基于高 Q 值全介电超表面的对映异构与蛋白质结构传感

《Advanced Photonics》：Enantiomeric and protein structural sensing via high-Q all-dielectric metasurfaces

　　

生物分子的光谱分析在诊断和病原体检测中至关重要，然而手性分子在纳米尺度上的尺寸使得光-物质耦合极其微弱。在此，我们提出了一种由空气微腔立方体构成的全介质非手性超表面，可产生强超手性近场，用于高灵敏度分子检测。该结构支持两种共振模式：一种低品质因子（低Q）的模态1，其峰值超手性因子和微腔平均超手性因子分别为15和6；另一种高品质因子（高Q）的模态2，相应数值分别达到110和62。我们实现了D-色氨酸和L-色氨酸的近红外圆二色性（CD）检测，两种对映体表现出大小相等、符号相反的响应，从而支持对映体过量分析。实验表明，可观测到的CD信号主要由更稳健的低Q模态1主导，这主要是由于分子吸附区域与相应超手性热点之间具有更强的空间重叠，而模态2则提供了约250倍的理论增强上限。该平台能够在皮克级表面吸附条件下区分具有不同α-螺旋和β-折叠比例的蛋白质二级结构，各向同性和各向异性分子极化率模型解释了所观测到的光谱差异。所提出的全介质非手性超表面具有低损耗、低背景噪声和高灵敏度，为手性分子检测提供了一条有前景的途径。

1. 引言

分子手性是指一种固有的几何性质，即分子结构无法通过任何旋转或平移与其镜像重叠，这一性质普遍存在于氨基酸、核酸、多糖和手性药物等重要生物分子中。1,2 由于手性构型直接影响生物活性、代谢途径和靶标识别，不同对映体往往表现出显著不同甚至完全相反的生理效应。因此，在生命科学和生物医学领域，准确且灵敏地识别微量手性分子的绝对构型具有重要的科学意义和实用价值。3–5 圆二色性（CD）光谱通过测量左旋圆偏振光（LCP）和右旋圆偏振光（RCP）吸收的差异来获取构型和二级结构信息，具有非侵入性操作和结构灵敏性的优势。由于分子尺寸处于纳米量级而光波长短达数百纳米，这种失配导致光-物质耦合极其微弱。常规分子CD测量通常使用商业光谱偏振计在远场透射构型下对溶液态样品进行，在此条件下，由于缺乏近场增强，测得的CD响应主要来源于分子的固有电子跃迁。对于大多数小分子和生物分子而言，这些手性电子跃迁主要位于紫外到可见光谱范围。因此，在近红外区域，固有吸收和相应的差吸光都会显著减弱。结果是，在有限光程长度和现实样品浓度的条件下，CD信号往往接近甚至低于实际检测限。在复杂环境中以及在微量样品条件下，由于可用的相互作用体积进一步受限且背景噪声更加突出，CD检测变得更加困难。理论上，手性分子的CD响应随光学手性密度6 ??=??0????Im?(??*·??)/2 的变化而变化。在均匀自由空间中，圆偏振场可达到 ??=??0，其中 ??0=??0??????2/2。如果在分子可到达的局部区域内实现了超手性场7,8，使得超手性因子 ??/??0>1，则体积平均的 ?? 将增加，光-分子相互作用增强，从而提升CD信号并改善信噪比（SNR），使得在极低浓度和小体积下检测限降低。9

超表面为在亚波长尺度上重构电磁场的振幅、相位和偏振提供了精细可控的几何和对称性自由度，10–15 使其成为产生超手性场和增强手性光学响应的理想平台。金属纳米结构依赖于局域表面等离激元共振来产生强近场增强，从而增加结构周围的 ??。16–18 例如，Hendry等人19使用几何手性金属超表面大幅增强了手性样品有效折射率的差异；García-Guirado等人20以消旋方式排列手性金纳米阵列，在可见光范围内区分了苯丙氨酸对映体。然而，依赖几何手性的设计往往引入强烈的本征背景CD，倾向于掩盖分子响应，因此需要额外的信号分离或消旋实验。21,22 为减轻结构手性引起的背景，已发展出非手性金属架构，其中等离激元共振诱导局部超手性热点以增强分子的CD，例如与黄素核苷酸耦合的金十字阵列实现了超过3个数量级的CD增强，23 以及激发磁共振形成超手性热点、实现约1300倍增强的金属-介质-金属系统。24 尽管取得了这些进展，金属中的吸收损耗和光热效应可能限制实际生物传感。全介质超表面具有低损耗、良好的生物相容性和可编程的电与磁响应控制，25–28 因此在相近频率处可以激发电与磁米共振，并缓解吸收限制。Yao等人29构建了硅纳米立方二聚体，在间隙中形成超手性热点，在可见光范围内将CD增大约八倍；Zhang等人30在类似平台上对苯丙氨酸实验实现了约12倍的增强；Mohammadi等人31设计了穿孔硅柱阵列，激发电偶极（ED）和磁偶极（MD）共振，实现了大约一个数量级的增强。这些以米型为主的模式的品质因子（??）仍然有限，预期进一步提高 ?? 将增加 ?? 并实现在极低浓度下的高灵敏度检测。30,32,33

