可持续材料因其可再生、生物降解和生物相容性强等特点惹起普遍关心，可持续材料器件的利用可以或许无效降低材料成本，削减污染。本文环绕太赫兹功能器件，引见了多种来历的可持续材料以及它们正在太赫兹频段奇特的电磁特征，包罗可调介电、低损耗等；聚焦太赫兹通信、消息和生物医学检测范畴并会商了可持续材料的使用机制取实例；最初瞻望了可持续材料-太赫兹功能器件的立异成长。
可持续材料指来历普遍、影响小、可再生或可降解的材料，例如生物基高、卵白类材料、纤维素，以及通过上述材料衍生获得的其他材料等。利用可持续材料取代保守材料，可显著降低器件对的负面影响，同时节约成本。这一劣势正在太赫兹器件中尤为凸起——太赫兹器件凡是比可见/红外器件尺寸更大，器件的制形成本和影响将成为环节限制要素，可持续材料的为此供给了低成本、环保的处理方案。浙江大学智能生物财产配备立异团队徐文道等人系统引见了可持续材料驱动太赫兹功能器件的最新进展，凸起可持续材料正在太赫兹功能器件建立和使用中的奇特劣势。文章中引见了多种可持续材料的来历、品种和化学特征，进一步会商可持续材料正在高机能太赫兹功能器件制备方面的劣势取使用实例。文章环绕使用场景，将基于可持续材料的太赫兹功能器件分为三组，包罗(a)用于电磁干扰/屏障(EMI)和无线近场通信(NFC)的功能器件；(b)用于湿度和小消息的传感器件以及监测器件；(c)聚焦生物和医学范畴的太赫兹功能器件，包罗正在临床生物学、医学检测和监测中利用可持续材料的太赫兹功能器件。图1系统展现了本研究工做的全体框架，概述了各类可持续材料的细致来历和化学布局，包罗纤维素等动物基材料、丝卵白等卵白质材料以及其他材料，包罗这些可持续材料的根基布局和机能，以及上述材料若何赋能太赫兹功能器件制备和新兴使用设想。
图1。本工做的示企图：核心圆形代表可持续材料和太赫兹手艺，外环暗示可持续材料的来历、品种及其正在太赫兹功能器件方面的使用。以纤维素、淀粉、壳聚糖等为代表的动物基可持续材料正在布局和特征方面已获得普遍的研究。如图2a所示，纤维素是由β-D-葡萄糖吡喃糖单位通过β-1，4-糖苷键毗连而成的聚合物，木材、棉花等生物质的细胞壁中。此外，实菌和细菌还可以或许合成可再生、低成本、可生物降解的细菌纤维素。图2b展现的淀粉是一种天然的动物性材料，来历于玉米、马铃薯、木薯等做物。海藻酸盐是来历于海洋褐藻的可持续材料，具有无毒、高粘性和柔性的特征，是形成其细胞质和细胞间基质的次要成分。海藻酸盐通过交联反映取某些阳离子构成蛋盒布局。钙离子等阳离子被正在凝胶收集的空腔中，构成螺旋构象，通过调整比例改变凝胶的硬度和弹性，可按照设想要求使用于器件和医疗使用。
图2。(a) 纤维素的代表性来历及其由具有β-1，4-糖苷键的反复单位以及结晶和无序区域；(b) 淀粉的代表性来历；(c) 曲链淀粉和支链淀粉的化学布局；(d) 海藻酸盐的代表性来历；(e) 海藻酸盐凝胶化蛋盒模子。基于卵白质的可持续材料因其超卓的生物降解性、可再素性和广漠的使用前景遭到了普遍的关心。卵白质基可持续材料包罗丝卵白、抗体和胶原卵白等。丝卵白具有超卓的机械机能和生物降解性，次要包罗两种分歧的布局，即丝I(β折叠布局)和丝II(非β折叠布局)。两者次要由沉链(H，390 kDa)和轻链(L，26 kDa)构成，通过二硫键毗连(图3b)。丝I布局中富含酪氨酸和丝氨酸的序列，加强了交联能力，丝II布局加强了丝卵白的柔嫩性和透气性，较多用于生物医学和传感器范畴。此外，抗体(图3c)做为生物识别元件，表示出对靶极高的性和亲和力，可以或许实现切确的识别取连系，对于开辟诊断东西和医治剂至关主要。图3d展现了胶原卵白的布局，其三维螺旋布局由通过氢键和共价键彼此感化的α多肽链形成。三维螺旋布局的胶原自拆卸成原纤维，随后堆积构成胶原纤维。胶原卵白具有优异的生物相容性和可降解性，能够通过化学或物理方式为所需目标进行定制，以满脚分歧需求。其三维螺旋布局和自拆卸纤维使其成为临床使用的抱负材料之一，出格是正在软骨修复和骨移植范畴。
