西安理工大学王玥课题组：碳纳米管超表面等离子共振激发与传感

导读

近日，陕西省超快光电技术与太赫兹科学重点实验室、西安理工大学理学院王玥教授领衔的太赫兹微纳材料、器件物理与应用创新团队在太赫兹痕量农药残留检测研究方面取得重要研究进展。研究成果“Excitation of Surface Plasmon Resonance on Multi-Walled Carbon Nanotube metasurfaces for Pesticide Sensors”发表在美国ACS数据库国际著名学术期刊《ACS Applied Materials & Interface》（Top期刊， 2019 IF= 8.758）。王玥教授为本文的第一作者、通讯作者。

研究背景

全球农药使用量大约每年以10 %左右的速度递增，农药的过度使用对人类健康和生物多样性构成了严重危险。目前对农药残留的检测方法主要有荧光检测法、液相色谱/质谱联合检测法以及荧光免疫检测等方法，但是上诉几种方法存在引入额外物质、检测前处理复杂而且耗时等问题。该课题组设计了一种基于碳纳米管的太赫兹等离子体超表面传感器，利用表面等离子体激元增强共振透射峰对介电环境变化极度敏感这一特性，实现了对微量农药浓度的有效检测。

创新研究

碳纳米管具有表面积大、体积小、电子转移速度快、生物相容性好、可功能化等独特的物理、化学特性，可以提高生物传感器、环境监测、化学传感器以及粮食和农业应用所需的传感器的灵敏度和响应速度。基于碳纳米管独特的优势，课题组利用碳纳米管薄膜通过微加工实现超表面结构，如图1所示，获得THz波段表面等离子透射共振特性，并将设计的器件创新地应用于痕量农药的检测，实现了灵敏度分别为1.38×10-2/ppm和2.0×10-2/ppm、最低检测质量为10 ng的 2,4-D和毒死蜱农药溶液灵敏检测，具有高效、快速、便捷等优势。

图1 碳纳米管薄膜超表面器件及纳米管薄膜SEM图

图2为该课题组设计的碳纳米管超表面痕量农药检测示意图及检测结果。从图2（b）和2（c）中可以看出，在不同农药浓度下，碳纳米管超表面与农药的共同等效作用导致器件透射谱线表现出明显的差异。

图2 碳纳米管超表面器件农药检测示意图及检测结果

总 结

该论文的研究工作是超材料生物检测领域研究的重要进展，不仅提出了一种新型、高效的太赫兹等离子体超表面传感器，也为太赫兹光谱检测痕量农药残留这一重要研究方向提供了一条可行的研究思路与实验依据。

该工作得到国家自然科学基金（61975163 和 11704310）、陕西省自然科学重点基金（2020JZ-48）、工程电介质及其应用教育部重点实验室开放课题（KEY1805）以及陕西省高校青年创新团队计划的资助。作者感谢浙江大学聂鹏程、蔺磊以及瞿芳芳等老师与学生给与的支持。

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文章链接 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c10943