光学谐振器是实现高??模态的自然途径，但传统的法布里-珀罗腔由两个各向同性且高度对称的反射镜组成，反射时会翻转螺旋度，因此无法维持具有固定手性的稳态。这促使研究者们设计施加受控透射的方案，使反向传播的本征模式保持相同的手性或实现抑制螺旋度反转的非对称透射。Chen等人34在法布里-珀罗腔中实现了非对称透射，获得了约20倍的CD增强；Jia等人35在光子晶体薄膜中引入 ??2 对称性，使得向上和向下传播的本征模式具有相同的螺旋度，实现了 ?? 高达400倍的增长；Dyakov等人36在宏观电动力学框架下分析了手性电磁模式与手性介质之间的强耦合，这些工作共同表明高??模态对于强手性场增强和高信号保真度至关重要。

在高??策略中，辐射被抑制且耦合可控的暗模式是核心关注对象。其中，连续态束缚态（BIC）37–42代表了实现超高??因子的主要途径，而托洛尔偶极暗极化子态43,44通过近场能量约束和辐射背景抑制提供了互补的暗模特性。原则上，BIC可支持极大的??因子，轻微的非对称性破坏或工程化模式干涉可开启有限的辐射通道，同时维持极低的辐射损耗，因此近场保持强大且手性响应变得精确可控。光学暗极化子态源于ED辐射与托洛尔偶极矩（TD）之间的抵消，导致能量强烈集中且辐射背景可忽略不计，有利于低背景放大分子CD。Serrera等人43利用暗极化子态增强了线性和非线性CD。Li等人44报道了全介质超表面，可实现约60倍的平均 ?? 增强，并且可与可重构DNA折纸集成以实现灵敏的手性检测。Rosas等人45将BIC物理与中红外波段的电磁感应透明结合，高灵敏度地检测单层蛋白质。此外，由BIC调控的平面手性超表面35,46可接近1的远场CD，这进一步凸显了高??模态在手性识别中的潜力。需要强调的是，由于暗模在高度对称结构中无法直接激发，实际实现（包括引入轻微结构非对称性、偶极-多极耦合以及近场-远场杂化）是必要的，以便入射波能有效耦合到并驱动原本不可激发的暗态。一旦建立这种受控激发，多个共振可以共存并具有可调谐的工作频率，这将增加分子可及体积内的体积平均 ?? 和信噪比（SNR），从而推进在极低浓度下的高灵敏度检测。在此基础上，保持几何非手性同时提供高??因子、低损耗、强场增强、可编程参数和良好生物相容性的全介质超表面，正成为痕量级手性传感和蛋白质二级结构识别的关键途径。

本研究提出并展示了一种具有超手性近场的高??全介质超表面，作为用于手性分子CD检测以及蛋白质二级结构识别的高灵敏光学探针。该非手性平台支持两种具有不同手性光学响应的共振模式：低??磁偶极导模共振（MD-GMR，模态1）和高??托洛尔偶极准BIC（模态2）。模态1的峰值和微腔平均超手性因子分别为15和6，而模态2分别达到110和62。实验中，该器件实现了??因子为40的MD-GMR和??因子为932的托洛尔偶极准BIC。在对表面硅烷化以实现近单层吸附后，超表面大幅放大了分子的手性光学响应，使得在常规条件下裸分子无法检测的近红外（NIR）区域实现了CD信号检测。两种对映体表现出大小相近、符号相反的CD信号，支持了对映体过量测定的可行性。在近单层吸附条件下，实验观测到的CD响应主要由更稳健的MD-GMR模式主导，这主要是由于实际分子吸附区域与模态1的超手性场具有更强的有效空间重叠。相比之下，高??托洛尔偶极准BIC模式提供了更高的理论增强上限。数值模拟进一步表明，当分子分布有效匹配至中心空气微腔热点时，CD增强因子可达约250倍。对六个具有不同α-螺旋和β-折叠比例的代表性蛋白质的比较测量表明，β-折叠含量较高的样品总体上表现出更大的表面敏感性，从而实现对二级结构类型的有效区分。基于各向同性和各向异性极化率模型的分析阐明了二级结构差异驱动光谱响应的物理机制。这些结果验证了具有超手性场增强的高品质因子超表面在分子手性传感中的可行性和优势，并暗示与微流控、精密纳米定位和单分子操控的集成可进一步提升信噪比并将检测限推向单分子CD读出水平，广泛应用于手性药物筛选、蛋白质构象动力学监测和生物分子相互作用研究。

