光学游标效应是提高传感灵敏度和精度的有效机制，是相干检测中的热点研究领域。将结合游标增益的干涉传感技术拓展到太赫兹波段具有重要意义，为此本文开展了太赫兹游标生化传感器的研究，在金属平板波导内构建具有自参考特性的太赫兹片上马赫曾德波导干涉仪。游标增益使传感灵敏度超过传统双通道波导干涉仪的30倍。利用该技术在实验上表征了氨基酸氧化特性曲线，并识别氨基酸种类。这项工作将波导干涉技术与游标增益推广至太赫兹新频段，为未来太赫兹相干技术在通信和生化传感中的应用开辟了新途径。
中文标题：太赫兹游标传感器——生化检测的新“卡尺”
英文原题：Retime-mapping terahertz vernier biosensor for boosting sensitivity based on self-reference waveguide interferometers
通讯作者：
范 飞， 南开大学电子信息与光学工程学院
常胜江， 南开大学电子信息与光学工程学院
第一作者：
马 良， 南开大学现代光学研究所
关键词：太赫兹；波导干涉仪；游标传感器；灵敏度增强 ；自参考检测
背景介绍
太赫兹波位于微波和可见光波段之间，具有超宽带、低能量、非入侵、非电离等特性。由于众多生化分子集体性振动、转动能级、官能团振动等反映分子构型构象的特征指纹谱位于太赫兹波段，因此在该波段开展生化检测具有不可替代的重要价值。光学游标效应是相干检测技术中的一种增益机制，类似游标卡尺对长度测量的“放大”，光学游标效应能够显著提高干涉传感灵敏度和精度，然而受限于波导结构和耦合模式，其在太赫兹波段的应用仍处于起步阶段。为进一步增强光与物质相互作用并提高太赫兹生化传感灵敏度，开展基于游标效应的太赫兹波导相干检测研究成为一种有效的解决方案。
研究成果
超材料的灵敏度提升方面
南开大学电子信息与光学工程学院范飞、常胜江教授课题组研制了基于自参考波导干涉仪的太赫兹游标生化传感器，实现了太赫兹生化传感灵敏度的突破，并演示了传感器在检测生化分子在太赫兹波段的氧化特性曲线中的应用。
太赫兹游标生化传感器结构如图1所示：通过在金属平行板波导内构筑三通道并行结构形成并联马赫曾德波导干涉仪，其中干涉仪1类比游标卡尺的游标尺刻度，干涉仪2类比主尺刻度。游标增益体现在任意干涉光谱的轻微变化，将引起双干涉仪叠加光谱的显著变化。
利用太赫兹游标生化传感器对乳糖面积密度的检测结果如图2所示：随着乳糖面积密度增加（0–9 μg/mm2），游标包络光谱表现出显著频移，器件频移响应范围大于700 GHz，验证了传感器宽谱响应能力。对比单干涉仪传感结果，游标增益实现灵敏度增强大于3000%，实验中对样品检测灵敏度达到107 GHz/(g/mm2)量级，精度达到10−8 g/mm2量级。
太赫兹游标增益的高灵敏特性赋予传感器检测生化样品细微变化的能力，利用太赫兹游标生化传感器检测氨基酸分子在太赫兹波段的氧化特性曲线如图3所示：随着过氧化氢使用量增加，半胱氨酸先后出现两种氧化状态；而对于分子中不含硫、硒或杂环的氨基酸通常能在过氧化氢中表现出稳定性。依据生化分子氧化特性曲线的差异，可以辅助识别生化分子的种类。
未来方向
集成游标增益的干涉传感技术在太赫兹波段的成功实践揭示了太赫兹精密计量与检测的新前景，尤其是在高灵敏太赫兹生化传感领域影响尤为显著。这一研究成果从时域的角度解析太赫兹微弱干涉传感信号，有望进一步激发关于时域多维度干涉信号增强机制的深入探索。这项工作在高灵敏生化传感应用中表现出的巨大潜力也为其在生物医学、医疗健康、环境监测、食品安全等领域的广泛应用奠定了坚实基础。
主要作者简介
范 飞 南开大学电子信息与光学工程学院教授、博士生导师。南开大学“百名青年学科带头人”、天津市青年科技人才。研究方向为太赫兹科学与技术、微纳光子器件。主持国家和省部级科研项目8项，以第一或通讯作者发表高水平SCI论文110余篇，荣获天津市自然科学二等奖、教学成果特等奖等荣誉。
常胜江 南开大学电子信息与光学工程学院教授、博士生导师。太赫兹技术领域专家、中国光学学会理事、中国电子学会太赫兹分委员会副主任委员。主要从事太赫兹科学与技术、模式识别与图像处理的研究。承担国家自然科学基金重点、面上、科技部重点研发等项目。
马 良 南开大学现代光学研究所在读博士研究生，研究方向为太赫兹波导干涉仪及其生化传感应用。
引用本文
Liang Ma, Fei Fan, Weinan Shi, et al., Retime-mapping terahertz vernier biosensor for boosting sensitivity based on self-reference waveguide interferometers. Fundamental Research, 5(2) (2025) 593-601.
https://doi.org/10.1016/j.fmre.2024.12.002
原文链接（复制到浏览器中查看）：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325824005223
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