Han-Lei Xu、Zi-Ming Meng、Yuan-Hao Liu、Jin-Yue Su、Ze-Zhou Fang和Jin-Yun Zhou等作者在2025年4月30日于《Journal of Materials Chemistry C》发表了一项关于中红外（mid-infrared, MIR）高Q值等离子体超表面（plasmonic metasurface）的研究，题为《Mid-infrared bifunctional high-Q plasmonic metasurfaces with strong intrinsic chirality and imaging-based biosensing》。该研究由广东工业大学物理与光电工程学院、广东省传感物理与系统集成应用重点实验室以及广东省信息光子技术重点实验室联合完成。研究聚焦于多功能超表面的设计与应用，旨在解决复杂应用场景中对高灵敏度、高特异性光学器件的需求。
学术背景
超表面（metasurface）是一种人工设计的二维结构，通过亚波长尺度的“超原子”或“超分子”阵列调控光的振幅、相位和偏振状态。传统圆二色性（circular dichroism, CD）光谱技术由于手性分子螺旋间距与光波长的尺度不匹配，灵敏度较低。而等离子体超表面能够通过增强手性光-物质相互作用和局域近场光学手性，显著提升检测灵敏度。此外，中红外光谱区（MIR）是分子指纹识别的关键波段，能够通过化学键的振动模式实现非标记、非破坏性的生物分子检测。然而，现有三维手性等离子体结构（如金螺旋、多层扭曲构型）存在制备复杂、Q值低（<10）等问题。为此，本研究提出了一种基于金属-绝缘体-金属（metal-insulator-metal, MIM）构型的高Q值三维等离子体超表面，同时实现强本征手性响应和成像式分子指纹检测。
研究流程
超表面设计与仿真
- 结构设计：研究采用非对称双梯形棱镜单元结构，由两个尺寸不同的金梯形棱镜组成，其中一个棱镜可绕垂直轴旋转（扭转角ψ）。超表面置于金基底上，中间通过二氧化硅（SiO₂）间隔层形成MIM构型。
- 仿真方法：通过有限元法（finite element method, FEM）在COMSOL Multiphysics中进行全波仿真，设置周期性边界条件和完美匹配层（PML）。
- 关键参数：棱镜高度（2.8 μm/1.4 μm）、顶边长度（1 μm/0.7 μm）、基底长度（1.8 μm/1.3 μm）、宽度（0.6 μm），扭转角ψ调控对称性破缺。
高Q值准BIC模式激发
- 当ψ=0°时，结构沿yz平面对称，支持对称保护的连续态中的束缚态（symmetry-protected bound state in the continuum, SP-BIC），此时共振模式无法被激发。
- 随着ψ增大（如ψ=30°），对称性破缺导致SP-BIC转变为泄漏准BIC模式，在4.9 μm波长处实现Q值130、反射率0.23的高Q共振。
手性响应增强
- 圆偏振光入射下，扭转角ψ和间隔层厚度共同调控圆二色性（CD）信号。当ψ=30°、间隔层厚度500 nm时，CD值达0.87，Q值保持125。
- 物理机制：多极分解分析表明，右旋圆偏振光（RCP）激发强电偶极（ED）和电四极（EQ）共振，实现99.2%吸收；左旋圆偏振光（LCP）吸收仅10%，形成极化选择性耗散。
分子指纹检测验证
- 像素化阵列设计：通过缩放单元尺寸（s=1.18~1.58），将高Q准BIC模式调谐至5.4~7.1 μm，覆盖蛋白质酰胺I（6.02 μm）和酰胺II（6.45 μm）振动峰。
- 成像式检测：构建5×5像素化超表面阵列，通过反射光谱包络分析直接提取A/G-IgG蛋白质双层的吸收特征，生成条形码式空间图谱，无需传统光谱仪。
主要结果
- 手性性能：在ψ=30°时，CD信号达0.87，Q值125，优于多数文献报道的手性超材料（如金螺旋结构CD~0.3，Q<10）。
- 分子检测：高Q共振（平均Q>100）实现了蛋白质振动模式的窄带增强，成像式条形码图谱清晰区分酰胺I/II特征峰。
- 理论验证：耦合模理论（CMT）预测间隔层厚度对CD的调控趋势与仿真结果一致。
结论与价值
该研究提出了一种兼具高Q值和强本征手性的MIM超表面平台，其科学价值在于：
1. 方法创新：通过简单几何设计（非对称双梯形棱镜）实现传统复杂三维手性结构的功能，降低了纳米加工难度。
2. 应用潜力：集成手性传感与分子指纹检测，为复杂生物传感场景（如药物筛选、病理标志物检测）提供了多功能、无标记解决方案。
研究亮点
- 性能突破：首次在等离子体超表面中同时实现CD>0.8和Q>100。
- 多功能集成：单一平台融合手性分析与成像式检测，避免了传统光谱仪的体积限制。
- 理论指导性：阐明了扭转角和间隔层厚度对BIC模式及手性响应的调控机制，为后续设计提供普适性框架。
其他价值
研究还探讨了通过降低单元高度进一步减少辐射/耗散损失的可行性，并提出了基于灰度光刻和薄膜沉积的制备方案（详见补充材料）。这些内容为实验实现和性能优化提供了重要参考。