2. 结果

图1(a)描绘了 fabricated 在二氧化硅衬底上的周期性全介质超表面。每个晶胞是一个带槽的??-Si:H纳米立方体，边长??1=435 nm，高度??=150 nm，在中心处开有边长??2=50 nm的立方体空气微腔。在左旋圆偏振光正入射下，作为波长和晶格周期（??）函数的透射率（??）图谱[如图1(b)所示]显示出两条具有不同行为的清晰可辨的共振分支。对于模态1，共振波长随周期近似线性增加，而线宽基本保持不变，这是表面晶格共振响应的特征，表明该模态受晶格耦合增强的米共振支配。相比之下，在较小晶格周期的近BIC区域内，模态2主要表现为随着周期减小而发生红移，而在较大周期时仅观察到微弱且有限的蓝移。当周期达到460 nm时，透射光谱特征消失（??=1），这表明模态2趋近于一个辐射泄漏可忽略的状态。进一步在该周期下进行的能带结构和??因子分析显示，模态2达到无界的??因子，从而确认了其作为BIC的本质（详见补充材料第1节）。两种共振均对周期具有强烈响应，且每条透射谱中相邻特征之间的间隔超过半高全宽，满足瑞利判据，展现了良好的可调谐性和模式分辨能力。除周期外，其他几何参数也会影响透射率（详见补充材料第1节）。

增大 ??1 或 ?? 会导致红移，而增大 ??2 会诱导蓝移，相比之下，对共振线宽的影响较小。

图 1 下载全尺寸图像。用于手性分子传感的超表面设计与表征。(a) 单元结构示意图，由带有中央空气微腔的 ??-Si:H 纳米立方体组成，其特征参数包括立方体长度 ??1、腔体长度 ??2 和高度 ??，以周期 ?? 的正方形晶格排列在二氧化硅基底上。(b) 不同晶格周期下超表面的透射谱，揭示了两个共振分支（模式 1 和模式 2）。(c)–(f) 周期 ?? 为 470 nm 的超表面模拟。(c) 散射功率谱的多极分解，表明电偶极 (ED)、磁偶极 (MD)、电四极 (EQ)、磁四极 (MQ) 和环偶极 (TD) 的贡献。(d) 超表面在 ??-?? 平面的电场分布和 ??-?? 平面的磁场分布。(e) 左旋圆偏振 (LCP) 激发下对应的透射谱及其 ?? 因子。(f) 空气微腔内体积平均的超手性因子随波长变化，插图显示了选定波长下的近场超手性分布。

为了揭示这两种模式的物理起源，对周期为 470 nm 的超表面进行了散射场的多极分解（详见补充材料第 2 节）。如图 1(c) 所示，位于 765 nm 附近的短波特征对应于模式 1，该模式主要由 MD 贡献主导，而高阶多极子可忽略不计，因此该共振可视为由 MD 激发增强并通过布拉格散射耦合到远场的低阶泄漏态，其中磁场集中在介质的中心区域，而电场保持相对均匀且微弱 [如图 1(d) 所示]。因此，该模式被确定为 MD-GMR（磁偶极广义模式共振）。相比之下，位于 849 nm 附近的长波特征对应于模式 2，该模式表现出尖锐的光谱和高 ?? 因子，几乎完全由 TD 与磁四极 (MQ) 共同主导。电场呈现出环状的位移电流模式，磁场形成局部闭合分布 [如图 1(d) 所示]。在周期性结构提供的强对称性保护下，TD 和高阶 MQ 结合产生了一个强局域化状态，其辐射几乎为零。相应地，该模式被归类为 TD 准 BIC（准束缚态），动量匹配和对称性保护协同作用，在电和磁通道之间打开了干涉路径。?? 因子使用 ??=??0/Δ??FWHM 进行量化，其中 ??0 和 Δ??FWHM 分别表示共振波长和半高全宽。如图 1(e) 所示，模式 2 在 849 nm 处显示出极窄的带宽，?? 值为 1117，远超模式 1 在 768 nm 处的最大 ?? 值 85，并在 LCP 激发下导致截然不同的超手性场分布。RCP 激发显示出相同的光谱轮廓。图 1(f) 中的近场图显示，在圆偏振激发下，超手性场集中在超表面的空气微腔内。对于模式 2，峰值超手性因子达到 110，微腔平均值为 62。相比之下，模式 1 产生的峰值和平均超手性因子分别为 15 和 6。由于入射场手性的反转会导致超手性场手性的切换，这进一步证明了高 ?? 模式在提升 ?? 方面的优势，并表明将分子放置在空气微腔内有望最大化手性耦合和检测灵敏度。