图3。(a) 家蚕、蚕茧；(b) 多功能丝卵白和交联反映；(c) 抗体的Y形布局和高度性的Fc片段；(d) 胶原卵白的三维螺旋布局；(e) 胶原纤维的三种根基氨基酸：脯氨酸、甘氨酸和羟脯氨酸；(f) 胶原卵白和明胶的布局。甲壳素是地球上普遍存正在的天然多糖，已成为建立太赫兹功能器件的优秀生物质可持续材料之一。因为其奇特的生化特征，甲壳素可设想成为用于的薄膜，连系具有优异导电特征的水凝胶，无望用于生物医学和机械使用范畴。采用壳聚糖脱乙酰酶对甲壳素进行酶促脱乙酰改性，可进一步扩大其使用范畴。如图4b所示，该过程通过氨基代替乙酰基加强材料的亲水性。此外，胺化壳聚糖更容易取功能化材料连系，出格是正在生物医学范畴。最终获得的壳聚糖聚合物不只具有抗菌和抗氧化机能，还具备较强的自拆卸能力，正在传感器手艺和临床医治使用中展示出庞大潜力。
图4。(a) 壳聚糖代表性来历； (b) 壳聚糖的乙酰化过程； (c) 木质素的来历和布局； (d) 具有复杂三维收集布局的芳喷鼻单体布局； (e) 木质素的多种官能团和各类衍生功能材料。太赫兹波供给了高通信频次和带宽，可以或许实现高速数据通信。此外，太赫兹波的穿透性和标的目的机能够无效用户现私。比拟于保守材料的太赫兹功能器件，利用可持续材料能够提拔材料的降解能力，削减污染。例如，连系高导电性的可持续生物碳以及纤维素可制备厚度为3毫米的三维多孔超轻气凝胶和厚度为0。6毫米的柔性纳米纸(图5a)。此中，生物碳布局供给高导电性，纤维素付与器件机械强度，气凝胶和超薄纳米纸器件表示出优异的电磁干扰屏障结果。除了动物性材料外，丝卵白也普遍用于太赫兹通信的电磁干扰屏障，将二维NiP纳米片锚定正在丝卵白上，构成电阻介电型接收器。采用可控热解策略和歧化反映，达到56。9 dB的最大反射丧失值。太赫兹通信设备中利用的保守材料正在通道转换过程中可能会带来风险，并使散热办理复杂化，出格是对于可穿戴和医疗植入设备中的NFC模块。可持续材料的生物相容性和平安性为太赫兹通信供给了潜正在的使用前景。如图5e所示，研究提出了一种基于丝卵白的分层编码数据存储设备(HEDSD)，通过集成太赫兹超材料捕捉光子消息。得益于其优异的电机能和可控的传输能力，基于丝卵白的HEDSD可别离取电阻开关存储器和衍射光学元件共同，同时收集电子和光学消息。小鼠体内降解尝试研究表白，基于丝卵白的HEDSD可无效植入和生物降解，合用于植入式数据存储系统建立。
图5。(a) 基于碳纳米纤维连系可持续生物炭的超薄纳米纸和气凝胶的制备过程；(b) 石墨/淀粉复合材料的制备和电磁屏障机理；(c) 基于二维NiP纳米片的气凝胶；(d) 堆叠的三维碳/纤维素复合层做为可穿戴储能设备中的太赫兹屏障材料；(e) 植入式数据存储系统的设想和使用。IV太赫兹器件可持续材料，如动物性材料和卵白质类材料，可以或许为湿度传感、平安检测和监测供给新的选择。太赫兹波具有奇特的光谱特征和强大的穿透能力，可正在不损坏样品的环境下进行内部成分阐发，从而实现对土壤、水和空气样品的高精度监测。