THz超表面结构在癌细胞及其相关生物标志物的高灵敏生物医学检测方面具有广阔应用前景。

关键词

太赫兹 / 超表面 / 生物传感 / 癌细胞检测 / 高灵敏度 / 高品质因子

Abstract

收起

Conventional biological detection methods typically suffer from drawbacks such as long detection duration, low detection efficiency, and insufficient sensitivity. Terahertz (THz) metasurface sensors exhibit promising application potential in the field of biosensing owing to their merits of label−free detection, non−invasiveness, and high sensitivity. Aiming at the issues of single resonant mode and unsatisfactory performance of existing THz metasurface biosensors, a multi−resonant THz metasurface biosensor is proposed in this work. The device generates three narrowband high−absorption resonant peaks at 2.933, 3.412, and 3.637 THz, respectively. Within the refractive index range of 1~1.40, the resonant frequencies display a red−shift with the increase in refractive index. The maximum refractive index sensitivities of the resonant peaks at 2.933 and 3.412 THz are 541 and 981 GHz/RIU, with ultra−high quality factors of 320 and 82, respectively. The THz metasurface structure designed in this study holds broad application prospects for the highly sensitive biomedical detection of cancer cells and their related biomarkers.

Key words

terahertz / metasurfaces / biosensing / cancer cell detection / high−sensitivity / high−Q factor

引用本文

黄育杰, 郝亚峰, 刘雨航, 牛文宇, 李腾腾. 一种用于癌细胞检测的高灵敏度多谐振太赫兹超表面生物传感器. 科技导报, 2026 , 44 (9) : 116 -123 . DOI: 10.3981/j.issn.1000-7857.2026.03.00062

Yujie HUANG, Yafeng HAO, Yuhang LIU, Wenyu NIU, Tengteng LI. A high−sensitivity multi−resonant terahertz metasurface biosensor for cancer cell detection[J]. Science & Technology Review, 2026 , 44 (9) : 116 -123 . DOI: 10.3981/j.issn.1000-7857.2026.03.00062

正文

收起

癌症是全球主要的死亡原因之一，由于饮食、环境、人口老龄化等因素，全球癌症负担不断增加，2023年，全球癌症新发病例约1850万例，死亡人数约1040万，预计到2050年，新发病例将激增至3050万^[1]。因此，癌细胞的早期精准检测对提高患者生存率具有至关重要的意义。传统癌细胞检测技术主要依赖组织病理切片、血清肿瘤标志物检测、影像学诊断等方法，这些方法往往创伤大、检测周期长、样品预处理复杂、对细胞及分子水平的微小变化灵敏度较低，难以满足极早期预警需求^[2]。

近年来，太赫兹（THz）超表面生物传感器凭借无标记、非侵入、高灵敏度等独特优势，为癌细胞的早期检测提供了全新途径^[3−10]。THz波是频率处于0.1~10.0 THz的电磁波，位于微波与红外波段之间^[11−16]，对生物分子的氢键、水分子及细胞内介电常数变化高度敏感，能够在不破坏细胞结构的前提下，反映癌细胞与正常细胞在生化组成、微观结构及电学特性上的细微差异^[17]。超表面作为一种由亚波长尺度人工微纳结构单元按特定规律排布构成的二维平面材料，其电磁响应特性可突破天然材料的固有物理限制^[18−20]。依托微纳米尺度图案或周期性结构的复杂设计，可对等效介电常数与磁导率等电磁参数进行有效调控，从而实现局域电磁场增强，显著提升检测信噪比与品质因子，有效克服传统THz光谱灵敏度不足的问题^[21]。与传统检测技术相比，基于THz超表面的无标记传感技术无须荧光染色、酶标记或复杂前处理，能够实现快速、原位、高灵敏的癌细胞识别与分析，在肿瘤早期筛查、精准诊断及动态监测等领域展现出重要的应用潜力^[22]。其中，基于超表面的窄带吸波体折射率传感器凭借较高的品质因子与折射率灵敏度，在生物测试领域受到广泛关注^[23−26]。Wang等^[17]设计了一种用于癌症诊断的THz超表面生物传感器，具有504 GHz/RIU的高灵敏度。Gao等^[27]设计并优化了一种双球结构THz吸波体生物传感器，实现了451.88的品质因子与135 GHz/RIU的灵敏度。She等^[28]基于连续谱中的准束缚态效应（quasi−bound state in the continuum，QBIC），开发了高灵敏度生物感测平台，能够在不引入抗体的情况下区分癌细胞。

