综述：新兴材料增强的太赫兹传感：从机制到应用

　　本综述系统阐述了新兴材料如何通过场增强工程、界面特异性与动态调制策略，协同突破太赫兹（THz）传感在灵敏度、水吸收干扰及特异性识别中的瓶颈。文章深入分析了超材料、二维材料（如石墨烯、MXenes）、碳纳米结构及有机-无机杂化体系的增强机制，并展望了其在生物医学诊断、环境污染物追踪及安全威胁识别等高潜力应用方向的发展前景。

　　

引言

太赫兹（THz）辐射（0.1–10 THz）在电磁频谱中占据独特地位，具备非电离性、低光子能量与穿透非导电材料等优势，可直接探测生物分子、爆炸物及药物的指纹谱。然而，传统THz传感技术受限于衍射极限灵敏度、水分子强吸收干扰及生物分子本身在THz波段缺乏显著振动模式等问题。为应对这些挑战，新兴材料通过整合场增强工程、界面特异性调控与动态响应机制，推动THz技术从实验室仪器向精准健康、环境监测及食品安全的实际应用转化。

新型材料的设计策略

超材料与共振结构

超材料通过亚波长共振结构实现局域场增强，将光-物质相互作用放大数个数量级。其中，准连续域束缚态（quasi-BIC）谐振器通过对称性破缺设计实现超高品质因子（Q），显著提升折射率传感灵敏度。柔性超材料架构结合半导体、相变材料或拓扑绝缘体，可通过光、热或电刺激实现动态共振调谐，适应复杂检测环境。

二维材料与量子限域效应

石墨烯凭借其栅极可调的导电性和THz波段等离子体局域化能力，实现痕量分析物的超灵敏检测与动态调制。MXenes则因其高电导率和亲水性，成为高效THz吸收体与电磁屏蔽材料的理想选择。二者均通过量子限域载流子动力学增强THz响应。

碳纳米材料与π电子相互作用

碳纳米管（CNTs）和石墨烯杂化体系利用大比表面积与π电子相互作用，强化对分析物的吸附与信号转导。其界面电荷转移机制可有效克服扩散限制的结合动力学问题。

有机-无机杂化系统

金属/共价有机框架（MOFs/COFs）通过可调控的纳米孔道实现选择性分子富集，而卤化物钙钛矿则表现出强烈的THz光电导调制特性。这些材料与等离子体金/银纳米颗粒（AuNPs/AgNPs）协同，通过局域表面等离子体共振（LSPR）放大电磁场，提升检测特异性。

生物相容性与功能化材料

生物聚合物（如丝素蛋白）作为低损耗、可降解的基底材料，功能化后可集成生物识别元件（抗体、适体），实现对生物标志物与污染物的标记-free检测，推动可穿戴与植入式传感平台的发展。

基于新兴材料的THz传感应用

生物医学诊断

THz传感在肿瘤标志物检测、病原体识别及组织病理学分析中展现出潜力。例如，功能化石墨烯传感器可通过血浆中癌胚抗原（CEA）的THz响应变化实现早期癌症筛查；MXenes基柔性传感器贴片可实时监测皮肤组织含水量与炎症因子动态。

环境监测

超材料谐振器与MOFs结合，可选择性吸附并检测大气中挥发性有机化合物（VOCs）或水体中重金属离子。通过LSPR增强效应，THz传感器对ppm级污染物的检测限显著降低。

Agri-食品安全控制

在农产品与食品分析中，THz技术无需预处理即可穿透包装材料，直接检测农药残留、抗生素滥用或非法添加剂。碳纳米管-适体传感器可特异性识别黄曲霉毒素B₁，而相变材料集成的超材料可实现温度调控的共振迁移，适应多变检测场景。

结论与展望

新兴材料通过多机制协同——包括场增强、动态调谐与分子特异性识别——系统性解决了THz传感的固有局限。未来研究需聚焦于材料规模化制备、芯片集成工艺及人工智能（AI）辅助设计范式（如深度学习优化超材料结构）。此外，推动材料机制向实用化分析平台的转化，将加速THz技术在精准医疗、环境毒理监控及食品安全领域的产业化落地。