南开新闻网讯（通讯员 程丹）近日，南开大学物理科学学院吴强、许京军教授团队在太赫兹生物分子手性传感领域取得重要进展。联合电子信息与光学工程学院范飞、常胜江教授团队，开发了一种新型太赫兹探测技术，实现了手性生物分子混合物的精准分辨。相关成果以“Resolving chiral biomolecule mixtures via terahertz eigenmode-fingerprint circular dichroism spectroscopy empowered by achiral gradient metasurfaces (解析手性生物分子混合物：非手性梯度超表面增强的太赫兹本征指纹圆二色性光谱技术)”为题，发表在国际顶级期刊《先进材料》(Advanced Materials)上。
团队从理论和实验上设计并实现了一种“非手性梯度超表面(AGMs)”的人工微结构，在太赫兹波段创造出很宽范围的电磁共振，该共振能直接和生物分子内部的“手性声子模式”（分子内部一种带有手性特征的集体振动方式）发生耦合——就像两个频率对上的音叉，一个振动，另一个也跟着响起来。这样一来，生物分子原本非常微弱、难以检测的“手性指纹”信号就被大大增强了。借助这个增强后的信号，生物分子(及其混合物)的成分、手性及手性对映体比例可以被直接且灵敏地解析。
大多数生物活性分子，比如氨基酸和蛋白质，都有一个有趣的特点——它们具有“手性”。所谓手性，就像人的左手和右手：它们一模一样互为镜像，但无论怎么旋转，左手和右手总是无法完全重合在一起。这种分子成分相同，互为“左右手”关系的分子，叫做手性对映体。不同手性的对映体分子可能产生截然不同的药理或毒性作用，例如只有右旋的布洛芬具有抗炎作用，左旋体没有活性只能增加代谢负担。手性对映体分子的分离与检测在生物制药、毒性检测、及食品工业中应用广泛。传统的紫外和可见/红外圆二色性(CD)光谱技术在检测分析手性生物分子时存在固有局限：长期紫外照射会严重损伤生物分子；而可见/红外波段缺乏生物分子的本征手性声子共振，因此无法获得本征CD信息。太赫兹波段(0.1–10 THz)涵盖了生物分子的振动和转动模式，为无标记、非侵入式探测本征手性信息提供了平台。然而，传统太赫兹CD光谱技术直接测量分子样品，光与物质相互作用比较微弱，难以灵敏地分辨单个或混合生物分子的手性特征。理解传感器-分子系统手性信号产生的物理机理对于克服这些局限至关重要。同时，开发能够克服上述局限的新型太赫兹光谱技术，可推动超越传统太赫兹生物传感的先进技术发展。
吴强、许京军教授团队提出的基于太赫兹宽带非手性梯度超表面(AGMs)的灵敏太赫兹本征指纹手性光谱(TEFCS)方案，能够通过CD光谱的共振频率、符号和幅值，精确确定手性生物分子混合物的成分、手性以及对映体比例。利用各向异性耦合谐振子模型分析了非手性超表面与手性生物分子之间的相互作用，同时考虑了各向异性电响应、磁响应以及磁电耦合。实验和数值模拟结果证明了理论的正确性。此外，由于AGM的宽带太赫兹共振与生物分子的集体手性振动之间具有优异的光谱交叠，多种手性生物分子，均可被检测到显著增强的太赫兹本征指纹CD信号。实验结果显示灵敏度达到1024度/(摩尔/立方纳米)，比传统太赫兹手性声子检测方法高出两个数量级。上述结果表明，该系统能够直接提取手性生物分子的本征光谱特性，具有精确的生物分子特异性、高灵敏度且无需标记。这项工作拓展了生物分子光谱技术的前沿，并有望促进医学诊断、药物开发和食品工业领域的新进展。
南开大学博士研究生臧一嘉为该文章第一作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.73026
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