一种基于亚太赫兹光子晶体谐振器的无源无线传感器研究

近年来，病原体监测已成为社会和研究的一大挑战。折射率传感器引起了研究人员的极大兴趣，这种传感器主要基于分析物与电磁波之间的相互作用，能够实现无标记的快速检测。此外，电磁波还可用于无线通信。然而，目前的折射率生物传感器只能在几厘米范围内被读取。因此，通过将高灵敏度与无线可读性相结合，具有高品质因子（Q-factor）的太赫兹（THz）光子晶体（PhC）谐振器在无线生物传感器应用中显示出巨大的潜力。

据麦姆斯咨询报道，近日，德国杜伊斯堡-埃森大学（University of Duisburg-Essen）的科研团队提出了一种基于亚太赫兹光子晶体谐振器的无源无线传感器的创新概念。该传感器的读取范围可达0.9 m，仰角和方位角的接收角度约为90°。研究人员还展示了对亚微米薄膜蛋白作为测试分析物的远程检测。这种无线传感器为非电子、紧凑型和低成本的解决方案提供了新可能性，并且可以扩展到监测空气传播病原体的无线传感器网络，从而提供感染前检测，有效防止病原体传播。这项研究成果以“3D printed sub-terahertz photonic crystal for wireless passive biosensing”为主题发表在Communications Engineering期刊上，通讯作者为Yixiong Zhao和Jan C. Balzer。

用于远程检测的光子晶体

研究人员首先简要介绍了这项研究所提出的高灵敏度生物分子远程检测方法，如图1所示。为了实现远程检测功能，可将无线传感器作为监测环境的地标进行排布（如图1a）。图1b展示了这项研究所提出的无线传感器，由用于传感的光子晶体狭缝（slot）谐振器、用于能量耦合的光子晶体波导，以及用于无线通信的介质谐振器天线（DRA）构成。

图1 用于高灵敏度生物分子远程检测的无线传感器网络概念

光子晶体谐振器设计

随后，研究人员利用电磁仿真工具CST对谐振器进行了设计和优化。为了简化优化和分析工作，在模拟仿真中将谐振器与两个波导耦合，其传输功率模拟结果如图2a所示。细菌和病毒等病原体可以被特异性捕获，并在传感器表面形成薄膜。为此，传感器必须对捕获病原体的分析物层非常敏感。为了增强薄膜分析物内部的场强，在谐振器中间引入了一个狭缝（如图2a和图2b）。

图2 光子晶体谐振器的模拟结果

远程读取设计

较大的读取范围和读取角度可使病原体检测更具灵活性和可靠性。根据雷达方程，最大读取范围会随着传感器雷达截面的增大而增加。为了获得较大的读取范围，可通过增加DRA的锥体长度来增大传感器的雷达截面。如图3a所示，研究人员模拟了由光子晶体波导激发的DRA远场辐射。

图3 辐射增益的模拟结果

陶瓷3D打印制造工艺

为了实现快速原型设计并在设计中具有最大的自由度，研究人员采用3D打印工艺来制造该传感器样品。与微纳制造工艺相比，3D打印工艺成本更低、制造少量样品的时间更短。图4a展示了3D打印制造的传感器S027T7、S027T14、S027T21、S030T7、S030T14和S030T21。

图4 3D打印制造的传感器样品

无线读取能力

无线读取距离是遥感传感器的重要筛选标准之一。除了背向散射能量外，大读取角度也起着重要的作用。大读取角度确保了即使在非理想入射角下也能可靠读取传感器数据，从而提高了传感器的灵活性。图5展示了反射参数的数据处理结果，图6展示了大读取角度相关研究结果。

图5 测量反射参数的数据处理

图6 不同锥体长度的实测幅度值及其多项式拟合曲线

无线生物分子传感

最后，为了表征该传感器的无线传感能力，研究人员将传感器放置在距离喇叭天线0.5 m处，并装入不同浓度的牛血清白蛋白（BSA），BSA是一种常用于原理验证实验的模型蛋白。测量时，将1.5 µL的BSA溶液移液至传感器狭缝中；干燥后，槽壁上会残留蛋白质层，从而产生共振偏移。实验结果显示，通过引入参考谐振器、增加谐振频率等方式，可显著提升该传感器的灵敏度。而具有较高品质因子的传感器在灵敏度和可读性方面均具有显著优势。

综上所述，这项研究提出了一种基于亚太赫兹光子晶体谐振器的无源无线传感器，该传感器将对生物分子薄膜的高灵敏度与远距离无线读取相结合。这种方法简化了设计，并使无源传感器具备紧凑性。与其它的太赫兹传感器相比，该光子晶体狭缝谐振器具有较高的品质因子，因而具有较高的优值（FoM）。由于目前还没有出现实现非电子无线传感器的其他方法的报道，因此这一概念将在分布式无线传感应用中发挥关键作用。研究人员未来将致力于提高该传感器的性能，并考虑其实际适用性。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s44172-024-00213-4

审核编辑：刘清