南开新闻网讯（通讯员 程丹）近日，南开大学吴强教授、卢瑶副教授和许京军教授团队与澳大利亚皇家墨尔本理工大学贾宝华教授合作，在太赫兹光芯片领域取得重要进展。研究团队开发出一种面向生物分子指纹识别与多组分定量分析的太赫兹超构传感芯片，为太赫兹光芯片的功能集成与应用拓展提供了新方案。相关成果以“On-chip terahertz metasensor for quantitative multi-component biomolecular identification”（用于多组分生物分子定量识别的片上太赫兹超构传感平台）为题，发表于国际光学领域顶级期刊《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）。
复杂样品的性质与功能不仅取决于所含分子的种类，还与各组分含量密切相关，相关检测需求正由单一成分判别向多组分定量解析拓展。太赫兹指纹光谱利用不同分子的特征吸收获取指纹信息，具有非电离、无标记和无损等特点，为复杂样品分析提供了独特手段。然而，自由空间太赫兹光谱系统体积庞大，限制了其在便携式现场检测中的应用。近年来，片上波导和超构表面推动了太赫兹传感器件的小型化发展，但现有研究多集中于单一分析物的定性识别，复杂混合物的多组分定量解析仍面临挑战。
图1 片上太赫兹超构传感平台的设计示意图与实物图
针对上述问题，研究团队以20微米厚的自支撑铌酸锂晶片为基础，在其表面制备超构表面阵列，构建出尺寸仅为4毫米×8毫米的片上太赫兹指纹传感平台（图1）。铌酸锂具备优异的非线性光学和电光响应特性，因而兼具太赫兹波产生与信号读出功能；超构表面则引导宽带太赫兹波沿传感表面传播并实现局域增强，从而提升其与待测样品的相互作用强度，同时延长有效作用距离。该设计将太赫兹波的产生、传输、物质传感和信号读出等关键功能集成于同一铌酸锂晶片，在实现器件小型化的同时，兼顾了宽带指纹检测所需的频谱覆盖范围和相互作用强度。
为验证平台性能，研究团队选取两种氨基酸和两种二糖作为代表性生物分子，通过提取其特征吸收信息，实现了四种生物分子的指纹识别，并通过改变样品含量，建立了特征吸收率与样品含量之间的定量标定关系。在此基础上，研究团队进一步对多组分混合物开展测试，依据各组分的指纹吸收特征对混合光谱进行分解，提取不同组分的独立光谱贡献，并结合单组分标定关系反演各组分含量，实现了混合物中多种生物分子的识别与定量解析。
该工作实现了关键太赫兹功能模块的单片集成，增强了宽带太赫兹波与待测物之间的相互作用，并实现了混合光谱中不同组分贡献的定量解析，推动片上太赫兹传感由单一分析物的定性检测向复杂样品的多组分定量解析拓展。未来，通过结合紧凑型光学模块、微流控样品处理单元和智能分析算法，有望提升系统集成度、样品适配性和实时分析能力，逐步构建覆盖太赫兹波产生、传输、物质传感、信号读出和信息处理的全链条分析平台，推动太赫兹光芯片向多功能化和智能化方向发展。
南开大学为本工作第一完成单位，南开大学博士后徐西坦为论文第一作者，卢瑶副教授、贾宝华教授和吴强教授为共同通讯作者，许京军教授对本工作给予了重要指导。相关研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等科研项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02427-x
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