本研究由犹他大学（University of Utah）电气与计算机工程系的谢昊宇（Haoyu Xie）、范继超（Jichao Fan）等研究人员，在通讯作者高伟禄（Weilu Gao）的指导下完成。北卡罗来纳州立大学（North Carolina State University）机械与航空航天工程系的 Jun Liu 教授团队负责分子动力学模拟部分。该研究成果发表于 ACS Nano 期刊，论文于2026年5月27日投稿，2026年10月1日接受并在线发表。
手性分子以两种互成镜像、不可叠加的对映异构体形式存在，其立体化学构型（如 D 型和 L 型）在制药、临床诊断、食品安全等诸多领域具有决定性意义。然而，传统的手性选择性传感手段——包括色谱法、核磁共振和质谱法等——虽然功能强大，但资源消耗大、速度慢，且不适合水相环境中的原位监测。基于圆二色性（circular dichroism, CD）光谱的手性光学方法具有快速、无损、高通量等优势，但受制于分子本身固有的手性光学响应极其微弱。现有放大策略要么依赖复杂的分子设计与合成，要么需要精密的纳米加工来制造光学热点结构，且通常在紫外波段——许多手性分子具有显著光谱特征的区域——更加困难。因此，开发一种兼具高灵敏度、可扩展性和操作简便性的对映选择性传感平台，是该领域面临的迫切需求。
本研究旨在提出一种将分子层面的手性诱导与器件层面的光学转导相结合的新型传感范式，利用大面积的扭曲对齐碳纳米管（carbon nanotube, CNT）薄膜来实现超灵敏的对映选择性圆二色性检测。
研究首先采用震荡辅助真空过滤（shaking-assisted vacuum filtration, SAVF）方法制备大面积对齐 CNT 薄膜。将平均直径为1.4 nm的电弧放电 CNT 粉末分散于脱氧胆酸钠溶液中，经超声处理和超速离心纯化后，在安装于线性震荡器上的过滤系统中进行真空过滤。线性震荡在最初15分钟内促进了 CNT 的宏观对齐排列。制得的对齐薄膜横向尺寸达到毫米至厘米级，拉曼光谱（Raman spectroscopy）显示无明显 D 峰，表明 CNT 薄膜缺陷密度极低。
传感器由两层对齐 CNT 薄膜旋转堆叠构成。每层薄膜厚度约为24 nm，通过湿法转移技术依次转移至熔融石英基底上，层间对齐方向设定为40°旋转角。左旋堆叠（l-twist）和右旋堆叠（r-twist）分别对应顶层相对于底层顺时针或逆时针旋转的构型。无吸附分子时，扭曲堆叠结构中一维偶极矩的螺旋排列产生结构诱导的手性，其在267 nm波长处呈现出源自 CNT π 共振的强紫外 CD 峰，且左旋与右旋堆叠的 CD 峰符号相反。
为在水溶液中表征传感性能，研究团队利用3D打印技术自制了比色皿装置。该装置侧壁设有两个开放窗口，以宽带透明的熔融石英片密封以防水，中间有狭窄垂直空间固定传感器，顶部开放便于加载溶液和更换传感器。金属箔用于限制圆偏振光的透射区域。
为消除对齐 CNT 薄膜中线各向异性对 CD 测量的干扰，每次测量采用四配置平均法：对同一传感器进行翻转和旋转操作，分别测量四种构型下的 CD 谱并取平均，从而获得本征 CD 响应。
研究选用 D-葡萄糖和 L-葡萄糖作为主要分析物。在200–900 nm测量范围内、测试浓度条件下，葡萄糖溶液本身无任何可检测的 CD 信号。实验观察到，在同一传感器中，D-葡萄糖和 L-葡萄糖溶液引起相反的 CD 峰变化趋势；同时，同一对映体在左旋和右旋堆叠传感器中也呈现相反的响应趋势。在50 μM D-葡萄糖溶液中，l-twist 传感器的 CD 峰绝对值变化（δ|CD_peak|）达到约+20%，而 r-twist 传感器约为−24%。四种传感组合——l-twist/D-葡萄糖、l-twist/L-葡萄糖、r-twist/D-葡萄糖、r-twist/L-葡萄糖——的传感曲线均表现出高浓度下的饱和行为，符合朗缪尔（Langmuir）吸附等温线模型。
