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超强激光科学卓越创新简报

(第六百四十四期)

2025年5月20日

上海光机所在基于太赫兹超表面的无标记病原菌检测技术研究方面取得新进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室研究团队与海军军医大学高瑞教授团队合作，在病原菌快速检测技术领域取得了新进展。团队提出了一种基于太赫兹超表面的无标记传感技术，成功实现了对金黄色葡萄球菌（SAU）和表皮葡萄球菌（SE）的高灵敏度检测与区分。相关成果以“Label-free sensing technology of two Staphylococcus species based on terahertz metasurface”为题发表于Biomedical Optics Express。

葡萄球菌是多种人类感染的致病菌，可引发皮肤及软组织感染、血液系统感染、呼吸系统感染、骨骼系统感染等。准确监测葡萄球菌对于预防葡萄球菌污染、早期诊断和治疗相关疾病至关重要。传统检测方法依赖培养、生化标记或分子扩增技术，存在耗时长、操作复杂、成本高等问题。近年来，太赫兹技术凭借其非电离性、高穿透性和指纹谱特性成为生物传感领域的研究热点，但现有方法普遍面临超表面制备复杂、依赖标记物或灵敏度不足等挑战。

针对上述问题，研究团队采用如图1所示的太赫兹超表面增强电磁波与细菌间的相互作用，结合集成化太赫兹频谱仪，成功实现了形态相似的金黄色葡萄球菌（SAU）与表皮葡萄球菌（SE）的“检测-鉴别”双功能一体化。研究通过建立太赫兹超表面共振频移量与菌液量的标准校准曲线，发现两种菌株呈现差异显著的特征斜率（SAU：105.90 GHz/μL；SE：45.14 GHz/μL），检测灵敏度达到556 GHz/cell·μm²（SAU）和237 GHz/cell·μm²（SE）。如图2 (a)和(b)所示，为不同菌液剂量下实测太赫兹超表面透射谱（散点）及对应拟合曲线（实线），图2 (c)为共振频移量随菌液剂量的变化关系。与现有技术相比，该技术无需抗体标记和复杂的表面功能化，检测时间从数天缩短至分钟级别，兼具操作简便、检测快速、成本低廉等优势，同时保持了高灵敏度与高特异性。该技术的应用可进一步拓展至其他病原体检测领域，为临床诊断和食品安全监测提供了一种新的方法。

相关研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

原文链接

图1. (a)太赫兹超表面检测两种葡萄球菌示意图。太赫兹超表面单元结构示意图：(b)俯视图；(c)侧视图。(d)太赫兹超表面显微图。

图2. 不同(a) SAU和(b) SE菌液剂量下的实测太赫兹超表面透射谱（散点）及对应拟合曲线（实线）。(c)共振频移量随菌液剂量的变化关系（含误差棒）。

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