基于超表面的先进传感设备已经成为创新无标签生物传感器的革命性平台，有望用于早期诊断和低浓度分析物的检测。在这里，我们对一种基于连续域束缚态的超表面传感器进行复现【Wang R, Song L, Ruan H, et al. Research, 2024, 7: 0483】，来解决与痕量生化检测中复杂操作相关的挑战。
仿真结构如图1所示。为了演示超表面的频谱响应和共振特性，使用CST仿真软件的频域求解器进行了数值计算。在x和y方向上设置Floquet周期条件，在z方向上取开边界条件。激发太赫兹波的TE电场沿y方向模拟沿激发场方向传播的偏振平面波。每个方向的网格尺寸都小于最小构造尺寸，以保证收敛结果的精度。具体设置如图2-4所示。
图1 仿真结构示意图
图2 仿真频率区间设置
图3 仿真边界条件设置
图4 求解器参数设置
通过不断打破结构的对称性，对称保护的BIC线形会逐渐变为Fano线形，而较为低频的本征模式的频率和线宽基本保持不变，因此通过改变参数g2可以实现从准BIC-BIC-准BIC过程的转变，如图5所示。
图5 改变参数g2的仿真结构。A，论文原图；B，复现图。
进一步也对超表面表面电流分布情况进行了仿真，具体结果如图6所示。准BIC共振所对应的超表面相关的表面电荷主要积聚在谐振器的边缘以及较宽的间隙区域，形成了一个电偶极子和磁偶极子的耦合效应，因此在准BIC情况下，会产生Fano线形的新谐振峰。同时，这表明电磁能量集中在谐振器的边缘，意味着与痕量分析物相互作用的可能性更高。
图6 仿真准BIC时表面电流分布情况。左图为论文结果，右图为复现结果。
最后，为了研究所提出的超表面的光学传感性能，采用具有一定厚度的分析物进行模拟。为了涵盖太赫兹传感研究中使用的生物医学材料，我们调节分析物的介电常数对光谱进行分析，如图7所示，来比较准BIC模式和本征模式的传感性能。折射率生物传感器的灵敏度S定义为Δf/Δn，其中Δf是将分析物置于超表面上时的共振频率偏移，Δn 表示模拟分析物的折射率。准BIC模式的电磁能量集中在谐振器的边缘，而本征模式的电磁能量位于谐振器中间的连接处（图6）。从图中可以计算得出，本征峰的灵敏度317 GHz/RIU，准BIC峰的灵敏度为523 GHz/RIU，这进一步说明了准BIC共振相对于本征共振具有更出色的传感能力。
图7 本征峰与准BIC峰的仿真模拟结果
太赫兹超表面生物传感技术因其独特的优势使其在下一代高灵敏、快速、无损生物分子检测技术中占据核心地位，正处于一个充满活力的快速发展期。未来，随着跨学科合作的深入和技术壁垒的不断突破，该技术不仅将深刻变革生物医学检测的面貌，更将在精准医疗、生命科学研究和公共健康安全等领域发挥不可替代的关键作用，开启生物分子检测的新时代。
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2025年11月26日 10:09
