可持續(xù)材料因其可再生、生物降解和生物相容性強等特點引起廣泛關(guān)注，可持續(xù)材料器件的使用能夠有效降低材料成本，減少環(huán)境污染。本文圍繞太赫茲功能器件，介紹了多種來源的可持續(xù)材料以及它們在太赫茲頻段獨特的電磁特性，包括可調(diào)介電常數(shù)、低損耗等；聚焦太赫茲通訊、分子信息感知和生物醫(yī)學檢測領(lǐng)域并討論了可持續(xù)材料的應(yīng)用機制與實例；最后展望了可持續(xù)材料-太赫茲功能器件的創(chuàng)新發(fā)展。

2. 介紹了可持續(xù)材料在太赫茲通訊、分子信息感知和生物醫(yī)學檢測領(lǐng)域的應(yīng)用策略與實例。

可持續(xù)材料指來源廣泛、環(huán)境影響小、可再生或可降解的材料，例如生物基高分子、蛋白類材料、纖維素，以及通過上述材料衍生得到的其他材料等。使用可持續(xù)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料，可顯著降低器件對環(huán)境的負面影響，同時節(jié)約成本。這一優(yōu)勢在太赫茲器件中尤為突出——太赫茲器件通常比可見/紅外器件尺寸更大，器件的制造成本和環(huán)境影響將成為關(guān)鍵制約因素，可持續(xù)材料的為此提供了低成本、環(huán)保的解決方案。

浙江大學智能生物產(chǎn)業(yè)裝備創(chuàng)新團隊徐文道等人系統(tǒng)介紹了可持續(xù)材料驅(qū)動太赫茲功能器件的最新進展，突出可持續(xù)材料在太赫茲功能器件構(gòu)建和應(yīng)用中的獨特優(yōu)勢。文章中介紹了多種可持續(xù)材料的來源、種類和化學特性，進一步討論可持續(xù)材料在高性能太赫茲功能器件制備方面的優(yōu)勢與應(yīng)用實例。文章圍繞應(yīng)用場景，將基于可持續(xù)材料的太赫茲功能器件分為三組，包括(a)用于電磁干擾/屏蔽(EMI)和無線近場通信(NFC)的功能器件；(b)用于濕度和小分子信息感知的傳感器件以及環(huán)境監(jiān)測器件；(c)聚焦生物和醫(yī)學領(lǐng)域的太赫茲功能器件，包括在臨床生物學、醫(yī)學檢測和監(jiān)測中使用可持續(xù)材料的太赫茲功能器件。

I 基于可持續(xù)材料的太赫茲功能器件研究概述

圖1系統(tǒng)展示了本研究工作的整體框架，概述了各種可持續(xù)材料的詳細來源和化學結(jié)構(gòu)，包括纖維素等植物基材料、絲蛋白等蛋白質(zhì)材料以及其他材料，包括這些可持續(xù)材料的基本結(jié)構(gòu)和性能，以及上述材料如何賦能太赫茲功能器件制備和新興應(yīng)用設(shè)計。

太赫茲波提供了高通信頻率和帶寬，能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)通訊。此外，太赫茲波的穿透性和方向性能夠有效保護用戶隱私。相比于傳統(tǒng)材料的太赫茲功能器件，使用可持續(xù)材料可以提升材料的降解能力，減少環(huán)境污染。例如，結(jié)合高導(dǎo)電性的可持續(xù)生物碳以及纖維素可制備厚度為3毫米的三維多孔超輕氣凝膠和厚度為0.6毫米的柔性納米紙(圖5a)。其中，生物碳結(jié)構(gòu)提供高導(dǎo)電性，纖維素賦予器件機械強度，氣凝膠和超薄納米紙器件表現(xiàn)出優(yōu)異的電磁干擾屏蔽效果。除了植物性材料外，絲蛋白也廣泛用于太赫茲通信的電磁干擾屏蔽，將二維Ni?P納米片錨定在絲蛋白上，形成電阻介電型吸收器。采用可控熱解策略和歧化反應(yīng)，達到56.9 dB的最大反射損失值。太赫茲通信設(shè)備中使用的傳統(tǒng)材料在通道轉(zhuǎn)換過程中可能會帶來環(huán)境風險，并使散熱管理復(fù)雜化，特別是對于可穿戴和醫(yī)療植入設(shè)備中的NFC模塊。可持續(xù)材料的生物相容性和安全性為太赫茲通信提供了潛在的應(yīng)用前景。如圖5e所示，研究提出了一種基于絲蛋白的分層編碼數(shù)據(jù)存儲設(shè)備(HEDSD)，通過集成太赫茲超材料捕獲光子信息。得益于其優(yōu)異的電性能和可控的傳輸能力，基于絲蛋白的HEDSD可分別與電阻開關(guān)存儲器和衍射光學元件配合，同時收集電子和光學信息。小鼠體內(nèi)降解實驗研究表明，基于絲蛋白的HEDSD可有效植入和生物降解，適用于植入式數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)構(gòu)建。