然而，目前的相关工作基本存在谐振峰单一、制备难度高等缺点，且传感性能有待进一步提高。针对上述问题，本研究设计了一种易于加工的、基于多频段吸波效应的金属−绝缘层−金属（metal−insulator−metal，MIM）型THz超表面生物传感器。利用电磁仿真软件对所设计结构进行模拟，系统分析其谐振机理及关键结构参数对器件吸收性能的影响。在此基础上，进一步研究器件在不同折射率条件下的传感特性。研究结果表明，该器件在THz频段能够产生多个高吸收谐振峰，最高折射率灵敏度可达981 GHz/RIU，品质因子可达320，完全可以满足癌细胞及相关生物分子的高灵敏无标记检测需求。

1 结构设计与仿真

收起

本研究所设计的传感器周期阵列结构如图1所示，单元结构包括由4个开口谐振环（split ring resonator，SRR）与十字形金属复合的结构层、聚四氟乙烯（PTFE）介质间隔层、连续的底层金属，结构层具有轴对称与中心对称特性，器件使用的所有金属材料均为铜（Cu）。THz波从结构层入射，在特定THz频率条件下，SRR可产生显著的场增强调制效应。经过优化后，确定超表面传感器的单元结构尺寸参数为：L₁=6 μm，L₂=12.5 μm，L₃=2.56 μm，L₄=4 μm，L₅=80 μm，R₁=15 μm，R₂=11 μm，T₁=0.2 μm，T₂=26 μm，T₃=0.1 μm。

传感功能基于超表面的窄带吸波特性实现，为了分析验证所提出的THz超表面生物传感器的具体性能，使用电磁仿真软件CST Microwave Studio 2025对结构进行建模与数值仿真计算。仿真时所选用的材料均可从材料库中获取，Cu的电导率为5.8×10⁷ S/m，PTFE的相对介电常数为2.1，损耗角正切值为0.0002，同时，在x、y方向配置周期性边界条件，z方向则采用开放边界条件，通过频域求解器来计算器件的反射、透射、吸收系数，值得注意的是，吸收系数需要由下列公式计算得出

(1)

$ A = {\text{1}} - {\left| {{S_{{\text{11}}}}} \right|^{\text{2}}} - {\left| {{S_{{\text{21}}}}} \right|^{\text{2}}} $

式中，S₁₁与S₂₁分别为反射系数与透射系数，由于器件底层金属的阻挡作用，S₂₁的影响可以忽略不计。

由于结构对称，正入射时横电波（TE）模式与横磁波（TM）模式下的光谱响应应该相同^[29]。图2展示了所设计的THz传感器在电磁波正入射时的TE极化吸收光谱，可以观察到，器件在f₁=2.933 THz、f₂=3.412 THz、f₃=3.637 THz处出现3个接近完美的窄带吸收谐振峰，对应的吸收率分别为99.67%、99.87%和99.66%，表现出优异的吸波特性。

2 谐振机理与优化

收起

2.1 谐振机理分析

为了进一步揭示器件的谐振机理，分别对谐振频率f₁=2.933 THz、f₂=3.412 THz、f₃=3.637 THz处的电磁场分布及表面电流分布进行模拟，如图3所示，通过观察不同谐振频率下局域电磁场增强区域及表面电流的主要流动路径，揭示该结构多频谐振形成的物理机制。