使用电子束光刻和干法刻蚀技术，制备了一系列包含中央空气微腔的 ??-Si:H 超表面，晶格周期范围为 470 至 515 nm（详见补充材料第 3 节）。图 2(a) 中的扫描电子显微镜 (SEM) 图像显示了具有良好形貌保持性的高度有序周期性结构。为了表征光学响应，构建了一个透射测量装置，其中超连续谱激光器（NKT SuperK FIANIUM FIU-6）的输出通过线偏振器和??/4 波片生成手性可控的圆偏振态，随后光束以法向入射照射样品，透射场由 20 倍物镜收集，经直径约 300 μm 的虹膜进行空间滤波，并耦合到光纤中引导至光谱仪（Thorlabs CCS200, Newton, New Jersey, United States），如图 2(b) 所示。不同周期超表面在 LCP 激发下的透射谱如图 2(c) 所示，测量结果与全波模拟高度吻合，尽管由于制造缺陷导致存在微小差异。对于 470 nm 周期，在 780 nm 和 890 nm 附近出现两个显著的透射峰，分别对应于 ??=40 的模式 1 和 ??=932 的模式 2。随着周期增加，线宽变宽，两种模式的 ?? 因子均降低，同时共振波长发生红移。两种模式之间的间隔随后逐渐缩小，这一趋势反映了模式 1 更强的周期敏感性。

图 2 下载全尺寸图像。超表面的制备与光学表征。(a) 制备的超表面的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。(b) 用于测量超表面透射谱的光学装置示意图。(c) 不同晶格周期超表面的透射谱，对比了模拟（左）与实验（右）结果，实验图中的实线表示法诺线型拟合。

为了稳定热点可及纳米体积内的手性分子并最小化溶剂相关的不确定性，使用 3-氨基丙基三乙氧基硅烷 (APTES) 对超表面进行硅烷化功能化，引入氨基配位位点以促进分子吸附，如图 3(a) 所示。然后将等摩尔比、一定质量浓度的 D-色氨酸、L-色氨酸和外消旋 D/L-色氨酸溶液滴铸到功能化样品上，使分子通过物理吸附和化学锚定的结合，在纳米结构周围的可达区域均匀分布。为了评估吸附层的质量和厚度特征，以便与后续的光学分析兼容，使用原子力显微镜 (AFM, Park Systems XE7, Gwacheon, Republic of Korea) 对三个样品进行了表征，它们包括裸超表面、承载小分子色氨酸的超表面和承载蛋白层的超表面，相应的显微图如图 3(b)–3(d) 所示。裸芯片作为形态参考，显示出规则连续的周期性浮雕以及低且稳定的粗糙度轨迹。色氨酸吸附样品由于吸附和部分填充显示出粗糙度降低，尽管单个分子仍低于高度分辨率极限，但表明纳米结构上覆盖大致均匀。蛋白吸附样品中，血蓝蛋白构成了吸附层，呈现出有序颗粒状凸起以及约 20 nm 特征的粗糙度轮廓，与单体尺寸（大小为 15 至 30 nm，分子量为 8000 至 9000 kDa）相匹配，从而表明有效的近单层吸附。在无纳米结构的平面 ??-Si:H 基底上也进一步进行了分子吸附和 AFM 表征，详见补充材料第 4 节。这些观察表明，分子可以在热点可及体积内形成覆盖，这为将光谱响应与近场手性相关联提供了可靠的基础。

