太赫兹光谱技术可直接探测分子的振动指纹谱，但由于太赫兹波与分子之间的相互作用较弱，传统太赫兹光谱技术难以有效检测微弱的分子振动指纹信号。超表面为高灵敏度太赫兹分子检测提供了新的途径，但现有研究主要侧重于太赫兹超表面谐振频率与分子指纹振动频率的匹配，对于决定光与物质相互作用强度的谐振损耗及其优化方法仍缺乏系统研究，限制了传感性能的进一步提升。
西安交通大学张留洋教授团队提出了一种基于损耗工程的太赫兹超传感器设计方法，通过引入三维面外结构自由度，实现谐振频率与损耗特性的独立调控，利用微纳3D打印技术制备得到像素化超传感器，实验证明了12.6倍的分子振动指纹信号增强以及分子振动强耦合，为高灵敏分子检测提供了新的技术（图1）。该成果以“Loss-Engineered Terahertz Pixelated Metasensors for Enhanced Molecular Vibrational Fingerprint Sensing”为题发表在国际学术期刊《Advanced Science》。
图1. 基于损耗工程的太赫兹像素化超表面传感器工作原理。
基于时域耦合模式理论，揭示了损耗调控对分子振动指纹信号增强的影响机制（图2）。以麦芽糖在1.11 THz处的特征振动模式为例，结果表明，最优分子振动信号增强出现在特定的欠耦合条件下，为高灵敏超表面传感器设计提供了优化依据。
图2. 基于损耗工程的分子振动指纹增强优化机制。
为验证所提出的优化方法，研究人员利用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术（nanoArch® S130，精度：2 μm）制备了传感器件。通过对不同像素的光谱响应进行分析，重构出麦芽糖在1.11 THz附近的特征振动指纹，相比于无图案化金属反射层上的分子指纹振动信号实现了12.6倍的增强，验证了损耗优化对于提高太赫兹传感灵敏度的有效性（图3）。
图3. 3D打印太赫兹像素化超传感器及麦芽糖分子振动指纹检测。
总结：本研究提出了一种基于损耗工程的太赫兹像素化超传感器设计策略，实现了谐振损耗与频率的灵活调控，揭示了最优分子振动指纹增强的物理机制，并通过微纳3D打印的器件实现了12.6倍的分子指纹信号增强及分子振动强耦合。该研究可为高灵敏太赫兹分子检测及宽带振动光谱分析提供新的技术途径，在生物医学传感和化学物质识别等领域具有重要的应用价值。
原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.78233