谐振峰f₂的电场主要集中在结构开口区域（图3（b）），表明该谐振主要来源于单个SRR结构所产生的电容耦合效应。当THz波入射至结构层时，金属圆环两侧产生电荷积累，使开口间隙区域形成较强的电场集中。同时，由图3（h）可知，电流主要沿着SRR流动，并在开口两侧形成显著的电流增强区域，表明电流在圆环结构中形成闭合回路。此时，圆环结构提供等效电感，而开口间隙则形成等效电容，二者共同构成典型的LC谐振单元，其谐振频率由下式表示

(2)

$ f = \frac{1}{{2{\text{π}} \sqrt {LC} }} $

式中，L为等效电感，C为等效电容。

在该谐振模式下，顶部结构与底部金属层之间会产生反向电流，进而在介质层内部形成垂直于结构表面的磁场分布，产生明显的磁偶极共振。这种由电偶极与磁偶极耦合产生的谐振模式能够有效调控结构的等效阻抗，使其在该频率附近接近自由空间阻抗，从而显著降低反射并实现接近完美的吸收^[30]。

如图3（a）与图3（d）所示，谐振峰f₁的电场主要分布在相邻结构单元之间的间隙区域，呈现出明显的跨单元耦合特征，且磁场强度较弱。与谐振峰f₂不同，此时的电流在相邻SRR与十字结构之间形成振荡路径（图3（g）），表明其谐振过程主要由单元之间的电偶极耦合所主导。

在f₃=3.637 THz处，可以观察到电场基本局域在中心区域（图3（c））。与谐振峰f₁与f₂相比，该模式表现出更强的局域化特征，且主要电流分布联合了谐振峰f₁与f₂的相关特征（图3（i）），属于由SRR的高阶本征谐振主导的联合模式，其谐振频率主要由金属环的几何尺寸及电流振荡路径决定。

通过SRR提供的核心谐振作用与中心十字结构发挥的弱耦合作用，使器件形成多个强局域电磁场增强点，为实现高灵敏度THz生物传感提供了重要的物理基础。

2.2 参数优化

为了系统分析器件核心结构参数变化对THz超表面传感器吸波特性的调控机制与影响规律，进而达成多频段高吸收率与高传感灵敏度协同优化的核心研究目标。本研究针对性选取金属圆环开口大小（L₃）、内径（R₂）以及器件周期（L₅）作为关键结构设计变量，对上述结构参数与传感器谐振响应特性之间的关联规律开展深入研究。此外，依托CST电磁仿真软件搭载的优化器，采用遗传算法（genetic algorithm，GA），模拟生物进化理论，对器件进行全局优化。

如图4（a）所示，当改变L₃时，谐振峰f₂与f₃出现频率偏移，而f₁几乎不受影响。这是因为开口尺寸直接决定SRR结构间隙电容的大小。当开口尺寸减小时，等效电容增大，从而使LC谐振频率降低。由于谐振峰f₂与f₃主要来源于SRR结构的本征谐振，因此对开口尺寸变化较为敏感，而由单元耦合主导的谐振峰f₁则几乎不受影响。同理，由于改变R₂会引起金属环电流路径长度变化，导致等效电感大小发生变化，使谐振峰f₂与f₃左右移动（图4（b））。上述结果表明，SRR结构尺寸对其本征谐振模式具有重要调控作用。

3 传感性能与应用

收起

3.1 传感性能分析

在THz频段，正常细胞的有效折射率一般位于1.34~1.37之间，而癌细胞由于在细胞密度、细胞核比例以及蛋白质与脂质含量等方面与正常细胞存在明显差异，导致介电常数通常更高，对应的有效折射率基本分布在1.36~1.40范围内^[31]。当待测生物样本覆盖在传感器上时，由于样本的折射率不同，其局域电磁环境将发生改变，从而导致器件谐振条件发生变化，并引起谐振频率的偏移^[32]。因此，通过分析谐振频率随折射率变化的响应特性，可以实现对癌细胞及其标志物的高灵敏识别。