圖5. (a) 基于碳納米纖維結(jié)合可持續(xù)生物炭的超薄納米紙和氣凝膠的制備過程；(b) 石墨/淀粉復(fù)合材料的制備和電磁屏蔽機理；(c) 基于二維Ni?P納米片的氣凝膠；(d) 堆疊的三維碳/纖維素復(fù)合層作為可穿戴儲能設(shè)備中的太赫茲屏蔽材料；(e) 植入式數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用。

在環(huán)境檢測中，準確監(jiān)測有害污染物氣體對環(huán)境安全管理至關(guān)重要。基于可持續(xù)材料的高性能、低成本和多功能太赫茲功能器件在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域具有較大應(yīng)用潛力。如圖6b研究了一種基于輕質(zhì)纖維素納米纖維的層狀多孔生物聚合物氣凝膠的制備方法，將AgNWs和含有纖維素納米纖維的MXene層嵌入氣凝膠基質(zhì)中，實現(xiàn)復(fù)合氣凝膠的制備，結(jié)果表明該復(fù)合氣凝膠具有太赫茲雙折射特性，可在密度低至2.7 mg/cm3的條件下實現(xiàn)對有機氣體的檢測。

在安全檢測領(lǐng)域，太赫茲技術(shù)和可持續(xù)材料的結(jié)合為無損檢測提供了新策略。通過檢測太赫茲波在穿過可持續(xù)材料時的衰減和相位變化，可實現(xiàn)有害物質(zhì)的快速識別和定量檢測。此外，為進一步將太赫茲技術(shù)應(yīng)用于分子指紋檢測，研究人員通過引入適配體和抗體提升太赫茲感知器件對目標物的特異性。具體創(chuàng)新應(yīng)用包括：多巴胺精蛋白的精確識別，乳腺癌癥細胞的超靈敏檢測，以及感染性包膜蛋白的有效識別。

圖6. (a) 絲蛋白結(jié)構(gòu)的光子能帶結(jié)構(gòu)；(b) 基于輕質(zhì)纖維素納米纖維的層狀多孔生物聚合物氣凝膠的構(gòu)建和低密度下有機氣體的檢測；(c) 紙基超材料太赫茲傳感器實現(xiàn)對葡萄糖的檢測；(d) 基于絲蛋白超構(gòu)材料可編程編碼的太赫茲電子-光子融合器件。

盡管天然源可持續(xù)材料具備資源豐富、可生物降解及機械性能優(yōu)異等特征，但其在傳感器件制備過程中仍存在顯著局限性：需通過與導(dǎo)電材料的分子級共軛構(gòu)建功能性復(fù)合材料，以實現(xiàn)對導(dǎo)電組分的生物相容性保護；作為生物醫(yī)學器件的基底或封裝部件時，必須構(gòu)建梯度化封裝保護層，避免與生物組織直接接觸引發(fā)免疫反應(yīng)；需依據(jù)具體研究方法如紡絲、3D打印、自組裝等將材料重構(gòu)為薄膜、微球或支架等多種形態(tài)。為克服上述局限性，已有研究者報道了一種基于適配體水凝膠功能化的太赫茲超材料生物傳感器。該生物傳感器利用特定適配體在硅烷化超材料基底上原位聚合，形成具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的適配體水凝膠。該生物傳感器能夠在高吸水性介質(zhì)中痕量檢測人體內(nèi)α-凝血酶，檢出限低至0.4 pM。圖7c展示了傳感平面的設(shè)計，該傳感器通過與乳房珠蛋白B1和相應(yīng)的乳房珠蛋白A2相結(jié)合監(jiān)測太赫茲信號的振幅變化，在1 μL的樣本中，LOD檢測值低至100個癌細胞，表明該傳感器在癌細胞檢測方面具有較高靈敏度。

圖7. (a) 太赫茲生物傳感器信號傳輸、接收過程和結(jié)果；(b) 集成太赫茲超表面芯片與Aβ1-42抗體探針的檢測器件；(c) 集成乳腺球蛋白B1/A2雙標志物的傳感平面。

