物质手性与光学手性

手性是自然界中普遍存在的一类对称性结构，指具有手性的物体的镜像与其本身无法重合，即满足空间镜像或中心反演对称性破缺，它与生命现象密切相关：目前60%以上的药物和25%以上的农药都是手性化合物。手性特征显著影响着生化物质的功能，手性异构体分子具有相同的化学成分，但可能具有完全不同的理化性质和生物活性，甚至一种手性分子对疾病具有治疗效果，而其异构体却具有毒性。因此，精准和高效的生化物质检测尤其是手性生化物质的识别和定量分析具有现实的应用需求和重要的科学意义。

光学手性是指光子及其空间光场分布所具有的电磁手性，左旋和右旋的圆偏光(left- and right-handed circular polarization, LCP and RCP)是具有相反光子自旋角动量的一对自旋光子态;而当光束具有螺旋的空间相位分布时，就成为拥有轨道角动量的涡旋手性光场。手性分子对不同手性的光子态或手性光场分布具有不同的光谱特征响应，这是分子立体化学结构表征的重要手段之一。

图1手性分子(左)和手性光场(右)可视化示意图

太赫兹偏振光谱和手性光谱传感技术

传统的太赫兹时域光谱传感往往忽略了偏振相关信息，只能用于检测样品的特征光谱或实现折射率传感。太赫兹偏振光谱传感技术弥补了传统检测的缺陷。偏振光谱传感是通过对左旋光子态和右旋光子态进行表征，对检测信号完整偏振态实现重构，从而获得与样品立体化学结构相关的偏振椭偏度和偏振旋转角等信息。手性光谱检测技术在此基础上，进一步分析由样品构型构象引起的光子偏振态差异，获得圆二色性谱和光学活性谱。开展偏振光谱和手性光谱传感检测的研究，有助于获取与样品分子结构相关的多参量信息，同时检测灵敏度和检测精度也将得到进一步提升。

太赫兹超材料传感芯片功能化技术

传感器功能化技术是指对传感器表面进行特异性修饰使其对特定目标生化分子具有高度选择性。这种技术的最大优势是可以赋予太赫兹传感器具备特异性传感的能力，能够突破传统THz吸收光谱和折射率传感的局限性，实现对目标物质的精准检测，同时传感灵敏度也将获得显著提升。

南开大学常胜江教授和范飞教授领衔太赫兹功能器件与应用研究团队深入探索基于太赫兹超材料的生化物质传感领域，聚焦于偏振光谱传感和手性光谱传感的基本理论和关键技术，同时应用传感器功能化的新策略，展示了生化物质手性异构体鉴别和目标物质特异性识别应用。相关工作发表于Chinese Optics Letters2023年21卷第11期(Liang Ma, Weinan Shi, Fei Fan, Ziyang Zhang, Tianrui Zhang, Jiayue Liu, Xianghui Wang, Shengjiang Chang. Terahertz polarization sensing, chirality enhancement, and specific binding based on metasurface sensors for biochemical detection: a review [Invited][J]. Chinese Optics Letters, 2023, 21(11): 110003)，被遴选为该期封面。

Chinese Optics Letters2023年第11期封面图

封面展示了多功能多类型超构表面在生化传感中的应用。封面中间展示了具有不同功能的超构表面在入射太赫兹波的激励下产生不同的手性光场，从而能够对其表面的各种生物分子进行传感检测。

高特异性和高灵敏生化检测技术在疫情全球流行的今天尤为重要，在生命科学、医学诊断和制药领域有着非常重要的应用。太赫兹超表面生化物质传感技术是一种新兴技术，可用于高灵敏的生化分子传感检测。然而，由于太赫兹超表面产生的强谐振模式会覆盖分析物的特征吸收峰，难以区分手性对映体和特异性识别目标生物分子。最近，太赫兹偏振光谱和手性光谱传感的新技术成为突破上述检测局限性的有效途径。此外，通过抗体或其他纳米材料修饰使传感器功能化，赋予传感器高灵敏度的特异性传感能力。

图2(a)抗体功能化修饰超表面实现特异性检测抗原;(b)PB相位超表面增强物质手性响应;(c)反射式太赫兹时域偏振光谱系统检测蛋白质热变性;(d)全介质超表面增强物质手性响应

文章综述了太赫兹超表面传感技术的发展历程，具体介绍了太赫兹偏振光谱和手性光谱传感检测的基本理论和关键技术，以及在生化分子手性异构体识别和特异性传感检测方面的典型应用，同时涵盖本课题组的最新研究进展，为读者提供这一新型研究课题的最新参考。要实现生化物质高特异性、高灵敏度和高精度检测，必须充分利用太赫兹光场在宽带频谱范围内偏振、手性等矢量特性。研究意义在于一方面可以获得更丰富的多参数、多维度的传感信息，提高检测灵敏度和检测精度;另一方面，利用太赫兹手性光场和物质结构之间的本征电磁相互作用，提高探测的特异性。

展望

开发对生化物质手性和空间结构具有丰富特异性响应的太赫兹偏振光谱和手性光谱及其传感检测技术，不仅是当前全球疾病防控的重大需求，同时具有重要的科研价值。抓住太赫兹手性光谱技术提供的战略机遇，未来的探索方向可以围绕太赫兹手性光场激发、操控和增强的新机制和新效果，完善和发展太赫兹手性光谱表征和传感检测技术的理论体系;开发具有自主知识产权的关键设备和检测系统，实现对生化物质的高特异性、高灵敏度和高精度检测。

作者团队简介

南开大学太赫兹功能器件与应用研究团队

太赫兹功能器件与应用研究团队现有教授4名，副教授1名，讲师1名，工程师1名。主要从事太赫兹功能器件和光学显微成像技术两个领域的研究工作。团队面向太赫兹波在新一代无线宽带通信、安检成像和新型光谱检测等重要应用，发展新型太赫兹光子器件及其应用技术、逐步形成了以太赫兹新型光电功能材料、太赫兹磁光子学、液晶光子学、超表面波前调控、太赫兹偏振与手性传感为特色的研究方向。在光学显微成像技术方面，重点开展了高分辨医学光学成像技术研究、硬件系统开发及各类临床研究，目前系统的各项性能指标均达到了国际先进水平。研究团队在国家自然科学基金(62335012, 62371258, 61971242, 61831012, 62205160)和中央高校基本科研业务费专项资金(63231159)资助下，近年来在Adv. Sci.、Optica、Laser & Photo. Rev.、Adv. Opt. Mater.、Sens. Actuator B-Chem.、Photonics Res.等期刊上发表数篇高水平论文。