图 3 下载全尺寸图像。分子吸附与圆二色性表征。(a) 分子在超表面上吸附的示意图。(b)–(d) 裸超表面 (b)、吸附色氨酸的超表面 (c) 和吸附血蓝蛋白的超表面 (d) 的 AFM 形貌和粗糙度轮廓。(e) 吸附在超表面的色氨酸的圆二色性 (CD) 谱，揭示了可观测的手性光学响应。(f) 水溶液中裸色氨酸的 CD 谱（浓度为 12 μg·mL?1），并将紫外数据的指数拟合外推至可见光和近红外区域（插图）。

这些观察证实，观测到的信号源自分子手性与结构近场的相互作用，而不是器件固有的几何响应。分子在超表面上的有效吸附本质上是复杂的，因为该过程取决于许多因素，包括吸附均匀性、物理吸附和化学锚定的相对贡献、超表面的结构参数以及分子的物理化学性质。目前，通过 AFM 或其他方法精确量化超表面上分子的实际吸附质量仍然具有挑战性，因此，无法建立直接对应于“等质量裸分子样品”基线的校准。即使在相同条件下将分子沉积在平面、非手性 ??-Si:H 膜上，由于缺乏超手性热点，也无法在近红外区域检测到裸分子单层的 CD 信号。出于这些原因，本工作无法报告严格的按质量归一化的增强因子。为了明确裸分子的固有 CD 响应以供参考，在商用旋光光谱仪上记录了水溶液中色氨酸的 CD 谱，浓度调整为吸光度约为 1，对应于 12 μg·mL?1，详见补充材料第 5 节。结果显示在 200 至 300 nm 的紫外区域有显著的手性吸收带 [如图 3(f) 所示]，并从可见光到近红外区域的 CD 接近于零 [如图 3(f) 所示]，证实了裸分子在该波段固有微弱的光学活性。基于超表面的方案与传统比色皿测量之间的比较突显了信号强度和可检测光谱范围上的巨大差异。这些实验结果证实，精心设计的超表面可以将分子级别的弱手性光学信号扩展到常规检测极限之外的光谱区域，并能够以极低的分子负载实现高灵敏度的识别和分析。

使用图 2(b) 中描述的光路和采集条件，对承载不同构型吸附色氨酸的超表面进行了 CD 测量，其中通过旋转四分之一波片来实现 LCP 和 RCP 之间的切换，并记录耦合分子 - 超表面系统的透射信号。然后，将相同浓度的 L-、D- 和 L/D- 色氨酸分子吸附在超表面上，并重复测量以评估分子 - 结构相互作用如何改变光学响应。所有数据均为多次运行的平均值，不确定性以标准偏差报告。CD 信号计算为 CD=arctan((??LCP???RCP)/(??LCP+??RCP))，其中 ??LCP 和 ??RCP 分别表示 LCP 和 RCP 照明下的透射率，30 并进一步转换为等效椭圆率（以毫度 mdeg 表示），以便与传统 CD 谱进行比较。这种基于透射的 CD 代表一种归一化的差分透射量。因此，其符号约定与基于差分吸收定义的传统 CD 不同，而本工作中的所有比较均在相同的 CD 定义下一致进行。图 3(e) 显示了吸附在超表面上的不同构型分子在 750 至 950 nm 范围内的 CD 谱。D- 和 L- 色氨酸的 CD 谱呈现相反符号，而外消旋 D/L 样品的 CD 谱保持在零附近。

为了解释这些观察结果，将吸附的分子建模为覆盖在超表面上的薄手性介质，并进行了全波模拟，结果见图 S5（补充材料），与测量结果大致一致（详见补充材料第 6 节）。实验峰位置与模拟共振之间的差异主要源于制造公差和分子覆盖不均匀。理论和实验均表明，高 ?? 模式 2 并不一定比低 ?? 模式 1 产生更强的 CD 增强，这归因于模式 2 对几何扰动的敏感性高，因为分子吸附引入了亚纳米至纳米尺度的有效尺寸位移，这会失调严格的共振条件并抑制近场能量积累，从而降低 CD 增强。相比之下，模式 1 对这种扰动不太敏感，因此保持稳定的增强水平。