在折射率逐渐增大的过程中，由于谐振峰f₃出现吸收幅值衰减，谐振特征减弱，不利于准确提取谐振中心频率，为保证传感检测结果的稳定性与可靠性，在后续的折射率传感分析中仅选取吸收特性稳定且谱线清晰的谐振峰f₁与谐振峰f₂展开研究（图5）。图5（a）与图5（d）分别模拟了f₁与f₂在待测物厚度为25 μm时，1.00~1.40折射率范围内的器件吸收光谱变化情况。可以观察到，随着折射率逐渐增加，2个谐振峰均出现明显红移，这是由于外界折射率增大会提高传感器表面的等效介电常数，使局域电磁场储能增强，从而改变谐振单元的等效LC参数并降低其固有谐振频率。

通过吸收光谱所反映的谐振特性与规律，可以进一步量化THz超表面传感器的2个关键性能指标，分别为品质因子（Q）与折射率灵敏度（S）。Q值代表着谐振峰的尖锐程度，其定义为

(3)

$ Q = \frac{{{f_0}}}{{FWHM}} $

式中，f₀为谐振峰的中心频率，FWHM代表谐振峰的半高全宽。Q值越高，器件能量损耗越小，对折射率变化与微量待测物的检测分辨率越高。由式（3）可得，谐振峰f₁与f₂的Q值分别为320与82。

S表征传感器谐振峰位移随外界折射率变化的响应能力，定义为

(4)

$ S = \frac{{\Delta f}}{{\Delta n}} $

式中，Δf为谐振峰因待测物折射率变化而产生的中心频移量，Δn为待测物折射率变化量，S值越大，传感器对微量待测物质与环境折射率变化越敏感，即传感性能越好。

根据式（4）进行计算与线性拟合处理，S值分别为S（f₁）=456 GHz/RIU（图5（b））、S（f₂）=771 GHz/RIU（图5（e））。其中，谐振峰f₂的电场主要集中在SRR开口间隙区域，局域电场增强更加显著，对外界介电环境变化表现出更高的敏感度。

此外，待测物层的厚度同样会对传感器的检测性能产生影响。待测物厚度变化对S（f₁）与S（f₂）的影响如图5（c）与图5（f）所示，当待测物厚度逐渐增加时，S（f₁）与S（f₂）整体上均呈现增大趋势，且逐渐平稳，在待测物厚度为40 μm时，分别可达541、981 GHz/RIU。增大趋势的出现是因为随着待测物厚度的增加，外界折射率变化对谐振条件的调制作用增强。但超表面传感器的有效感测深度主要集中在结构表面附近的有限区域，电磁场在远离结构表面后迅速衰减，所以当厚度增加到一定程度后，灵敏度的增长趋势逐渐减缓并趋于稳定。

本研究提出的THz超表面传感器在1.00~1.40折射率变化范围内表现出明显的谐振频移特性与良好的线性响应关系。通过f₁与f₂这2个稳定谐振峰作为检测通道，可以实现对癌细胞的高灵敏度折射率传感检测。

3.2 传感性能比较

为了进一步评估本研究提出的THz超表面生物传感器的综合性能，将所设计的器件与近年来的相关工作进行对比，如表1所示，对比指标主要包括谐振频率、最大折射率灵敏度以及品质因子。

已有的相关研究在不同的传感性能方面取得了一定进展，同时揭示了多谐振峰、高品质因子与高灵敏度在THz超表面生物传感器中难以协同实现的挑战。相比之下，本研究所提出的结构同时具备多谐振检测通道、高品质因子以及高折射率灵敏度等优势。

