封面 | 当超材料遇见太赫兹：让生物组织“显形”的高灵敏焦平面成像技术

在医学诊断和生物检测中，我们常常面临一个问题：如何在不破坏样品、不过度处理的情况下，准确区分不同组织结构？例如，在新鲜组织中，肌肉与脂肪、叶脉与叶肉之间往往存在水分含量和微观结构的差异，但这些差异如何被“看见”，一直是成像技术需要解决的关键问题。

太赫兹（THz）辐射位于微波与红外之间，具有非电离、对水分高度敏感等优势，非常适合用于生物检测。然而，生物组织对太赫兹波的吸收和散射较强，同时样品本身的吸收截面较小，使得太赫兹波与物质之间的相互作用较弱，传统成像模式往往存在信号衰减大、图像对比度不足的问题。此外，逐点扫描式成像耗时较长，也限制了其在实际快速检测场景中的应用。因此，如何在保证成像效率的同时显著提升检测灵敏度，成为太赫兹生物成像发展的重要课题。

针对太赫兹生物检测灵敏度不足的问题，首都师范大学张岩、王新柯团队设计并制备了一种基于金属狭缝阵列的超材料传感器，并将其引入太赫兹焦平面成像系统，实现了局域电场强增强与高通量二维成像的结合。如图1所示，在高阻硅衬底上制备了周期性矩形狭缝阵列结构。通过有限差分时域（FDTD）方法进行电磁仿真，发现该结构在约1 THz附近产生明显共振峰。在共振频率处，太赫兹电场被强烈局域在狭缝区域，平均增强约62倍，边缘最大增强可达141倍。强局域电场意味着样品中微小的介电变化会被显著放大，从而为高灵敏检测提供物理基础。

图1 超材料传感器的设计。（a）单元结构的示意图；（b）仿真太赫兹透射光谱；（c）在共振频率下传感器表面的太赫兹场增强分布；（d）从（c）中白色虚线处截取的场分布曲线

在系统实现方面，该团队构建了基于电光采样技术的太赫兹焦平面成像平台。系统中飞秒激光光源分为泵浦光与探测光两路，泵浦光经ZnTe晶体利用光学整流效应产生x方向偏振的太赫兹辐射，与探测光在探测晶体内耦合调制，结合差分采样与傅里叶变换，实现太赫兹时域、频域成像。与传统逐点扫描模式不同，焦平面成像可以一次性获取二维太赫兹场分布，大幅缩短成像时间至约30分钟。为了减弱样品与探测晶体之间距离带来的衍射效应，引入基于角谱理论的图像重建算法，对时域数据进行频域重构处理，进而提升了图像的空间分辨能力。

随后，选取桑叶（Morus alba L.）与羊肉切片（Mutton）作为代表性生物样品进行实验验证。

图2 叶片组织成像。（a）桑叶的光学照片；（b）和（c）使用超材料传感器在1THz处获得的样品振幅与相位图像；（e）和（f）对应样品在使用高阻硅片时的振幅与相位图像；（d）从（b）和（e）中沿红色与绿色虚线提取的振幅分布曲线

如图2所示，在1 THz频率下，使用超材料传感器时，叶脉与叶肉之间的振幅与相位差异清晰可见。叶脉区域由于含水量及组织结构差异，对太赫兹波产生更强吸收与相位延迟。相比之下，当传感器被高阻硅片替代时，虽然仍可辨别结构，但图像对比度明显下降。定量分析显示，引入超材料传感器后，检测灵敏度提高约5倍。

图3 羊肉组织成像。（a）羊肉切片的光学照片；（b）和（c）使用超材料传感器在1THz处获得的样品振幅与相位图像；（e）和（f）对应样品在使用高阻硅基片时的振幅与相位图像；（d）从（b）和（e）中沿红色与绿色虚线提取的振幅分布曲线

在动物组织实验中，肌肉与脂肪之间的差异同样被显著放大。肌肉组织中高达约85%的自由水含量导致太赫兹波更强衰减与相位调制，而脂肪组织吸收较弱。对比实验表明，引入超材料后图像对比度显著增强，检测灵敏度提升约1.7倍。

综上所述，本研究首次将狭缝阵列超材料传感器与太赫兹焦平面成像模式结合，在保持高通量成像效率的同时，实现了显著的灵敏度提升。该方法不仅增强了太赫兹场与样品之间的相互作用，还为快速二维光谱成像提供了新路径。

未来，该团队将进一步优化超材料单元结构，设计多频共振或宽带增强方案，以获取更为丰富的光谱信息。同时结合深度学习算法，对二维太赫兹数据开展智能分析与组织识别，提升系统在复杂生物环境下的鲁棒性，推动技术向高灵敏、多模态、智能化方向发展，以期为早期疾病筛查与临床实时检测提供新的技术支撑。

首都师范大学“超材料与器件实验室”（以下简称超材料实验室）创建于2012年5月，以可见光和太赫兹波段超材料与器件为重点研究对象，主要从事与超材料有关的物理规律探索、超材料功能设计、超材料和器件的制备与性能表征。实验室定位的研究目标是，为新一代通讯技术、光电子/微电子、先进制造产业、太阳能及微波能利用等技术提供有效的功能性材料，推动首都经济及相关产业发展。超材料实验室于2014年6月成功获批“北京市重点实验室”称号。

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