光學(xué)傳感器在各種應(yīng)用中扮演著的角色，涵蓋了從檢測納米薄膜、納米粒子到識別生物分子、病毒和細(xì)胞等多個領(lǐng)域。通過提升傳感器的性能，尤其是加強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用和增強(qiáng)靈敏度，有望實(shí)現(xiàn)一系列具有突破性的應(yīng)用。

超構(gòu)材料（metamaterial）作為一種人造周期結(jié)構(gòu)，具有亞波長尺寸，其對電磁波的響應(yīng)可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料參數(shù)來控制。金屬超構(gòu)材料能夠?qū)?qiáng)電場能量集中在極小的空間范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)與分析物的強(qiáng)作用。盡管基于金屬超構(gòu)材料的太赫茲（THz）傳感器在無接觸和無標(biāo)記檢測方面表現(xiàn)出優(yōu)勢，但與現(xiàn)有的成熟的生化診斷方法（如酶免疫測定法）相比，它們在靈敏度和檢測極限上仍存在兩個數(shù)量級以上的差距。已有的研究結(jié)果表明，優(yōu)化的超構(gòu)材料傳感器應(yīng)該在分析物位置具有高局部電場增強(qiáng)因子、高品質(zhì)因數(shù)（Q值）的諧振模式，以及較小的模式體積。然而，到目前為止，仍缺乏一個系統(tǒng)且實(shí)用的優(yōu)化策略，能夠統(tǒng)一考慮超構(gòu)材料傳感器的所有性能參數(shù)，以便進(jìn)行理性設(shè)計（與試錯法相比）。

該類型傳感器研究的另一個不足之處與其通常采用的性能評價參數(shù)有關(guān)。個是折射率靈敏度（S），表示由分析物的單位折射率變化引起的超構(gòu)材料結(jié)構(gòu)諧振頻率偏移（單位為GHz/RIU，RIU代表折射率單位）。第二個是傳感靈敏值（FOM），表示功率譜的半高全寬（FWHM）與S的比值（單位為1/RIU）。這些參數(shù)的問題在于，它們只適用于分析物的種類、位置和數(shù)量相同的情況，即當(dāng)分析物為全覆蓋介質(zhì)薄膜時且厚度相同時，才能通過S和FOM兩個參數(shù)準(zhǔn)確評估傳感器的性能。

為解決上述問題，華中科技大學(xué)曹磊副教授聯(lián)合德國法蘭克福大學(xué)Hartmut G. Roskos教授團(tuán)隊(duì)、德國錫根大學(xué)Peter Haring Bolívar教授團(tuán)隊(duì)以及荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)Shihab Al-Daffaie教授團(tuán)隊(duì)基于介質(zhì)微擾理論設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種具有交叉指形結(jié)構(gòu)的太赫茲超構(gòu)材料傳感器（Interdigitated electric split ring resonator, ID-eSRR），可實(shí)現(xiàn)對納米級厚度分析物的高靈敏、高品質(zhì)傳感。相關(guān)研究成果以“Interdigitated terahertz metamaterial sensors: design with the dielectric perturbation theory"為題發(fā)表于Photonics Research 期刊。

研究團(tuán)隊(duì)利用簡化后的諧振器介質(zhì)微擾理論定量指導(dǎo)超構(gòu)材料傳感器的理性設(shè)計。通過將交叉指形結(jié)構(gòu)與電開口環(huán)超構(gòu)材料諧振器（eSRR）結(jié)合，形成新型ID-eSRR超構(gòu)材料傳感器，有效提升傳感靈敏度。與傳統(tǒng)eSRR結(jié)構(gòu)相比，ID-eSRR結(jié)構(gòu)的基模諧振具有高Q值。此外，僅僅基于兩個傳統(tǒng)性能參數(shù)（S和FOM）對不同傳感器的性能進(jìn)行比較顯然是不夠合理的。應(yīng)針對不同類型的分析物設(shè)計不同的傳感器，并采用不同的性能參數(shù)。對于以均勻薄膜形式放置在傳感器上的介質(zhì)分析物，研究團(tuán)隊(duì)建議將傳統(tǒng)FOM對薄膜厚度進(jìn)行歸一化從而得到第三個性能指標(biāo)，即厚度歸一化FOM（TN-FOM）。

來源：傳感器專家網(wǎng)