生物分子的檢測在太赫茲傳感領(lǐng)域占有重要地位。一方面，太赫茲光譜因其非破壞特性和分子指紋識別能力適用于生物醫(yī)學傳感。另一方面，生物材料不僅可以提高太赫茲傳感設(shè)備的靈敏度和特異性，還可以通過利用生物分子的特性提高醫(yī)學成像對比度。因此，快速靈敏地檢測各種生物分子，探索基于可持續(xù)材料的生物分子檢測應(yīng)用對于臨床試驗具有重要意義。對于生物分子應(yīng)用，材料的設(shè)計應(yīng)具有以下特征：i)保持生物活性并確保有效載荷安全；ii)在加工過程中僅產(chǎn)生無毒副產(chǎn)物；iii)易于加工，具備生物相容和可降解性，可定制。

基于可持續(xù)材料的太赫茲生物傳感器在醫(yī)學和臨床應(yīng)用中具有巨大潛力。通過設(shè)計一種基于分裂環(huán)諧振器的太赫茲超材料，并摻雜絲蛋白形成薄膜傳感器件，可實時監(jiān)測太赫茲時域光譜傳輸?shù)淖兓Ｔ谂R床醫(yī)學應(yīng)用方面，如圖8a展示了一種基于絲蛋白的超材料器件，該器件能夠?qū)⒖股刈鳛榭山到獾目咕つw貼片進行裝載。其可控的水溶性和可調(diào)節(jié)的降解速率使藥物釋放的實時監(jiān)測成為可能。絲蛋白材料的特性使太赫茲超材料貼片能夠有效地粘附在受感染的小鼠傷口表面。這些可植入和可吸收的治療性太赫茲器件在植入后無需取出，能夠有效促進小鼠體內(nèi)傳感和原位治療過程。此外，太赫茲技術(shù)具有快速響應(yīng)能力，可以進行實時動態(tài)檢測，用于食品安全和藥品質(zhì)量控制。

圖8. (a) 可植入和可吸收的治療性太赫茲超材料貼片；(b) 基于絲蛋白和少量貴金屬的可植入探測器件研制；(c) 絲蛋白雙密度泡沫纖維素構(gòu)建及其多模態(tài)采集機制研究。

可持續(xù)材料具有諸多優(yōu)勢，包括來源廣泛、生物相容性優(yōu)異以及生物降解性可調(diào)控等。本文章重點介紹了植物基以及蛋白質(zhì)基可持續(xù)材料的結(jié)構(gòu)和性能，并聚焦基于此類材料的太赫茲功能器件，解析作用機理，挖掘性能特征及實際應(yīng)用場景。盡管基于可持續(xù)材料的太赫茲功能器件取得了重要進展(包括低損耗太赫茲傳輸器件、高性能太赫茲調(diào)制器、高靈敏度傳感器等)，但仍存在一些需要解決的挑戰(zhàn)：(1)太赫茲波段可持續(xù)材料的可調(diào)性有限，需要進一步設(shè)計具有可調(diào)電導(dǎo)率和非線性光學響應(yīng)的復(fù)合材料。為了提升器件的可調(diào)性，可以嘗試在纖維素或殼聚糖中摻雜半導(dǎo)體或?qū)щ姴牧希?2)可持續(xù)材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和微納加工技術(shù)也是關(guān)鍵的研究方向之一。得益于人工智能技術(shù)在太赫茲器件設(shè)計方面的研究進展，未來該技術(shù)有望應(yīng)用在基于可持續(xù)材料的太赫茲功能器件快速精確設(shè)計中。本文章為太赫茲功能器件的開發(fā)提供了一條可選的新途徑，利用可持續(xù)材料的獨特優(yōu)勢并挖掘太赫茲功能器件在各個領(lǐng)域的巨大潛力，為醫(yī)學診斷、生物傳感以及通信技術(shù)提供了新的選擇。

徐文道

本文通訊作者

浙江大學 特聘副研究員

▍主要研究領(lǐng)域

太赫茲生物傳感器，微納感知器件，農(nóng)業(yè)信息感知

▍主要研究成果

浙江大學智能生物產(chǎn)業(yè)裝備創(chuàng)新團隊(IBE)核心成員，浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院特聘副研究員，博士生導(dǎo)師，獲得2024達摩院青橙獎“最具潛力獎”。專注于太赫茲波譜技術(shù)用于農(nóng)業(yè)信息感知的研究，包括太赫茲微納感知器件制備、基于納米材料的太赫茲感知器件檢測性能提升、農(nóng)產(chǎn)品表面信息共形感知等領(lǐng)域研究。迄今以第一/通訊作者發(fā)表SCI論文10余篇，包括《TrAC Trends in Analytical Chemistry》、《Biosensors & Bioelectronics》、《Carbon》、《ACS Photonics》、《Food Chemistry》等，單篇最高引用400余次，授權(quán)2項國際專利，并有一項中國發(fā)明專利實現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)移。目前已發(fā)表文章總引用量為1791。

▍Email：xuwd@zju.edu.cn

撰稿：原文作者

編輯：《納微快報(英文)》編輯部

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