浙大徐文道等综述：可持续材料驱动的太赫兹功能器件

可持续材料因其可再生、生物降解和生物相容性强等特点引起广泛关注，可持续材料器件的使用能够有效降低材料成本，减少环境污染。本文围绕太赫兹功能器件，介绍了多种来源的可持续材料以及它们在太赫兹频段独特的电磁特性，包括可调介电常数、低损耗等；聚焦太赫兹通讯、分子信息感知和生物医学检测领域并讨论了可持续材料的应用机制与实例；最后展望了可持续材料-太赫兹功能器件的创新发展。

2. 介绍了可持续材料在太赫兹通讯、分子信息感知和生物医学检测领域的应用策略与实例。

可持续材料指来源广泛、环境影响小、可再生或可降解的材料，例如生物基高分子、蛋白类材料、纤维素，以及通过上述材料衍生得到的其他材料等。使用可持续材料代替传统材料，可显著降低器件对环境的负面影响，同时节约成本。这一优势在太赫兹器件中尤为突出——太赫兹器件通常比可见/红外器件尺寸更大，器件的制造成本和环境影响将成为关键制约因素，可持续材料的为此提供了低成本、环保的解决方案。

浙江大学智能生物产业装备创新团队徐文道等人系统介绍了可持续材料驱动太赫兹功能器件的最新进展，突出可持续材料在太赫兹功能器件构建和应用中的独特优势。文章中介绍了多种可持续材料的来源、种类和化学特性，进一步讨论可持续材料在高性能太赫兹功能器件制备方面的优势与应用实例。文章围绕应用场景，将基于可持续材料的太赫兹功能器件分为三组，包括(a)用于电磁干扰/屏蔽(EMI)和无线近场通信(NFC)的功能器件；(b)用于湿度和小分子信息感知的传感器件以及环境监测器件；(c)聚焦生物和医学领域的太赫兹功能器件，包括在临床生物学、医学检测和监测中使用可持续材料的太赫兹功能器件。

I 基于可持续材料的太赫兹功能器件研究概述

图1系统展示了本研究工作的整体框架，概述了各种可持续材料的详细来源和化学结构，包括纤维素等植物基材料、丝蛋白等蛋白质材料以及其他材料，包括这些可持续材料的基本结构和性能，以及上述材料如何赋能太赫兹功能器件制备和新兴应用设计。

太赫兹波提供了高通信频率和带宽，能够实现高速数据通讯。此外，太赫兹波的穿透性和方向性能够有效保护用户隐私。相比于传统材料的太赫兹功能器件，使用可持续材料可以提升材料的降解能力，减少环境污染。例如，结合高导电性的可持续生物碳以及纤维素可制备厚度为3毫米的三维多孔超轻气凝胶和厚度为0.6毫米的柔性纳米纸(图5a)。其中，生物碳结构提供高导电性，纤维素赋予器件机械强度，气凝胶和超薄纳米纸器件表现出优异的电磁干扰屏蔽效果。除了植物性材料外，丝蛋白也广泛用于太赫兹通信的电磁干扰屏蔽，将二维Ni?P纳米片锚定在丝蛋白上，形成电阻介电型吸收器。采用可控热解策略和歧化反应，达到56.9 dB的最大反射损失值。太赫兹通信设备中使用的传统材料在通道转换过程中可能会带来环境风险，并使散热管理复杂化，特别是对于可穿戴和医疗植入设备中的NFC模块。可持续材料的生物相容性和安全性为太赫兹通信提供了潜在的应用前景。如图5e所示，研究提出了一种基于丝蛋白的分层编码数据存储设备(HEDSD)，通过集成太赫兹超材料捕获光子信息。得益于其优异的电性能和可控的传输能力，基于丝蛋白的HEDSD可分别与电阻开关存储器和衍射光学元件配合，同时收集电子和光学信息。小鼠体内降解实验研究表明，基于丝蛋白的HEDSD可有效植入和生物降解，适用于植入式数据存储系统构建。

图5. (a) 基于碳纳米纤维结合可持续生物炭的超薄纳米纸和气凝胶的制备过程；(b) 石墨/淀粉复合材料的制备和电磁屏蔽机理；(c) 基于二维Ni?P纳米片的气凝胶；(d) 堆叠的三维碳/纤维素复合层作为可穿戴储能设备中的太赫兹屏蔽材料；(e) 植入式数据存储系统的设计和应用。

在环境检测中，准确监测有害污染物气体对环境安全管理至关重要。基于可持续材料的高性能、低成本和多功能太赫兹功能器件在环境监测领域具有较大应用潜力。如图6b研究了一种基于轻质纤维素纳米纤维的层状多孔生物聚合物气凝胶的制备方法，将AgNWs和含有纤维素纳米纤维的MXene层嵌入气凝胶基质中，实现复合气凝胶的制备，结果表明该复合气凝胶具有太赫兹双折射特性，可在密度低至2.7 mg/cm3的条件下实现对有机气体的检测。

在安全检测领域，太赫兹技术和可持续材料的结合为无损检测提供了新策略。通过检测太赫兹波在穿过可持续材料时的衰减和相位变化，可实现有害物质的快速识别和定量检测。此外，为进一步将太赫兹技术应用于分子指纹检测，研究人员通过引入适配体和抗体提升太赫兹感知器件对目标物的特异性。具体创新应用包括：多巴胺精蛋白的精确识别，乳腺癌症细胞的超灵敏检测，以及感染性包膜蛋白的有效识别。

