具有太赫兹手性光学活性和手性等离子体-手性声子共振的手性微针阵列

《Advanced Materials》：Chiral Microneedle Arrays With Terahertz Chiroptical Activity With Chiral-Plasmon-Chiral-Phonon Resonance

　　

微针阵列（Magnetic Nanoparticle Assemblies, MNAs）是一项快速兴起的技术，在药物递送和生物传感中具有广泛的生物医学应用。凭借其亚毫米尺寸和周期性，MNAs的几何结构几乎完美适用于在太赫兹（Terahertz, THz）光谱窗口内运行的生物医学器件。由于手性对沉积药物和周围组织的功能至关重要，在MNAs中实现手性光学共振可赋予基于微针的技术新的能力。然而，制备手性MNA的方法在很大程度上尚不明确，其重要性也未被充分认识。本文中，研究人员提出了一种制备阵列手性微针（Arrays of Chiral Microneedles, ARCHIMs）的途径，这些微针在THz范围内展现出强且可预测的手性光学共振。这些手性等离子体微针通过顺序沉积两层金层的掠角沉积法制备。在每根针上具有薄的非中心对称帽的ARCHIMs表现出强的手性等离子体模式，其特征为独特的太赫兹圆二色性（Terahertz Circular Dichroism, TCD）谱带和高达5度的偏振旋转。为了模拟手性药物和生物制剂，研究人员在ARCHIMs上包覆了L-和D-胱氨酸晶体。研究人员发现，生物晶体中的手性声子与微针中的手性等离子体发生共振；它们的耦合诱导了TCD谱中依赖于手性的位移。这一光子效应通过一种修正的时间耦合模式理论（Modified Temporal Coupled Mode Theory, TCMT）进行了定量描述，该理论包含了依赖于偏振的谐振器参数。研究人员的发现表明，ARCHIMs提供了一个有效、可调且可扩展的平台，用于利用手性光-物质相互作用，为TCD传感、手性诊断、手性声子检测和THz光子学开辟了新机遇。

手性微针阵列作为微针阵列（MNAs）的衍生技术，在药物递送和生物传感领域发展迅速。然而，现有MNAs缺乏太赫兹（THz）范围内的手性光学活性，而手性对药物、生物分子及组织功能至关重要。传统光学方法（如荧光、拉曼）无法在THz频段提供手性信息，且缺乏在MNA中集成手性光学共振的制备工艺。为突破这一瓶颈，研究人员旨在开发一种可制备的、具有强THz手性光学活性的微针阵列平台，使其能够同时进行药物递送和手性诊断，并探索手性等离子体与手性声子的耦合效应。

研究人员开展了以下研究：通过掠角金属沉积法在商业微针贴片（Avarelle的Multi-Dart贴片）上制备阵列手性微针（ARCHIMs）；利用太赫兹时域光谱偏振仪（THz-TDP）测量其圆二色性（TCD）和偏振旋转；通过COMSOL电磁仿真和分子动力学（MD）模拟分析等离子体模式与手性声子模式；最后采用修正的时间耦合模式理论（TCMT）定量描述耦合现象。

研究得出以下结论：ARCHIMs在THz波段表现出强手性光学活性，最大偏振旋转约5度，且可通过改变微针尺寸调谐共振频率；L-/D-胱氨酸晶体中的手性声子与微针手性等离子体发生共振耦合，导致TCD光谱位移，该位移依赖于胱氨酸手性。该平台为太赫兹圆二色性（TCD）传感、手性诊断、手性声子检测以及太赫兹光子学提供了有效、可调且可扩展的解决方案。论文发表在《Advanced Materials》。

