组成图示
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传感器类型
综述或非传感器论文
检测对象
生物素(biotin)、链霉亲和素(streptavidin)、单链DNA(ss-DNA)/互补DNA(c-DNA)、葡萄糖(glucose)、辣根过氧化物酶(HRP)、苯并环丁烯薄膜(benzocyclobutene film)、光刻胶薄膜(photoresist film)、机械应变(strain)；样品基质包括水溶液、纸基底、硅/玻璃基底薄膜、聚合物棒与柔性胶带。
检测原理
超材料传感器利用亚波长金属结构（SRR、DSRR、aDSR、嵌套SRR或金纳米棒阵列）在微波、太赫兹或近红外波段形成LC谐振、局域表面等离子体或导波等离子体模式。当生物分子与固定识别元件结合，或葡萄糖、薄膜样品加载到谐振结构上时，局部介电常数或折射率改变，引起谐振器电容/电感或等离子体耦合条件变化，使谐振频率、透射/反射峰发生位移。信号通过网络分析仪、THz-TDS或ATR光谱读出。尖端、嵌套结构和多孔模板可增强场集中与质量积累，提高灵敏度。
检测灵敏度
灵敏度斜率: 16.2 MHz/μm；28 MHz/μm（0.41/μm）；32,000 nm per RIU；109 kHz/kgf（5.148 kHz/microstrain）；1.09 kHz/kgf；0.72 kHz/kgf
效应效果
综述报道的超材料传感器可实现无标记检测。微波SRR/DSRR检测生物素、链霉亲和素和DNA杂交，频率位移约20–120 MHz，但面积较大且浓度约1 μg/mL。太赫兹aDSR在875 GHz附近出现13 dB/13 GHz调制，电场增强25倍，可检测500 pg/mm² HRP。等离子纳米棒灵敏度32,000 nm/RIU，比局域等离子体高两个数量级。嵌套SRR薄膜传感器灵敏度28 MHz/μm，非线性误差<182 nm（<7%），优于传统SRR的20.68 MHz/μm和<860 nm（72.6%）。无线应变传感器灵敏度109 kHz/kgf，误差<200微应变，可用于环境、安全与生物传感。
传感器的构成
- 基底/换能器：玻璃、硅、纸或微带传输线，提供支撑并耦合/激发电磁场
- 超材料结构层：SRR、DSRR、aDSR、嵌套SRR或金纳米棒阵列，形成LC谐振或等离子体导波模式
- 识别/功能化层：金表面固定ss-DNA-生物素或受体，用于生物分子特异性结合
- 样品/响应层：生物素、链霉亲和素、c-DNA、葡萄糖溶液或薄膜，改变局部介电/折射率
- 读出系统：网络分析仪、THz-TDS或ATR光谱系统，监测谐振频率/反射峰位移
中文摘要
超材料是由尺寸小于外部激励波长的周期性人工电磁结构组成，能够表现出强场局域与场增强特性，可为提高传感器灵敏度和分辨率提供新工具，并在传感设计中引入新的自由度。本文综述了基于超材料的传感研究进展，重点讨论三类超材料传感器的工作原理、检测过程和灵敏度，包括微波生物传感器、太赫兹生物传感器和等离子体生物传感器，同时比较其设计准则与性能，并分析当前挑战及未来应用前景。文章指出，超材料结构可通过改变谐振频率、透射/反射峰或等离子体模式响应实现无标记检测，在环境传感、安全检测和生物分析中具有潜力。
英文摘要
Metamaterials are artificial media structured on a size scale smaller than wavelength of external stimuli, and they can exhibit a strong localization and enhancement of fields, which may provide novel tools to significantly enhance the sensitivity and resolution of sensors, and open new degrees of freedom in sensing design aspect. This paper mainly presents the recent progress concerning metamaterials-based sensing, and detailedly reviews the principle, detecting process and sensitivity of three distinct types of sensors based on metamaterials, as well as their challenges and prospects. Moreover, the design guidelines for each sensor and its performance are compared and summarized.