取保守的多孔陶瓷材料分歧，可持续材料表示出较着的吸湿性，材料电导率或电容随湿度的变化发生改变。因为水对太赫兹波的接收强烈，操纵太赫兹手艺建立的湿度传感器正在活络度和精度方面均可大幅度提高。研究者通过激光雕镂手艺制制超材料，并正在超材料概况涂覆丝卵白，设想出一种太赫兹湿度传感器，借帮丝卵白对水的高亲和力提高了太赫兹湿度传感器的检测精度。正在检测中，精确监测无害污染物气体对平安办理至关主要。基于可持续材料的高机能、低成本和多功能太赫兹功能器件正在监测范畴具有较大使用潜力。如图6b研究了一种基于轻质纤维素纳米纤维的层状多孔生物聚合物气凝胶的制备方式，将AgNWs和含有纤维素纳米纤维的MXene层嵌入气凝胶基质中，实现复合气凝胶的制备，成果表白该复合气凝胶具有太赫兹双折射特征，可正在密度低至2。7 mg/cm3的前提下实现对无机气体的检测。正在平安检测范畴，太赫兹手艺和可持续材料的连系为无损检测供给了新策略。通过检测太赫兹波正在穿过可持续材料时的衰减和相位变化，可实现无害物质的快速识别和定量检测。此外，为进一步将太赫兹手艺使用于指纹检测，研究人员通过引入适配体和抗体提拔太赫兹器件对方针物的性。具体立异使用包罗：多巴胺精卵白的切确识别，乳腺癌症细胞的超活络检测，以及传染性包膜卵白的无效识别。
图6。 (a) 丝卵白布局的光子能带布局；(b) 基于轻质纤维素纳米纤维的层状多孔生物聚合物气凝胶的建立和低密度下无机气体的检测；(c) 纸基超材料太赫兹传感器实现对葡萄糖的检测；(d) 基于丝卵白超构材料可编程编码的太赫兹电子-光子融合器件。虽然天然源可持续材料具备资本丰硕、可生物降解及机械机能优异等特征，但其正在传感器件制备过程中仍存正在显著局限性：需通过取导电材料的级共轭构立功能性复合材料，以实现对导电组分的生物相容性；做为生物医学器件的基底或封拆部件时，必需建立梯封拆层，避免取生物组织间接接触激发免疫反映；需根据具体研究方式如纺丝、3D打印、自拆卸等将材料沉构为薄膜、微球或支架等多种形态。为降服上述局限性，已有研究者报道了一种基于适配体水凝胶功能化的太赫兹超材料生物传感器。该生物传感器操纵特定适配体正在硅烷化超材料基底上原位聚合，构成具有多孔收集布局的适配体水凝胶。该生物传感器可以或许正在高吸水性介质中痕量检测人体内α-凝血酶，检出限低至0。4 pM。图7c展现了传感平面的设想，该传感器通过取乳房珠卵白B1和响应的乳房珠卵白A2相连系监测太赫兹信号的振幅变化，正在1 μL的样本中，LOD检测值低至100个癌细胞，表白该传感器正在癌细胞检测方面具有较高活络度。
图7。 (a) 太赫兹生物传感器信号传输、领受过程和成果；(b) 集成太赫兹超概况芯片取Aβ1-42抗体探针的检测器件；(c) 集成乳腺球卵白B1/A2双标记物的传感平面。生物的检测正在太赫兹传感范畴拥有主要地位。一方面，太赫兹光谱因其非特征和指纹识别能力合用于生物医学传感。另一方面，生物材料不只能够提高太赫兹传感设备的活络度和性，还能够通过操纵生物的特征提高医学成像对比度。因而，快速活络地检测各类生物，摸索基于可持续材料的生物检测使用对于临床试验具有主要意义。对于生物使用，材料的设想应具有以下特征：i)连结生物活性并确保无效载荷平安；ii)正在加工过程中仅发生无毒副产品；iii)易于加工，具备生物相容和可降解性，可定制。基于可持续材料的太赫兹生物传感器正在医学和临床使用中具有庞大潜力。通过设想一种基于环谐振器的太赫兹超材料，并丝卵白构成薄膜传感器件，可及时监测太赫兹时域光谱传输的变化。