摘要

像Cu²⁺和Mg²⁺這樣的持久性二價金屬陽離子會在淡水系統中積累，對水質和人類健康構成可測量的風險。現有的分析技術，包括電感耦合等離子體質譜法和原子吸收光譜法，需要專門的實驗室、繁瑣的樣品制備過程以及批量處理，這限制了它們在低濃度環境下進行連續原位監測的應用。本研究介紹了一種基于太赫茲頻率的MXene超表面傳感器，該傳感器結合了石墨烯、銀、鈦酸鍶和銅層，以增強電磁場的約束效應并提高傳感表面與溶解離子之間的耦合效率。其傳感機制依賴于離子吸附引起的MXene納米片導電性的變化、通過靜電門控調節石墨烯表面響應，以及太赫茲波段的折射率敏感性。有限元仿真表明，該傳感器對Cu²⁺的譜靈敏度為151.1 GHz/RIU，對Mg²⁺的譜靈敏度為227.8 GHz/RIU。相應的性能指標分別為1145.5和1759.5 RIU^?1，理論檢測限分別為4.7 × 10^?4 RIU和2.7 × 10^?4 RIU。共振頻率的變化與折射率變化呈線性關系（相關系數R²大于0.993），也與離子濃度呈線性關系（R²大于0.895）。隨機森林回歸被用作替代建模工具，用于插值基于物理模擬得到的傳感器響應數據。數據集被分為80:20的訓練集和測試集，模型性能在未見過的測試數據上進行了評估。較高的決定系數（R² > 0.998）反映了模擬出的電磁響應的平滑性和確定性，而非實驗過程中的隨機性。