图6. (a) 丝蛋白结构的光子能带结构；(b) 基于轻质纤维素纳米纤维的层状多孔生物聚合物气凝胶的构建和低密度下有机气体的检测；(c) 纸基超材料太赫兹传感器实现对葡萄糖的检测；(d) 基于丝蛋白超构材料可编程编码的太赫兹电子-光子融合器件。

尽管天然源可持续材料具备资源丰富、可生物降解及机械性能优异等特征，但其在传感器件制备过程中仍存在显著局限性：需通过与导电材料的分子级共轭构建功能性复合材料，以实现对导电组分的生物相容性保护；作为生物医学器件的基底或封装部件时，必须构建梯度化封装保护层，避免与生物组织直接接触引发免疫反应；需依据具体研究方法如纺丝、3D打印、自组装等将材料重构为薄膜、微球或支架等多种形态。为克服上述局限性，已有研究者报道了一种基于适配体水凝胶功能化的太赫兹超材料生物传感器。该生物传感器利用特定适配体在硅烷化超材料基底上原位聚合，形成具有多孔网络结构的适配体水凝胶。该生物传感器能够在高吸水性介质中痕量检测人体内α-凝血酶，检出限低至0.4 pM。图7c展示了传感平面的设计，该传感器通过与乳房珠蛋白B1和相应的乳房珠蛋白A2相结合监测太赫兹信号的振幅变化，在1 μL的样本中，LOD检测值低至100个癌细胞，表明该传感器在癌细胞检测方面具有较高灵敏度。

图7. (a) 太赫兹生物传感器信号传输、接收过程和结果；(b) 集成太赫兹超表面芯片与Aβ1-42抗体探针的检测器件；(c) 集成乳腺球蛋白B1/A2双标志物的传感平面。

生物分子的检测在太赫兹传感领域占有重要地位。一方面，太赫兹光谱因其非破坏特性和分子指纹识别能力适用于生物医学传感。另一方面，生物材料不仅可以提高太赫兹传感设备的灵敏度和特异性，还可以通过利用生物分子的特性提高医学成像对比度。因此，快速灵敏地检测各种生物分子，探索基于可持续材料的生物分子检测应用对于临床试验具有重要意义。对于生物分子应用，材料的设计应具有以下特征：i)保持生物活性并确保有效载荷安全；ii)在加工过程中仅产生无毒副产物；iii)易于加工，具备生物相容和可降解性，可定制。

基于可持续材料的太赫兹生物传感器在医学和临床应用中具有巨大潜力。通过设计一种基于分裂环谐振器的太赫兹超材料，并掺杂丝蛋白形成薄膜传感器件，可实时监测太赫兹时域光谱传输的变化。在临床医学应用方面，如图8a展示了一种基于丝蛋白的超材料器件，该器件能够将抗生素作为可降解的抗菌皮肤贴片进行装载。其可控的水溶性和可调节的降解速率使药物释放的实时监测成为可能。丝蛋白材料的特性使太赫兹超材料贴片能够有效地粘附在受感染的小鼠伤口表面。这些可植入和可吸收的治疗性太赫兹器件在植入后无需取出，能够有效促进小鼠体内传感和原位治疗过程。此外，太赫兹技术具有快速响应能力，可以进行实时动态检测，用于食品安全和药品质量控制。

图8. (a) 可植入和可吸收的治疗性太赫兹超材料贴片；(b) 基于丝蛋白和少量贵金属的可植入探测器件研制；(c) 丝蛋白双密度泡沫纤维素构建及其多模态采集机制研究。

可持续材料具有诸多优势，包括来源广泛、生物相容性优异以及生物降解性可调控等。本文章重点介绍了植物基以及蛋白质基可持续材料的结构和性能，并聚焦基于此类材料的太赫兹功能器件，解析作用机理，挖掘性能特征及实际应用场景。尽管基于可持续材料的太赫兹功能器件取得了重要进展(包括低损耗太赫兹传输器件、高性能太赫兹调制器、高灵敏度传感器等)，但仍存在一些需要解决的挑战：(1)太赫兹波段可持续材料的可调性有限，需要进一步设计具有可调电导率和非线性光学响应的复合材料。为了提升器件的可调性，可以尝试在纤维素或壳聚糖中掺杂半导体或导电材料；(2)可持续材料的结构设计和微纳加工技术也是关键的研究方向之一。得益于人工智能技术在太赫兹器件设计方面的研究进展，未来该技术有望应用在基于可持续材料的太赫兹功能器件快速精确设计中。本文章为太赫兹功能器件的开发提供了一条可选的新途径，利用可持续材料的独特优势并挖掘太赫兹功能器件在各个领域的巨大潜力，为医学诊断、生物传感以及通信技术提供了新的选择。

徐文道

本文通讯作者

浙江大学 特聘副研究员

▍主要研究领域

太赫兹生物传感器，微纳感知器件，农业信息感知

▍主要研究成果

浙江大学智能生物产业装备创新团队(IBE)核心成员，浙江大学生物系统工程与食品科学学院特聘副研究员，博士生导师，获得2024达摩院青橙奖“最具潜力奖”。专注于太赫兹波谱技术用于农业信息感知的研究，包括太赫兹微纳感知器件制备、基于纳米材料的太赫兹感知器件检测性能提升、农产品表面信息共形感知等领域研究。迄今以第一/通讯作者发表SCI论文10余篇，包括《TrAC Trends in Analytical Chemistry》、《Biosensors & Bioelectronics》、《Carbon》、《ACS Photonics》、《Food Chemistry》等，单篇最高引用400余次，授权2项国际专利，并有一项中国发明专利实现技术转移。目前已发表文章总引用量为1791。

▍Email：xuwd@zju.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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