正在临床医学使用方面，如图8a展现了一种基于丝卵白的超材料器件，该器件可以或许将抗生素做为可降解的抗菌皮肤贴片进行拆载。其可控的水溶性和可调理的降解速度使药物的及时监测成为可能。丝卵白材料的特征使太赫兹超材料贴片可以或许无效地粘附正在受传染的小鼠伤口概况。这些可植入和可接收的医治性太赫兹器件正在植入后无需取出，可以或许无效推进小鼠体内传感和原位医治过程。此外，太赫兹手艺具有快速响应能力，能够进行及时动态检测，用于食物平安和药质量量节制。
图8。 (a) 可植入和可接收的医治性太赫兹超材料贴片；(b) 基于丝卵白和少量贵金属的可植入探测器件研制；(c) 丝卵白双密度泡沫纤维素建立及其多模态采集机制研究。可持续材料具有诸多劣势，包罗来历普遍、生物相容性优异以及生物降解性可调控等。本文章沉点引见了动物基以及卵白质基可持续材料的布局和机能，并聚焦基于此类材料的太赫兹功能器件，解析感化机理，挖掘机能特征及现实使用场景。虽然基于可持续材料的太赫兹功能器件取得了主要进展(包罗低损耗太赫兹传输器件、高机能太赫兹调制器、但仍存正在一些需要处理的挑和：(1)太赫兹波段可持续材料的可调性无限，为了提拔器件的可调性，能够测验考试正在纤维素或壳聚糖中半导体或导电材料；(2)可持续材料的布局设想和微纳加工手艺也是环节的研究标的目的之一。得益于人工智能手艺正在太赫兹器件设想方面的研究进展，将来该手艺无望使用正在基于可持续材料的太赫兹功能器件快速切确设想中。本文章为太赫兹功能器件的开辟供给了一条可选的新路子，操纵可持续材料的奇特劣势并挖掘太赫兹功能器件正在各个范畴的庞大潜力，为医学诊断、生物传感以及通信手艺供给了新的选择。
浙江大学智能生物财产配备立异团队(IBE)焦点，浙江大学生物系统工程取食物科学学院特聘副研究员，博士生导师，获得2024达摩院青橙“最具潜力”。专注于太赫兹波谱手艺用于农业消息的研究，包罗太赫兹微纳器件制备、基于纳米材料的太赫兹器件检测机能提拔、农产物概况消息共形等范畴研究。迄今以第一/通信做者颁发SCI论文10余篇，包罗《TrAC Trends in Analytical Chemistry》、《Biosensors & Bioelectronics》、《Carbon》、《ACS Photonics》、《Food Chemistry》等，单篇最高援用400余次，授权2项国际专利，并有一项中国发现专利实现手艺转移。目前已颁发文章总援用量为1791。
Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学从办、正在Springer Nature获取(open-access)出书的学术期刊，次要报道纳米/微米标准相关的高程度文章(research article， review， communication， perspective， highlight， etc)，包罗微纳米材料取布局的合成表征取机能及其正在能源、催化、、传感、电磁波接收取屏障、生物医学等范畴的使用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31。6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校精采科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出书期刊提名”。欢送关心和。