如果手性分子被限制在中央空气微腔中，高Q模式的模式2的圆二色性（CD）增强可达约250倍，并超过模式1，这与其高Q因子及强场局域化一致，表明当几何扰动得到控制且吸附实现良好协同时，高Q模式可显著增加局部光学手性密度并增强分子与手性场之间的耦合。图4：蛋白吸附与表面灵敏度（$S_{surface}$）分析。（a）不同蛋白质的分子量及二级结构组成。（b）分子单层吸附在超表面的示意图。（c）超表面在蛋白质吸附前后的透射光谱。（d）不同蛋白质在超表面上吸附引起的$S_{surface}$。（e）α-螺旋（各向同性）和β-折叠（各向异性）蛋白质层引起的共振位移。超表面上的手性近场增强不仅放大了分子与手性电磁场之间的耦合，还将源于分子构象和取向的细微介电极化率差异转化为可测量的透射共振位移，从而为表征蛋白质二级结构（如α-螺旋和β-折叠）提供了有效手段。为考察二级结构如何影响硅基超表面的手性光学响应，选取了两组代表性分析物[见图4(a)]，其中肌红蛋白、血红蛋白和牛血清白蛋白（BSA）以α-螺旋含量为主，而刀豆蛋白A、β-乳球蛋白和β-淀粉样蛋白则以β-折叠为主。由于分子量跨度较宽（例如BSA约为66 kDa，而β-淀粉样蛋白单体约为4.3 kDa），因此可以对吸附行为和有效表面覆盖率进行有意义的比较。为估算单层负载的量级，在图4(b)所示直径为300 μm的等效采样孔径内采用等效球近似，将每种蛋白质或肽的椭球形映射为体积等效球并计算相应的最大单层覆盖率（详见补充材料第7节，数值汇总于补充材料表S1）。计算得出血红蛋白的理论单层约为701 pg，β-淀粉样蛋白约为101 pg，这些值作为理论上限，因为实际吸附量会因取向约束、静电排斥、表面位点可达性有限以及水化层而降低。吸附分子在超表面附近引入局部介电增量，扰动共振条件并导致光谱峰发生红移，其位移量化为$\Delta\lambda=\lambda_m-\lambda_0$，其中$\lambda_m$和$\lambda_0$分别表示吸附后和吸附前的共振波长。图4(c)展示了六种蛋白质在两种光学模式下于超表面上的位移响应。对于每种蛋白质，均在同一超表面上记录吸附前后的透射光谱。实验表明，所有蛋白质在吸附时均产生显著的共振波长位移信号，但其幅度差异明显。肌红蛋白位移最小（约1 nm），刀豆蛋白A位移最大（可达7 nm），而血红蛋白、BSA、β-淀粉样蛋白和β-乳球蛋白集中在3至4 nm的中间范围。有趣的是，两种光学模式导致不同的分类模式。对于肌红蛋白和刀豆蛋白A，模式1的位移大于模式2；而其他四种蛋白质对高Q模式更敏感，在模式1中的位移小于模式2中的位移。这些趋势具有高度可重复性，并已在重复测量中得到确认（详见补充材料第8节）。由于蛋白质在吸附过程中取向基本随机，且本征折射率相似，$\Delta\lambda$的绝对值本身并不能可靠反映二级结构的差异。图4(c)展示了一组代表性测量数据，用于比较不同蛋白质引起的共振位移。为评估测量的重复性和稳定性，每种蛋白质独立测量三到五次。相应的统计结果和标准差汇总于图4(d)和补充材料图S6。相对较小的变异，通常为数个百分点以内，表明具有良好的重复性和稳定性。为比较不同样品的调控能力，定义表面灵敏度$S_{surface}=\Delta\lambda/D_{eq}$，其中$D_{eq}$为单层假设下的等效厚度，数值见补充材料表S1。图4(d)的结果表明，以$S_{surface}=1$为基准可清晰区分两种结构类别，因为富含β-折叠的样品通常表现出较大的表面灵敏度（$S_{surface}\geq1$），而以α-螺旋为主的样品显示较低值（$S_{surface}<1$）。位移主要由介电响应和光学手性响应的共同效应引起（详见补充材料第9节）。在这些贡献中，蛋白质的手性参数远小于其介电常数，因此相关手性响应对位移仅贡献较小部分。相比之下，由介电增量和电磁场耦合共同决定的介电响应通常主导整体位移趋势。鉴于所有蛋白质的介电常数相似，因此观察到的超表面位移差异主要归因于电磁场耦合的变化，这与蛋白质二级结构的各向同性或各向异性特征密切相关。具体而言，刀豆蛋白A在两种模式中均实现最高灵敏度，这源于其高β-折叠含量以及平面化的空间构象增强了与超表面局部电磁场的耦合。相比之下，尽管BSA分子量更大且富含α-螺旋，但其近各向同性的分子分布削弱了有效耦合并降低了灵敏度。即使是分子量最小的β-淀粉样蛋白肽，其$S_{surface}$也高于分子量更大的α-螺旋主导蛋白质，因为它含有约70%的β-折叠。在α-螺旋组内，螺旋含量相近的情况下，肌红蛋白几乎不含β-折叠，产生最小位移；而血红蛋白和BSA显示相似位移，反映了它们相似的二级结构组成。这些趋势可通过考虑分子几何形状和与局部场的耦合效率来解释，因为β-折叠结构通常采取片状或平面构象，在单层尺度上产生强面内取向有序，增加了偶极矩和多极矩在超表面横向场分量上的投影，增强了耦合和近场扰动；而α-螺旋蛋白质在空间中三维盘绕且更为各向同性，这使吸附取向随机化，平均了有效偶极分量，降低了扰动和灵敏度。此外，采用极化率模型模拟了蛋白质在超表面上吸附的位移行为（详见补充材料第9节）。如图4(e)所示，富含α-螺旋的蛋白质通常采取紧凑球状构象且极化率近乎各向同性，这削弱了它们与超表面主导局部场的耦合，导致较小光谱位移（$\Delta\lambda_1=10.8$ nm和$\Delta\lambda_2=8.1$ nm）。相比之下，富含β-折叠的蛋白质常呈现更扁平或更细长的形状并具有显著各向异性，使其面内极化率与局部场更强烈地对齐，从而产生较大位移（$\Delta\lambda_1=12.2$ nm和$\Delta\lambda_2=11.9$ nm）。这种各向异性增强了有效折射率扰动，从而增大了光谱位移幅度。理论预测的$\Delta\lambda$值高于实验值，这可归因于实验中实现的品质因数较低以及吸附层微结构的影响，包括覆盖率密度、取向分布和本征极化率。与高Q共振具有较高结构灵敏度一致，实验和理论均表明模式1表现出较大的位移。所建立并与测量结果比较的极化率模型为观测到的光谱响应提供了物理解释，这证实了非手性介电超表面能够可重复地区分蛋白质二级结构的光谱，并为无标记鉴别和构象变化监测提供了可靠的物理基础。