在关键技术方法方面，研究人员主要采用以下方法：
1. **掠角金属沉积**：在Parylene C封装后的商业微针贴片上，通过两步掠角沉积铬/金（Cr/Au）层，并控制旋转方向（顺时针CW/逆时针CCW）打破镜面对称，形成手性金帽（来源：Avarelle Multi-Dart微针贴片）。
2. **太赫兹时域光谱偏振仪（THz-TDP）**：自主搭建装置，通过两个偏振器（P1, P2）的±45°旋转，获取平行和交叉偏振时域脉冲，经傅里叶变换后计算TCD和偏振旋转。
3. **COMSOL电磁仿真**：基于单个微针圆锥模型，采用过渡边界条件模拟不同手性金帽的圆偏振散射消光截面，提取TCD光谱。
4. **分子动力学（MD）模拟**：对L-胱氨酸晶体进行振动圆二色性（VCD）计算，分析手性声子的本征模式和旋转强度。
5. **修正时间耦合模式理论（TCMT）**：引入圆偏振依赖性参数，将等离子体谐振器（A）与声子谐振器（P）耦合，通过拟合实验TCD光谱提取耦合常数μ。

研究结果分为以下部分：
**2.1 阵列手性微针的制备**
通过掠角沉积两段金属层（Cr 1 nm/Au 3 nm和Cr 1 nm/Au 6 nm），并旋转微针贴片（CW/CCW），成功制备出亚毫米尺度手性微针。SEM图像证实针体完整，直径和高度约250 μm，间距1 mm。

**2.2 微针的手性光学活性**
THz-TDP测量显示，CCW和CW ARCHIMs的TCD光谱呈镜像对称，最大偏振旋转≈5度，为可见光范围内手性结构响应的约1000倍。COMSOL仿真表明，TCD信号来源于单个微针的手性等离子体共振（0.4和0.9 THz），且共振峰随微针尺寸增大发生红移，呈线性关系（1/D）。电流密度分布显示一阶至四阶驻波模式，证实了等离激元特性。

**2.3 手性等离子体与手性声子的耦合**
研究人员假设手性等离子体（来自ARCHIMs）与手性声子（来自生物晶体）可发生共振耦合，从而增强传感特异性和灵敏度。

**2.4 L-和D-胱氨酸的太赫兹光学活性**
L-/D-胱氨酸晶体的TCD光谱在0.72-0.73 THz处呈现镜像双峰特征，与ARCHIMs的等离子体共振频率（0.4和0.9 THz）部分重叠，利于耦合。

**2.5 L-和D-胱氨酸晶体中的手性声子**
分子动力学（MD）计算表明胱氨酸晶体中声子模式具有内在手性，其振动模式在L-和D-对映体中呈镜像关系，且与分子手性不同。L-/D-色氨酸的对比实验进一步排除简单分子光学活性的干扰。

**2.6 胱氨酸-ARCHIM体系的太赫兹共振实验测量**
将L-或D-胱氨酸滴铸于CCW ARCHIM后，TCD光谱相对于未包覆基线出现明显分裂，且分裂方向取决于胱氨酸手性。而同等量滴铸于裸基底时无此现象，证明手性等离子体-手性声子耦合发生。

**2.7 手性等离子体与手性声子的时间耦合模式理论**
采用修正TCMT，引入圆偏振依赖性参数，拟合未包覆ARCHIM的TCD（图4c）和胱氨酸手性声子TCD（图4d）。引入耦合常数μ后，模型重现了实验观察到的TCD光谱分裂，定量证实了耦合机制。

总结讨论部分：研究人员制备并表征了基于微针的手性等离子体微结构，其在太赫兹光谱范围内具有强手性光学活性。通过掠角沉积等离子体金属，将商业非手性微针贴片转化为手性阵列。由于微针中的手性等离子体与沉积生物分子中的手性声子耦合，观察到TCD光谱中明显的偏振选择性位移。这一现象通过包含圆偏振依赖性的修正TCMT得到定量验证。研究结果证明，强手性光学活性可工程化于MNAs，实现晶体药物洗脱的实时监测和手性同质异构体的区分，两者对治疗效果至关重要。因此，ARCHIM平台为太赫兹可穿戴器件提供了多功能基础，具有面向治疗和诊断能力的多生物医学应用的频谱可调性。