采用 Langmuir 模型拟合得到四个表观关联常数（k_mol）分别为 4.2×10⁴ M⁻¹、2.5×10⁵ M⁻¹、2.3×10⁵ M⁻¹ 和 3.0×10⁵ M⁻¹，转导强度（δCD_trans）分别为 26.7%、14.4%、27.4% 和 13.7%。测量重复性实验表明最大测量波动小于0.8%。据此估算的灵敏度分别为每微摩尔1.1%、3.6%、6.4%和4.1%，最低可检测浓度（minimum detectable concentration, MDC）分别为0.71、0.22、0.13和0.20 μM，达到亚微摩尔水平。此外，对 L-丙氨酸（alanine）的验证实验获得 k_mol = 7.9×10⁵ M⁻¹、MDC为0.12 μM，表明该平台有望拓展至其他手性分子。
为验证吸附饱和行为，研究团队进行了平衡态分子动力学（molecular dynamics, MD）模拟。模拟体系由一根非手性锯齿型(18,0) CNT 和不同数量的 α-D-葡萄糖分子以及固定数量的水分子构成，采用 CHARMM36m 力场描述葡萄糖、TIP3P 模型描述水、Tersoff 势描述 CNT。计算了圆柱分布函数（cylindrical distribution function, CDF）以确定吸附壳层边界——即 CDF 主峰后第一个极小值处，距离 CNT 轴线1.23 nm（距表面0.53 nm）。统计不确定性通过块平均法（block averaging method）对12 ns 生产轨迹进行分析确定。模拟结果显示吸附葡萄糖分子数随总分子数增加呈明显饱和趋势，符合修正的封闭体系 Langmuir 等温模型。在92.2 nm³和207.5 nm³两种模拟体积下得到一致的吸附行为，证实了局部吸附分析的稳健性。
研究开发了基于 PyTorch 框架的手性传输矩阵法（chiral transfer matrix method, CTMM）求解器。由于手性分子-CNT 复合体系中电场与磁场存在耦合，本构关系需引入磁电耦合系数，以手性参数（chirality parameter）κ 描述。对齐 CNT 薄膜本身为外消旋混合物，κ 为零；手性分子吸附后，沿 CNT 对齐方向产生非零有效手性参数 κ_eff。κ_eff 采用单共振 Condon 模型描述色散，其振幅与 Langmuir 覆盖率θ成正比。通过在光学模拟中手动扫描唯一可调参数——有效旋转强度尺度参数 r_eff——在 r_eff = 2.04×10¹¹ rad/s/% 处使四条传感曲线的均方根误差总和最小化。模拟 CD 谱和传感曲线与实验结果良好吻合，四条曲线的均方根误差分别为1.587、0.929、1.734和0.303个百分点。
本研究成功展示了基于扭曲对齐 CNT 薄膜的对映选择性手性光学传感平台。核心发现包括：（1）手性分子吸附于 CNT 表面后，将原本手性惰性的外消旋 CNT 薄膜转化为手性活性复合材料，在宏观扭转堆叠结构中产生显著增强的紫外 CD 信号；（2）传感器的 CD 峰变化方向由传感器扭转手性和分析物对映体构型共同决定，实现了单手性传感器同时区分对映体构型和定量浓度的功能；（3）所估计的 MDC 达到亚微摩尔级别，相比已有基于 CD 光谱的葡萄糖传感器具有明显优势；（4）Langmuir 型浓度依赖行为得到 MD 模拟的独立验证；（5）CTMM 光学模拟成功再现了实验 CD 谱和对映选择性传感趋势。
该研究的科学价值在于提出并验证了一种融合分子级手性诱导与器件级光学转导的新传感范式，避免了复杂合成和精密纳米加工的要求。应用价值方面，该平台为生物医学、制药制造、食品安全和环境监测等领域的水相环境中手性分子实时原位监测奠定了基础。
首先，该平台利用 CNT 在紫外波段的量子限域光学共振实现了超强 CD 响应，填补了紫外波段工程化手性结构稀缺的空白。其次，传感器的制备仅需简单的溶液自组装和手动旋转堆叠，无需光刻、热点输运或成对的左右手参考器件。第三，CTMM 求解器基于可微分 PyTorch 框架构建，为未来多层结构的逆向设计提供了工具基础。第四，该方法采用的单一传感器即可同时实现构型判定和浓度定量，显著简化了操作流程。此外，论文在支持信息中提供了 Langmuir 拟合参数的完整统计、基线恢复实验验证、以及与其他葡萄糖传感平台的系统比较，增强了研究结论的可信性。