上海理工大学太赫兹技术创新研究院在痕量物质的指纹谱识别技术获得新进展

　　近日，上海理工大学太赫兹技术创新研究院在庄松林院士的指导下，首次提出了一种频率选择指纹传感阵列平台。该平台针对宽带手型对映体指纹谱和窄带分析物指纹谱，采用不同的指纹谱放大机理(复用增强和ait增强)，实现了统一平台的太赫兹指纹谱放大功能。研究成果以“频率选择性指纹传感器：用于宽带手性对映体复用信号和窄带分子ait增强的太赫兹统一平台”（ frequency selective fngerprint sensor: the terahertz unity platform for broadband chiral enantiomers multiplexed signals and narrowband molecular ait enhancement）为题发表在《photonix》期刊上（if=16.5,中国科学院一区），吕嘉明博士为第一作者。

　　手性对映体（chiral enantiomer）是一种互为镜像关系的立体异构体，其右旋体（dextroisomer，即d-型）和左旋体（levoisomer，即l-型）的化学性质在药理活性和毒性上有显著差异。对手性对映体的误判将会导致对人体健康的损伤。太赫兹波介于微波和红外波之间，利用手型分子在太赫兹频段所具有的体现分子特性的指纹谱，太赫兹光谱技术对探测手型物质结构中存在的微小差异和变化非常灵敏。

　　研究人员提出了6*6的频率选择性指纹传感器阵列，该阵列结构单元基于十字形等离子超表面，满足c4对称性，具有偏振无关特性。通过改变单一结构参数（十字形长度）在0.95-2thz范围内实现类似太赫兹频率梳功能。利用此平台实验测试了d-肉碱和l-肉碱的吸收增强现象。当肉碱厚度为10 μm时，在太赫兹谱线上它们的指纹谱线型并不明显。由于在1.39 thz和1.72 thz附近，平台中单元共振线宽比d-肉碱和l-肉碱指纹谱线宽窄，覆盖阵列的10 μm肉碱层由于分子振动与十字形谐振器周围的增强电场之间的耦合导致单个阵列单元透射光谱峰值强度的明显调制，调制后的频率梳包络线放大了d-肉碱和l-肉碱的本征指纹谱特征，在0.95 thz - 2.0 thz波段，d-肉碱和l-肉碱的平均增强因子为6.8倍-7.3倍。虽然太赫兹全介质超表面可以在较窄的光谱范围内获得更高的增强因子，但我们提出的等离子阵列超表面平台解决了全介质超表面存在的介质表面不平，频率梳范围窄，以及超窄的共振线宽很难被商用thz-tds 观测和捕捉等难题。

　　此外，还利用此平台测试了1μm的窄带α-乳糖指纹传感特性。结果显示在多个阵列结构上均有吸收诱导透明增强效应，并具有较好的鲁棒性，解决了由于超表面制造误差导致的共振不匹配的难题。因此，所设计的等离子体超表面具有合适的共振线宽，对不同线宽的物质指纹谱，该阵列可提供不同的解决方案，实现宽带手性对映体指纹谱线的复用增强或窄带分析物指纹谱线的吸收诱导透明增强，有利于在实际场景中的应用，例如生物医学，食品安全，环境监控及公共安全等。

　　

　　文章链接：

　　https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-023-00110-7

　　来源：上理太赫兹

　　编辑：蓝悦

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　　上观号作者：上海科技