**3. 讨论**

大多数先前研究通过沉积数百纳米厚的分子薄膜或引入数十微升体积的溶液池来检测手性光学信号。虽然这些大样品体积有利于定量分析，但它们不可避免地平均化了纳米尺度超手性近场产生的局部增强效应。相比之下，先前的工作报道了将刀豆蛋白A分子旋涂在硅基底上，并基于显示相对致密分子堆积的原子力显微镜图像实现了近单层检测。值得注意的是，超手性热点通常局限于纳米结构附近的区域，如表面、间隙或嵌入式微腔，且其空间范围本质上有限。本研究采用表面吸附策略，促进了分析物与峰值超手性场之间更强的耦合，同时显著减少了所需样品量，从而为迈向单分子水平手性光学检测奠定了重要基础。本研究的一个关键局限在于分子在介电超表面上吸附的复杂性，这取决于许多因素，包括吸附均匀性、物理锚定与化学锚定之间的竞争以及纳米结构的几何参数，因此在严格匹配条件下测量等质量裸分子的CD并报告完全精确的增强因子仍然具有挑战性。即便如此，实验结果表明L-和D-色氨酸在吸附于超表面时产生幅度相当但符号相反的CD响应，证实了手性识别和手性过剩检测的可行性。原子力显微镜表征进一步验证了分子在超表面上的有效吸附，实验成功获取了近红外区域中裸分子在常规条件下无法观测的微量分析物的CD信号，这显著提高了灵敏度和可用光谱范围。手性光学响应通常由纳米结构产生的超手性近场放大。在本设计中，微腔区域支持约60倍的体积平均超手性因子，这为增强光-物质相互作用和放大手性光学信号提供了物理基础。然而，CD增强并非仅由超手性场决定，高Q模式中的分子取向和多极耦合效应也可贡献显著影响。如前所述，测量的和模拟的CD光谱并不总是与体积平均超手性因子的变化同步，且增强的CD可能包含与电偶极矩（ED）密切相关的附加贡献。先前的研究进一步指出，手性光学现象源于高阶电磁相互作用，主要贡献来自电偶极-磁偶极（ED-MD）和电偶极-电四极（ED-EQ）耦合。在各向同性介质中，后者趋于相互抵消。然而，如果吸附分子在超表面上表现出取向有序或各向异性排列，ED-EQ耦合变得不可忽略，并可成为CD增强的重要来源。

