太赫兹偏振分辨超表面传感器在手性分子浓度检测与异构体识别中的应用研究

作者及发表信息
本研究的通讯作者为Jie Li（li_jie_d@tju.edu.cn）和Peng Li（penglee@tju.edu.cn），团队来自中国多所高校及研究机构，包括成都信息工程大学光电工程学院、四川大学物理学院、北京NBC防护化学重点实验室等。研究成果发表于Applied Physics Letters期刊，2025年6月4日在线发表，标题为《Polarization-resolved terahertz metasurface sensor for concentration sensing and isomer recognition of chiral molecules》，DOI: 10.¹⁰⁶³⁄₅.0270860。

学术背景与研究目标
手性（chirality）是自然界中分子空间结构不对称性的核心特征，其光学活性信号（如旋光性OR和圆二色性CD）的检测在化学、生物医学和物理学中具有重要意义。然而，许多生物大分子的振动与旋转能级位于太赫兹波段，传统偏振测量方法因灵敏度不足难以检测微弱的手性信号。本研究旨在开发一种基于螺旋方形环超表面（spiral square ring metasurface）的太赫兹偏振传感技术，通过增强手性分子与电磁场的相互作用，实现对手性分子（如脯氨酸异构体）的高灵敏度浓度检测与异构体识别。

研究流程与方法

1. 超表面设计与制备

   • 设计原理：基于脯氨酸的太赫兹指纹谱特征（如0.57 THz共振峰），使用CST Studio软件优化超表面结构参数，设计螺旋方形环单元（周期60 μm，金属线宽8 μm），打破几何对称性以产生手性响应。
     
   • 制备工艺：采用标准光刻技术在二氧化硅基底上制备100 nm厚金微结构，通过铬（Cr）粘附层增强金属与基底的结合。超表面传感器有效面积为1.4×1.4 cm，局域场增强深度约3 μm。
     

2. 样品制备与涂层

   • 材料选择：为避免水分子对太赫兹波的强吸收，选用聚乙烯醇（PVA）作为脯氨酸的载体，制备PVA-脯氨酸薄膜（厚度0.7 μm）。
     
   • 浓度梯度：通过旋涂法控制薄膜厚度，测试浓度范围为0–7 μg/cm²，最小检测质量低至3.4 μg，灵敏度较传统传感器提升10倍。
     

3. 太赫兹偏振分辨时域光谱系统（THz-PTDS）

   • 实验装置：系统由飞秒激光泵浦-探测光路、太赫兹偏振器（P1/P2）和光电导天线（PCA）组成。P1固定为0°线性偏振，P2旋转至±45°以提取圆偏振分量。
     
   • 信号解析：通过傅里叶变换获取频域振幅与相位，结合公式推导CD（圆二色性）和OR（旋光性）信号：
     
     • CD角度：( \beta(\omega) = 2.303cl(\epsilon_R - \epsilon_L)/4 )
       
     • OR角度：( \alpha(\omega) = \omega l(n_R - n_L)/c )
       

4. 数据分析与性能评估

   • 灵敏度与品质因数：计算共振频率偏移（Δf）与浓度变化（Δc）的比值，灵敏度达4.57 GHz/(μg/cm²)，品质因数（FOM）为0.0354 cm²/μg，优于传统裂环结构传感器。
     
   • 异构体区分：通过偏振椭圆角（PEA）和偏振旋转角（PRA）的差异，实现D/L-脯氨酸的明确区分。
     

主要研究结果

1. 信号增强与浓度响应

   • 超表面将脯氨酸的CD和OR信号显著放大。例如，L-脯氨酸在1.75–7 μg/cm²浓度范围内，CD信号从-5.65°变化至-9.89°，OR信号从13.73°变化至4.27°。
     
   • 共振峰红移与浓度呈线性关系（R²>0.98），OR信号对浓度变化的敏感性高于CD信号。
     

2. 异构体识别

   • D-脯氨酸的OR峰偏移（0.564–0.536 THz）大于L-脯氨酸（0.553–0.532 THz），而L-脯氨酸的CD峰偏移（0.632–0.603 THz）大于D-脯氨酸（0.639–0.613 THz）。
     
   • 在0.647 THz处，D-脯氨酸的PEA变化范围（-26.54°至-22.89°）显著大于L-脯氨酸（-24.68°至-23.82°），而L-脯氨酸的PRA变化（2.94°至-40.37°）更显著。
     

结论与价值
本研究通过螺旋方形环超表面与PVA-脯氨酸薄膜的结合，实现了太赫兹波段手性信号的高灵敏度检测，为痕量生物分子分析提供了新方法。其科学价值在于：
1. 技术突破：将检测限降低至3.4 μg，灵敏度较同类技术提升3倍。
2. 应用潜力：可扩展至其他氨基酸、蛋白质及药物的手性检测，在生物医学诊断、环境监测等领域具有应用前景。

研究亮点
1. 创新设计：螺旋方形环超表面通过几何不对称性增强手性响应，局域场强度优化至3 μm深度。
2. 多参数解析：首次联合CD、OR、PEA和PRA参数，实现浓度与异构体的双重识别。
3. 跨学科融合：结合太赫兹光子学、超材料设计与生物分子传感，推动精密测量技术的发展。

其他价值
实验中发现高浓度下PVA-脯氨酸薄膜分布不均匀性导致的误差，未来可通过优化成膜工艺或多次测量取平均进一步改善。此外，超表面的多波段响应设计或将成为后续研究方向。