3.3 工艺流程设计

在器件加工方面，本研究设计的THz超表面生物传感器可采用简单微纳加工工艺实现，制造流程如图6所示。首先，将PTFE薄膜介质层贴合在洁净的硅（Si）衬底上。随后，通过磁控溅射技术沉积一层连续的Cu金属薄膜，用于制造所设计的结构。接下来通过光刻工艺进行图形化处理，具体过程包括旋涂光刻胶、光刻机曝光后显影等步骤。下一步使用离子束刻蚀（ion beam etching，IBE）去除未被光刻胶保护的金属区域，并剥离残余光刻胶，得到所需结构。最后，从Si衬底上剥离PTFE，在背面溅射一层Cu金属薄膜，作为器件的底层反射金属层。

4 讨论

收起

本研究围绕结构设计与多谐振性能提升方面进行创新。已有的THz超表面传感器设计多通过优化单一谐振结构或引入复杂机制来提高传感性能，本研究则在相对简单的MIM结构基础上，通过对开口谐振环与十字结构的组合方式进行优化设计，实现多谐振模式的有效调控，进而获得较高品质因子与灵敏度，这验证了结构优化驱动性能提升的可行性。同时，不同谐振峰由不同物理机制主导的结果更体现结构在调控多模响应方面具有一定灵活性。需要指出的是，本研究结果主要基于理想电磁仿真条件获得，与实际应用场景之间存在一定差异。在器件制备方面，实际工艺条件中的金属损耗、加工误差及介质参数偏差等因素可能导致谐振峰出现偏移与展宽，从而影响传感性能。在生物测试方面，含水生物组织对THz波具有部分吸收效应，本研究采用的分析模型为等效折射率模型，忽略了吸收损耗，这可能使仿真结果偏向理想情况，实际测试时还需要对生物样品进行干燥处理。总体而言，本研究在多谐振结构设计与性能优化方面取得了一定的创新性进展，但后续仍需设计开展实验验证，为实现癌细胞检测应用提供更可靠的理论与技术支撑。

5 结论

收起

本研究设计了一种MIM型多谐振THz超表面生物传感器，并对其电磁特性与折射率传感性能进行了系统研究。模拟结果说明，该器件在2.933、3.412和3.637 THz处产生3个窄带高吸收谐振峰，吸收率均接近100%，表现出良好的多频段吸波特性。通过电磁场分布与表面电流分析发现，不同谐振峰分别来源于SRR结构的LC本征谐振、结构单元之间的电偶极耦合及高阶联合谐振模式，SRR开口及结构间隙处形成的强局域电磁场增强为提高传感灵敏度提供了重要基础。在1.00~1.40折射率范围内，谐振峰随折射率变化呈现明显红移特性，其中谐振峰f₁、f₂的折射率灵敏度分别达456、771 GHz/RIU，在待测物厚度为40 μm时最高可达541、981 GHz/RIU，同时谐振峰f₁的品质因子可达320，展现出优异的传感性能。此外，本研究提出的传感器结构相对简单，可通过常规微纳加工流程实现，涉及的工艺自动化程度高且发展成熟，有利于器件的实际制备与规模化生产应用。研究结果表明，该THz超表面生物传感器可为癌细胞及其生物标志物的高灵敏、无标记检测提供一种具有潜力的技术方案，在生物医学检测与肿瘤早期筛查领域具有一定应用前景。

基金

收起

国家自然科学基金项目(62301509)
中国博士后科学基金面上项目(2025M770537)

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2026年第44卷第9期

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doi: 10.3981/j.issn.1000-7857.2026.03.00062

接收时间：2026-03-27
首发时间：2026-05-27
出版时间：2026-05-13

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作者

出版历史

收稿日期：2026-03-27
修回日期：2026-04-15

基金

国家自然科学基金项目(62301509)

中国博士后科学基金面上项目(2025M770537)

作者信息

¹中北大学宽禁带半导体超越照明材料与技术全国重点实验室，太原 030051

²中北大学半导体与物理学院，太原 030051

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参考文献

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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