近日，东南大学电子科学与工程学院芮光浩教授提出一种高Q全介质非手性超表面。该结构可在近红外波段产生强局域超手性近场，实现D/L-色氨酸对映体检测和皮克级吸附量下的蛋白质二级结构识别。相关成果以“Enantiomeric and protein structural sensing via high-Q all-dielectric metasurfaces”为题发表于《Advanced Photonics》。
1. 研究背景
手性广泛存在于氨基酸、核酸、蛋白质和手性药物等重要生物分子中。互为镜像的对映异构体虽然具有相同的分子组成，却可能表现出截然不同甚至相反的生理作用。因此，实现痕量手性生物分子的灵敏识别，对疾病诊断、药物研发和生命科学研究具有重要意义。圆二色性（circular dichroism，CD）光谱是解析分子手性构型和蛋白质二级结构的重要非侵入式手段。然而，生物分子的尺度远小于光波长，光与物质相互作用十分微弱；在近红外波段，分子的本征CD响应更弱，微量样品往往难以直接检测。局域超手性光场可显著增强手性光与分子的相互作用。相比金属纳米结构，全介质超表面具有低损耗、低光热效应和良好生物相容性等优势，但如何在保持结构非手性和低背景的同时获得高Q共振，并让分子与近场热点充分重叠，仍是提升传感性能的关键。
2. 研究内容与亮点
研究团队设计并实验验证了一种由含中央空气微腔的非晶硅纳米立方体构成的全介质非手性超表面。该结构同时支持低Q磁偶极导模共振和高Q环偶极准连续域束缚态（准BIC），可在空气微腔附近形成强局域超手性近场，为近红外手性分子检测提供高灵敏光学探针。实验结果表明，该平台能够在微量样品条件下区分D-和L-色氨酸，并利用符号相反、幅值相近的CD响应分析对映体差异。同时，平台可在皮克级表面吸附量下，通过共振波长偏移和表面灵敏度差异区分以α-螺旋或β-折叠为主的蛋白质二级结构，实现无标记识别。
图1 高Q全介质非手性超表面的手性与蛋白质结构传感。（a）含中央空气微腔的非晶硅纳米立方体结构；（b）空气微腔内平均超手性因子及特征波长处的近场分布；（c）色氨酸对映体的CD光谱；（d）不同蛋白质的表面灵敏度；（e）以α-螺旋和β-折叠为主的蛋白质薄层引发的光谱偏移。
研究进一步揭示，Q因子并非是决定传感信号的唯一因素，分子与超手性近场热点的空间重叠同样关键。理论上，高Q模式可提供约250倍的增强上限；在当前表面吸附条件下，分子与低Q模式热点的重叠更充分，因此实验可观测CD信号主要由更稳健的低Q模式贡献。未来若结合微流控、纳米定位或单分子操控技术，将目标分子定向输运并限域于中央空气微腔，有望进一步释放高Q模式的增强潜力，并拓展至单分子手性读取、蛋白构象动态监测和手性药物筛选等应用。
3. 作者与论文信息
东南大学电子科学与工程学院博士生贾天旭、韩国浦项科技大学李小桐和Youngsun Jeon为论文共同第一作者；东南大学芮光浩教授、西湖大学詹其文教授和韩国浦项科技大学Junsuk Rho教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金和江苏省自然科学基金等项目的支持。
