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2024年12月31日，哈尔滨工业大学丁旭旻、南洋理工大学胡光维、中医药科学院Meng Yanli共同通讯在Advanced Materials 在线发表题为“Hyperspectral Metachip-Based 3D Spatial Map for Cancer Cell Screening and Quantification”的研究论文。该研究报道了用于人类癌细胞高光谱筛选和定量评估的太赫兹（THz）超芯片。这种像素化谐振超芯片具有1和3THz频率的谐振通道，质量因数高达230。通过不同浓度的各种癌细胞的相互作用，获得高维光谱特征，并进一步转化为空间图以进行标记和定量。该研究报道了多达15种癌细胞的筛选，具有高达93.33%的检测准确度和高达1320 kHz cell/mL的定量浓度灵敏度。这种高光谱超芯片成本低、结构紧凑、无标记，可快速、高通量、高灵敏度地检测和评估人类癌细胞。这项技术不需要临床经验，可用于癌症早期诊断。癌症作为一个世界性健康问题，一直是人类的主要致命因素，部分原因是其早期顽固性和高死亡率。近期，人类癌细胞的精确、高通量和快速早期检测取得了重大进展，包括肿瘤标志物、病组织活检和核磁共振，其特点是灵敏度低、成本高、体积大。光学显微镜和基因测序可以提供癌症的组织学亚型鉴别，但耗时、体积大且特异性强。早期癌症检测的最佳解决方案应该是快速、无标记、高灵敏度、高通量和便携，有望提供更有效的癌症定量评估。为满足这些高要求，研究人员越来越关注用于生物检测的高光谱图像平面光学器件。平面光学元件或超表面由一系列超薄结构夹杂物组成，可维持高质量（高Q）共振，以增强轻物质耦合。当与样品的指纹光谱重叠时，这种超表面将显示光谱特征，如高光谱生物检测的峰值频移和峰值振幅方差。已经进行了从可见光到中红外频率范围的多种演示，如抗生素分子的检测、包膜蛋白、无标记病原体、COVID-19等，在分辨率和效率方面性能优异。图1 高光谱元芯片用于癌细胞筛选和定量示意图（摘自Advanced Materials ）由于癌细胞的振动、旋转和弱分子间作用力（如生物分子的氢键和范德华力），癌细胞显示出非常丰富的太赫兹指纹。然而，太赫兹高光谱技术在检测和定量人类癌细胞方面存在显著差距。首先，由于Q因子和折射率灵敏度有限，器件的传感性能和检测精度受到限制，有待于开发一种具有高灵敏度的新型太赫兹传感芯片。其次，基于2D图像的复杂标记方法会影响效率和分辨率，需要直接可读、明确的映射方法。最后，由于缺乏完整的验证实验，其临床实用性面临挑战，需要通过大量生物样本来验证所设计方法的准确性。该研究报道了具有高灵敏度、高通量、便携、低成本和快速检测的THz超表面芯片（metachips）对人类癌细胞的高光谱筛选和定量评估。THz超芯片由一个2D像素阵列组成，承载着通过干涉变窄机制实现的高Q值（Q>200）。作者进一步利用CSTMICROWAVESTUDIO中的参数扫描功能来优化晶胞的结构，以实现干净的光谱背景和轻微偏移的谐振。通过这种方式，获得每种癌细胞的类2D条形码THz光谱特征，并进一步转化为3D特征向量，该特征向量可以一一映射到不同浓度的癌细胞。对15种人类癌细胞样品的检测结果显示出优异的浓度灵敏度（超过1000kHz cell/mL）和93.33%的检测准确率，推动了人类癌症的早期检测和抗癌药物的开发。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202412738![]()
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