北理工司黎明团队: 可调控石墨烯超表面高灵敏生物分子无损无标记检测

研究背景

由于大多数生物分子的特征指纹谱位于太赫兹和红外波段，太赫兹和红外无损无标记生物分子传感技术引起国内外的广泛关注。

然而受光学衍射极限的限制，入射波与生物分子之间的相互作用极其微弱，导致传统太赫兹和红外光谱技术对痕量生物分子的检测灵敏度低，极大制约了该技术的发展。

人工超表面概念的提出为生物传感提供了新的思路。当超表面的共振频率与生物分子的吸收指纹在光谱上重叠时，可以显著增强生物分子的特征指纹吸收。

文章简介

近日，北京理工大学集成电路与电子学院司黎明副教授带领研究团队出一种可调控石墨烯超表面高灵敏生物分子检测和传感设计方法，提取分子指纹实现对特定生物分子的无损无标记高灵敏度检测。

▲石墨烯超表面高灵敏度生物分子检测与传感

通过改变费米能级调控石墨烯表面电导率，利用人工超表面获得电磁场极限空间限制的表面等离子体谐振，可有效应用于生物分子指纹检测与折射率传感双功能复用。该工作引入元像素超表面和动态可调石墨烯的概念，将特定元像素分配给多个共振频率，从而建立了一对多的空间和光谱信号映射。所设计的石墨烯超材料传感器提供的生物分子指纹谱信号比标准红外反射吸收光谱（IRRAS）高出 109 倍以上，实现高灵敏度的生物分子检测。同时，利用石墨烯超材料的共振模式对其环境变化敏感的特点，实现了对样品折射率的高灵敏度检测，使得所设计的传感器具备双功能复用特性。

该成果以“A mid-IR tunable graphene metasurface for ultrasensitive molecular fingerprint retrieval and refractive index sensing”(《一种用于超灵敏分子指纹检索和折射率传感的中红外可调谐石墨烯超表面》)为题，发表在英国皇家化学会期刊 Journal of Materials Chemistry C 上，并入选为 HOT Papers。

论文信息

A mid-IR tunable graphene metasurface for ultrasensitive molecular fingerprint retrieval and refractive index sensing

Yuhang Wei, Liming Si*（司黎明，北京理工大学）, Lin Dong, Qitao Shen, Tianyu Ma, Houjun Sun and Xiue Bao

J. Mater. Chem. C, 2023,11, 16501–16508

https://doi.org/10.1039/D3TC03554A

作者简介

魏雨沆 硕士研究生
北京理工大学

本文第一作者，北京理工大学集成电路与电子学院 2022 级硕士研究生。

司黎明 副教授
北京理工大学

司黎明，博士，副教授，博士生导师，北京理工大学集成电路与电子学院副院长。从事电磁场与微波技术的教学和研究工作，涉及电磁场理论、太赫兹技术与应用、天线理论与技术和雷达仿真与目标识别领域。主讲本科生课程《电磁场理论基础》和研究生课程《太赫兹技术与应用》。荣获北京理工大学教学名师、伍捍东魏茂华微波信息优秀教师奖、迪文优秀教师奖、理工雷科教学贡献奖、徐特立奖学金等。主持和参与国家自然科学基金、教育部博士点基金、北京市自然科学基金、973、863、民用航天等科研项目 30 余项。在国内外学术刊物上发表SCI/EI收录学术论文150余篇，申请和授权专利20余项，受邀作大会报告8次。现为SCI期刊《 Electronics》和《International Journal of Optics》 编委会成员、《天线学报》编委会成员、《IET Microwaves, Antennas & Propagation》等多个期刊专刊客座编辑。现为国家自然科学基金通信评议人、教育部学科评议组成员、北京市科委科技专家、中国计量测试协会电子计量专业委员会委员、全国人工智能计量协同创新生态伙伴联盟理事会理事、智能超表面技术联盟理事、中国材料学会超材料分会青年理事，以及 Advanced Optical Materials、Optics Express、IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques、IEEE Transactions on Antennas and Propagation、IEEE Microwave and Wireless Components Letters、IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters、Electronics Letters、《中国科学》、《电子学报》、《科技导报》、《雷达学报》、《北京理工大学学报》、《上海交通大学学报》等期刊审稿专家。