张俊卿，吴毅萍，陈晟皓，古诗怡，孙 丽，周 铭，陈 麟,5*

改进型蝴蝶结超表面及在痕量铅离子检测中的应用

张俊卿1,2，吴毅萍1,2，陈晟皓1,2，古诗怡3，孙 丽4，周 铭4，陈 麟1,2,5*

1上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093；3上海理工大学中英国际学院，上海 200031；4上海市环境科学研究院，上海 200233；5同济大学人工智能研究院，上海 200092

超表面具有强烈的局域等离子体共振特性，其共振频率对周围介质环境十分敏感，可应用于无标记环境检测领域。本文设计了一种优化了品质因数和有效模体积之比(/eff)的蝴蝶结型太赫兹超表面结构。该结构单元由中间镜像对称的金属蝴蝶结及两侧的连续金属边带组成。针对/eff这一重要指标，分别从连续金属边带的宽度和蝴蝶结间隙长度这两个参数对结构进行了仿真优化。当连续金属边带宽度为25 μm，间隙长度为2 μm时，在0.7 THz处有效模体积为3.6 μm3，相应的/eff为2.2 μm-3。在实验中，将不同浓度的铅离子溶液滴于超表面传感器表面，利用太赫兹时域光谱系统测量透射谱。实验结果表明，在0.1 ng/mL～20 ng/mL范围内铅离子溶液浓度与超表面共振频率的漂移值具有线性关系，铅离子溶液的检测最低限为0.1 ng/mL。该太赫兹超表面传感器具有体积小、样品制备简单、检测速度快和实时现场测量等优点，将在环境保护和食品安全领域有广泛应用。

太赫兹；超表面；铅离子；有效模体积；高灵敏度

1 引 言

水体中重金属离子污染是当前亟需解决的环境问题，主要由于采矿、化石燃料燃烧、印刷等行业快速发展使重金属化合物渗入到水体致使水环境中重金属离子含量超过警戒值[1–4]。……