电子科技大学物理学院——基于MXene的太赫兹超材料生物传感器：从实验室模拟到临床应用

电子科技大学物理学院——基于MXene的太赫兹超材料生物传感器：从实验室模拟到临床应用 | MDPI Condensed Matter

论文标题：MXene-Based Terahertz Metamaterial Biosensors: From Laboratory Simulation to Clinical Application

论文链接： https://doi.org/10.3390/condmat11020021

期刊名： Condensed Matter

期刊主页： https://www.mdpi.com/journal/condensedmatter

太赫兹（THz）波（0.1-10 THz）因其低光子能量的非电离安全优势、匹配生物大分子能级的“指纹光谱”特性以及对水分子的强敏感性，成为精准医学、便携式即时检测（POCT）和可穿戴监护领域极具前景的生物光子学探针。然而，传统远场太赫兹光谱技术受限于极短的光-物质相互作用长度，固有灵敏度严重不足，往往无法满足临床痕量标志物检测的要求。利用人工亚波长超材料的局域电磁场增强效应虽能攻克这一瓶颈，但目前主流的金基（Au）超材料由于表面化学惰性且易发生严重的非特异性蛋白吸附，极大阻碍了其实际临床转化 。新型二维材料 MXene（如 Ti 3 C 2 T x ）凭借高电导率、丰富的表面亲水官能团、出色的生物相容性及机械柔韧性，成为替代传统贵金属的完美功能平台。2026年5月28日，电子科技大学物理学院的肖旭团队在 Condensed Matter 期刊发表了高水平综述文章，系统梳理了MXene基太赫兹超材料传感器打破行业壁垒、从“实验室模拟”走向“临床转化”的全链条路线图 。

图1 基于MXene的THz超材料生物传感器

研究过程与结果

文章首先系统梳理了MXene基太赫兹超材料传感器的核心设计逻辑。当入射太赫兹波匹配超材料的固有谐振频率时会产生强烈共振，将目标标志物结合于表面电磁场局域增强区所导致的折射率微弱变化，直接映射为光谱中谐振峰的红移或透射幅度的突变。针对MXene材料，近年来研究者们开发出了四种主流的拓扑构造策略：环形与圆盘谐振器、多模复合、多层堆叠与异质集成、编码与可调谐设计。面对极其繁杂的结构参数空间，传统的“试错型”仿真设计效率低下。机器学习（ML）工具（包括回归算法WKNN、自动提取局部特征的1D-CNN以及随机森林、XGBoost、Stacking集成学习模型等）作为强大的数据驱动手段，在预测传感器灵敏度及检测限方面表现出卓越能力，其模型预测准确率（ R 2 得分）普遍超过0.92，在理想仿真数据中甚至可达1.00。

图2 超材料探测原理 https://doi.org/10.1002/admt.202401358

图3 机器学习流程 https://doi.org/10.3390/s21041186

尽管在理想电磁模型中取得了惊艳的表现，但团队一针见血地指出，目前全行业仍面临严重的“关联断裂”瓶颈，主要表现在以下三大维度：定量对应缺失、完全忽略生理变量、全链条破碎。为了打破这一僵局，综述重点突出了由Yang等人近期发表在材料学顶刊 Advanced Materials 上的首个活体临床前全链条突破性工作。该研究将基于 Ti 3 C 2 T x MXene 的太赫兹超材料传感器成功集成到了兔子体外膜肺氧合（ECMO）动态回路中，首次在活体动物体内实现了对全血血栓形成全过程的实时、连续且无损的信号监护。

图4 MXene基THz超材料实时监测平台 https://doi.org/10.1002/adma.202507063

研究总结与未来展望

本篇高水平综述全面梳理了MXene独特的类金属电磁响应与表面化学特性，针对如何跨越“从模拟到临床”的最后公里，绘制了四大全链条优先突破方向：构建医学临床需求导向的仿真体系、研发具临床适应性的多功能 MXene 复合界面、推行“全链条联合研发”的标准科研范式、加速推进微型化太赫兹硬件与MXene元芯片的一体化集成。MXene基太赫兹超材料生物传感技术当前正处于由“仿真驱动”向“预临床验证”过渡的战略分水岭。通过物理、材料、微电子与临床医学的多学科跨界协同创新，柔性太赫兹超材料传感芯片必将在未来十年内真正走出实验室，跨入各级医院及千家万户的日常健康管理中，交出一份精准医学时代的完美答卷。

研究团队介绍

电子科技大学肖旭教授，谢文科副教授为共同通讯作者，本科生姜晨旭和博士生李丝桐为共同第一作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、四川省自然科学基金等多项国家级及省部级项目的资助。

Jiang, C.; Li, S.; Chen, J.; Liu, H.; Jia, C.; Yang, C.; Zhang, J.; Huang, J.; Xiao, X.; Xie, W. MXene-Based Terahertz Metamaterial Biosensors: From Laboratory Simulation to Clinical Application. Condensed Matter 2026 , 11 , 21.

期刊介绍

主编：Antonio Bianconi, Rome Inter national Center for Materials Science Superstripes (RICMASS), Italy

Condensed Matter创刊于2016年，期刊主题涵盖固体物理学、磁学、物质结构与相变、复合材料和合金的性质、材料的电子性质、超导性、自旋电子学、复杂凝聚态中的量子现象、软凝聚态和活性物质、应用于凝聚态的计算方法、量子时代的能源和电子材料等。目前期刊已被Scopus、ESCI (Web of Science)、Inspec、CAPlus/SciFinder等多个学术数据库收录。

2025 Impact Factor：1.5

2025 CiteScore：3.4

Time to First Decision：22 Days

Acceptance to Publication：4.4 Days

主题：太赫兹|&ldquo|//doi|电子科技大学物理学院