《Sensing and Bio-Sensing Research》：Sensitivity-enhanced machine learning–assisted terahertz Plasmonic biosensor using hybrid 2D materials for tuberculosis detection
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本文推荐一项关于高灵敏度太赫兹等离子体生物传感器的创新研究。为解决结核病（TB）检测中高灵敏度、实时监测的需求，研究人员设计了一种集成石墨烯、金、MXene和磷烯的混合二维材料超表面结构。通过COMSOL Multiphysics有限元仿真优化，该传感器在0.4-1.8 THz频段实现了1000 GHz/RIU的灵敏度、14.286 RIU-1的优异值和0.022 RIU的检测限。其重要意义在于为无标记、实时TB诊断及生物医学传感提供了高性能平台。
在生物医学检测领域，快速、精准地识别病原体一直是科研人员追求的目标。结核病（Tuberculosis, TB）作为一种由结核分枝杆菌引起的慢性传染病，依然是全球重大的公共卫生挑战。传统的检测方法，如涂片镜检、培养法和分子诊断，虽然各具优势，但在检测灵敏度、速度或操作便捷性上存在局限。近年来，光学检测技术，特别是基于表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）的传感技术，因其无需标记、可实时监测生物分子相互作用的能力而备受关注。然而，传统的SPR传感器在太赫兹（Terahertz, THz）波段的应用仍面临灵敏度提升和结构优化的挑战。太赫兹波位于微波和红外光之间，对生物分子的旋转和振动能级敏感，为生物传感提供了独特窗口。但如何设计一种能够在太赫兹波段实现高强度局域场增强、高灵敏度且易于调控的传感器，是当前研究的难点。
为了应对这一挑战，一项发表在《Sensing and Bio-Sensing Research》上的研究提出了一种新颖的解决方案。研究人员设计并数值研究了一种灵敏度增强的、机器学习辅助的太赫兹等离子体生物传感器。该传感器的核心创新在于其混合二维材料架构，集成了石墨烯（Graphene）、金（Au）、MXene和磷烯（Phosphorene）。与传统的单一或双材料等离子体传感器不同，这种设计利用了多材料等离子体杂化效应，旨在同时实现高灵敏度、角度鲁棒性和可调的电磁响应，专门用于结核病的检测。
研究人员为开展此项研究，主要应用了几项关键技术方法。首先是利用COMSOL Multiphysics软件进行的三维全波电磁仿真，采用有限元法（Finite Element Method, FEM）系统优化了传感器结构，关键优化参数包括石墨烯化学势（0.1–0.9 eV）、入射角（0°–80°）和几何尺寸。其次，引入了机器学习辅助分析，对结构参数与吸收响应之间的非线性关系进行建模和预测，以加速优化过程。此外，研究基于Kubo公式描述了石墨烯的表面电导率，并应用传输矩阵法分析多层结构的电磁波传播。仿真中设置了周期性边界条件和完美匹配层（Perfectly Matched Layers, PML）来模拟无限大阵列并消除非物理反射。
4.1. 石墨烯表面电导率（Kubo Formalism）
研究采用Kubo形式论对石墨烯的表面电导率进行了建模，该模型同时考虑了带内和带间跃迁的贡献。石墨烯的电导率是频率、化学势、散射率和温度的函数，其表达式清晰地反映了材料在太赫兹频段的可调谐等离子体特性。
4.2. 边界条件和材料界面
在每个谐振器界面，通过边界条件强制切向场的连续性，并考虑了由二维材料（如石墨烯、MXene、磷烯）诱导的表面电流密度。这确保了电磁场在复杂异质结构中的精确求解。
4.3. 杂化等离子体共振
圆形、矩形和方形谐振器之间的耦合共振通过一个杂化模方程进行描述。该方程表明，有效共振频率是各个谐振器自然共振频率、阻尼常数以及谐振器间耦合强度的函数。电磁场分析揭示了在0.4–1.8 THz范围内存在强场限制和杂化等离子体模式，在80°入射角下实现了76.935%的峰值吸收。
4.4. 吸收光谱和场分布
总吸收率通过计算反射和透射率得出。仿真假设由于金属和介电层的存在，透射可忽略不计，因此当阻抗匹配时吸收达到最大。这导致了在介质-金属界面处强烈的局域电场增强。
4.5. 使用FEM（COMSOL）进行数值求解
完整的三维电磁行为是使用频域有限元法求解的，在横向方向应用周期性边界条件，在传播方向应用完美匹配层。求解的是各向异性、色散和非均匀介质中的麦克斯韦方程组。网格在谐振器边缘和材料过渡处进行了细化，以捕捉陡峭的场梯度。
5. 结果与讨论
仿真结果系统性地展示了传感器性能。通过改变石墨烯的化学势，传感器在0.1 THz至1.8 THz范围内的吸收得到显著增强，峰值吸收值随化学势增加而提升。此外，传感器展现出良好的角度鲁棒性，在横向磁（Transverse Magnetic, TM）波照射下，入射角从0°增加到80°时，吸收率从32.223%单调增加至76.935%，这表明传感器在不同入射条件下均能稳定工作。相比之下，横向电（Transverse Electric, TE）偏振波在此配置中不支持等离子体激发，因此传感响应可忽略不计。对谐振器几何尺寸（如方形谐振器边长从2 μm到7 μm）的参数化研究表明，传感器共振频率对结构变化敏感，这为性能优化提供了依据。传感器性能与现有设计的对比表明，其灵敏度（1000 GHz/RIU）和检测限（0.022 RIU）优于或可与许多同类传感器相媲美。共振频率与折射率之间呈现良好的线性关系（R2 = 0.98098），证实了其用于定量传感的可靠性。机器学习辅助分析进一步将预测精度提高到R2超过90%，增强了模型的鲁棒性。
6. 结核病检测折射率变化的生物学相关性
研究所选的折射率范围（1.343–1.351）代表了与结核病诊断相关的生理相关水环境。结核病生物标志物（如脂阿拉伯甘露糖（Lipoarabinomannan, LAM）、细胞外囊泡、蛋白质和核酸片段）通常存在于折射率接近水（≈1.33）的生物体液中。传感器表面TB特异性生物分子的吸附或积累会产生可测量的有效折射率扰动。研究表明，10?3–10?2 RIU量级的折射率变化足以在无标记平台中区分病理状态与健康基线。共振频率对折射率的强线性依赖关系（F(n) = -0.5163n + 1.3944, R2 = 0.98098）确认了该传感器用于结核病相关折射率检测的适用性。
归纳研究结论与讨论部分，此项研究成功设计并理论验证了一种用于高灵敏度结核病检测的太赫兹超表面生物传感器。其重要意义在于：首先，创新性地将石墨烯、金、MXene和磷烯四种材料协同集成于单个太赫兹超表面中，诱导出杂化等离子体模式，这是该研究的主要新颖性之一。其次，所提出的传感器在无需完美吸收条件下即可实现角度鲁棒的折射率传感，展示了其在实际应用中的稳定性。第三，引入机器学习技术对结构和材料参数间的非线性相互作用进行建模，显著加速了传感器优化过程。该传感器实现了高达1000 GHz/RIU的灵敏度、14.286 RIU-1的优异值和0.022 RIU的低检测限，性能处于领先水平。其紧凑、可调谐的特性以及结合光催化和传感功能的双功能平台潜力，为下一代等离子体生物传感器在环境监测和生物医学诊断（特别是痕量生物标志物、病原体或毒素的高特异性检测）中的应用开辟了新途径。未来的工作应侧重于实验验证、微流控集成以及实时信号处理算法的开发。
