Adv. Photon. | 高Q因子全介质超表面，突破手性分子检测技术瓶颈

Advanced Photonics 2026年第5期文章：

Tianxu Jia, Xiaotong Li, Youngsun Jeon, Yang Jin, Zirun Wang, Ruohu Zhang, Zhigang Li, Chenlu He, Li Zhu, Shenfei Zong, Binfeng Yun, Bingjue Li, Hongyoon Kim, Heechang Yun, Sebin Jeong, Eunseo Cho, Xiaodong Cai, Yuchuan Shao, Guanghao Rui, Qiwen Zhan, Junsuk Rho, "Enantiomeric and protein structural sensing via high-Q all-dielectric metasurfaces," Adv. Photonics. 8, 056004 (2026).

背景介绍

从氨基酸、核酸到药物分子，具有不同空间构型的手性分子往往表现出不同的生物活性，实现微量手性分子的精准识别，对于疾病诊断、药物开发和生命过程研究具有重要意义。为了实现对手性分子的识别与结构分析，过去的研究通常采用圆二色性光谱等无损检测方法，这些技术主要通过测量手性分子对左、右旋圆偏振光的吸收差异，来分析判断分子的构型和结构信息。然而，由于光波长通常为数百纳米，与纳米级分子之间存在明显的尺度差异，导致光与分子的相互作用较弱，因此在低浓度样品和复杂环境下，传统圆二色性检测的灵敏度往往不足。

针对上述问题，研究人员逐步探索借助超手性光场来增强光与分子之间的相互作用的方法，其中，超表面能够在亚波长尺度上精准调控电磁场的振幅、相位和偏振状态，因此成为了构建增强型手性光场的重要手段。然而，传统的金属超表面虽然可以借助等离激元效应来增强局域电磁场，但金属材料本身存在较大的吸收损耗和光热效应，因此在生物检测应用方面存在诸多限制。相比之下，全介质超表面具有低损耗、良好的生物相容性和灵活的光场调控能力，可以为高灵敏度手性检测提供新的技术路径，因此有望成为痕量生物分子分析、手性药物筛选等领域的重要方案。

针对上述需求，东南大学、西湖大学和浦项科技大学联合团队设计和制备了一种高Q因子全介质超表面。该结构在硅基纳米结构中心引入空气微腔，使局域电磁场集中于生物分子可接近的区域，并支持两种共振模式：磁偶极导模共振和以环形偶极响应为主的准连续谱束缚态。其中，高品质因数模式能够增强局域超手性近场。基于此，研究团队实现了近红外色氨酸对映体的圆二色性检测，并在理论估算的皮克量级单层表面覆盖量范围内区分了不同蛋白质二级结构。研究成果为微量生物分子检测技术的发展提供参考，以“Enantiomeric and protein structural sensing via high-Q all-dielectric metasurfaces”为题发表在Advanced Photonics 期刊。

高Q因子共振增强超手性近场，提高光与分子的相互作用强度

研究团队在二氧化硅基底上制备了周期性排列的氢化非晶硅纳米立方体，并在中心引入了空气微腔来实现构建全介质超表面。图1(a)为超表面的结构示意图。如图1(b)所示，随着晶格周期变化，透射谱将呈现出两条具有不同变化规律的共振分支，结合图1(c-d)中的多极分解和电磁场分布情况：模式一为磁偶极响应主导的磁偶极导模共振；模式二为电磁场更集中于中心空气微腔附近，是由环形偶极和磁四极响应主导的环偶极子型准连续域束缚态。如图1(e)所示，计算得到的两种模式最高Q因子分别约为85和1117，实验测得的数值则分别约为40和932，该结果进一步验证了两种共振模式的实际存在。如图1(f)所示，模式一的峰值和空气微腔内的平均超手性因子分别为15和6，模式二则分别达到110和62，并且模式二中的超手性场主要集中在空气微腔内。综上所述，环偶极子型准连续域束缚态与空气微腔的共同作用将在分子可接近区域形成强超手性近场，进而增强微量分子的圆二色性响应。

图1 全介质超表面结构、共振模式及超手性近场分布

近红外圆二色性增强效应，助力色氨酸对映体的识别

为了检验超表面的手性检测能力，研究团队首先对其表面进行硅烷化处理，以促进分子吸附，如图2(a)所示。如图2(b)为全介质超表面的AFM表面形貌测试结果。此外，如图2(c-d)所示，在吸附色氨酸后，超表面的粗糙度逐渐降低，说明分子能够较均匀地覆盖纳米结构；而在吸附血蓝蛋白后，表面还出现了血蓝蛋白单分子尺寸1-2倍的颗粒状凸起，表明蛋白质形成了接近单层的吸附层。如图2(e-f)所示，在750~950 nm近红外波段，D型和L型色氨酸产生幅值相近、符号相反的圆二色性信号，等比例D/L混合样品的响应接近于零，而裸色氨酸在该波段则几乎没有可测信号。实验信号主要来源于与分子吸附区域空间重叠度更高的模式一，模式二虽具有更高的Q因子和更强的局域场，但强超手性场区域集中在空气微腔内且对结构扰动更为敏感。模拟结果表明，当分子与空气微腔内的强超手性场区域高度重合时，圆二色性增强因子最高可达约250倍。这说明，检测效果不仅取决于共振特性，也取决于分子分布与超手性近场之间的空间匹配程度。

图2 色氨酸分子吸附及近红外圆二色性检测结果

皮克量级表面覆盖量情况下，实现蛋白质二级结构的有效区分

在完成对映体检测后，研究团队进一步探索了高Q因子全介质超表面对不同二级结构蛋白质产生差异化光谱响应的能力。如图3(a)所示，实验选取了六种样品，其中肌红蛋白、血红蛋白和牛血清白蛋白主要为α-螺旋结构，伴刀豆球蛋白A、β-乳球蛋白和β-淀粉样肽则主要为β-折叠结构。按照直径300 μm的有效采样区域估算，血红蛋白和β-淀粉样肽的理论单层覆盖量上限分别约为701 pg和101 pg，如图3(b)所示。如图3(c)所示，六种样品吸附后均引起共振波长移动，其中肌红蛋白约为1 nm，伴刀豆球蛋白A最大，达到约7 nm，其余样品主要位于3~4 nm范围内。对共振位移进行归一化后发现，富含β-折叠的样品总体表现出更高的表面灵敏度，而以α-螺旋为主的样品相对较低，如图3(d)所示。如图3(e)的极化率模型分析所示，不同二级结构在空间构型和极化率各向异性方面存在差异，进而以不同方式与局域电磁场耦合并表现为不同的共振位移响应。因此，该全介质超表面能够将蛋白质二级结构差异转化为可测量的共振位移，从而实现蛋白质二级结构的有效区分。

图3 不同蛋白质的表面吸附、共振位移及二级结构识别

总结与展望

本研究构建了一种基于高Q因子全介质非手性超表面的生物分子检测平台，该平台利用磁偶极导模共振和以环形偶极响应为主的准连续谱束缚态增强超手性近场，实现了近红外色氨酸对映体圆二色性检测，并在皮克量级理论表面覆盖量下区分了具有不同二级结构的蛋白质。研究结果表明，实际手性增强效果不仅取决于共振Q因子，还与分子和超手性场增强区域之间的空间匹配密切相关。未来，通过结合微流控、精确纳米定位和单分子操控技术，可进一步将待测分子引导至空气微腔等强场区域，增强光与分子之间的耦合作用，进而为单分子手性检测、蛋白质结构动态监测和手性药物筛选等领域的发展提供技术支撑。