表1总结了本工作的关键指标并与具有实验验证的代表性研究进行了比较，从中可以看出该设计在多个性能维度上优于其他方案。与主要依赖电偶极共振的等离子体纳米结构不同，此处采用的全介电超表面可在可见至近红外范围内同时激发电偶极（ED）和磁偶极（MD）共振。当与高Q时间延迟准束缚态发光（准BIC）耦合时，该构型提供了稳健而显著的手性因子增强，实现了峰值和体积平均超手性因子分别为110和62，远高于介电或等离子体系统通常报告的10至30。由于该设计即使在近单层吸附条件下也能产生可检测和可重复的光谱响应，而许多现有实验依赖于数十至数百纳米厚的分子薄膜以确保足够的信号强度，因此该系统在样品用量和适用性方面具有更大的灵活性。数值模拟进一步表明，若利用微流体和纳米定位将目标分子优先分布在中央空气微腔内，使吸附层与超手性热点更有效地重叠，则在保持整体几何不变的理想化条件下，模式2附近的增强可增加至约250倍，这既放大了高Q模式的近场优势，又抑制了背景噪声和非特异性位点干扰（详见补充材料第6节）。这一解释进一步得到了体积平均光学手性密度的空间分辨分析的支持，详见补充材料第10节。在理想条件下，当手性分子主要分布在中央空气微腔内时，模式2的体积平均超手性因子可达约62，显著高于模式1的约6，如图S7(a)所示。

相比之下，对于微腔外的区域，如补充材料中的图 S7(b) 所示，模式 1 的体积平均超手性因子约为 2.9，模式 2 约为 1.8。这一结果表明，当分子主要分布在微腔外时，模式 1 在实际分子占据区域上提供了更高的平均光学手性密度。因此，在本实验中模式 2 未表现出最强增强这一事实，并未否定其优势，而是表明高 Q 值准 BIC 模式的完整潜力只有在分子分布与场轮廓良好匹配时才能实现。

表 1 与分子圆二色性增强代表性实验的比较

| 材料 | 检测波长 | 工作原理 | 超手性因子 | 检测厚度 | 参考文献 |
| :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- |
| 介质纳米谐振器 | 可见光 | 失谐电偶极和磁偶极 | 25^a, 8^b | 200 nm | 50 |
| 纳米等离子体阵列 | 可见光 | 对映体选择性增强 | 7^a | 150 nm | 20 |
| 介质超表面 | 可见光 | 超手性场 | 30^a, 20^b | 50 μm | 30 |
| 平面手性超材料 | 红外 | 超手性场 | 12^a | 90 毫米光程和 9 微升体积 | 19 |
| 介质纳米谐振器 | 可见光 | 超表面和 DNA 折纸 | 60^b | 由 0.1 毫升溶液形成的薄膜 | 44 |
| 扭曲光学超材料 | 可见 - 红外 | 与等离子体的强手性相互作用 | / | 近单层 (10 nm) | 22 |
| 法布里 - 珀罗微腔 | 可见光 | 非对称传输 | / | 100 至 300 nm | 34 |
| 本工作 | 红外 | 超手性场 | 110^a, 62^b | 近单层 | |

“圆二色性增强”值是从实验数据中提取的。
^a 最大超手性因子。
^b 体积平均超手性因子。

该系统不仅支持圆二色性信号的放大，由于强近场的作用，还能在超薄吸附层下区分蛋白质的二级结构。利用高 Q 值模式和强局部场，即使对于非常薄的覆盖层也能产生显著的共振位移，因此归一化表面灵敏度可以实现对不同二级结构类型的可靠区分。这种能力源于准 BIC 结构提供的长寿命共振以及在大体积范围内形成的均匀超手性近场，两者共同平衡了纳米光子学手性传感中的灵敏度和鲁棒性，并为实现高选择性手性传感、分子排序和反应选择性手性场控制的低损耗、低背景介质结构建立了坚实基础。值得注意的是，超手性场的作用不仅仅是引入一个额外的由手性引起的共振位移项。相反，它增强了各向异性分子的电磁响应，从而选择性放大其各向异性特征并提高其在光谱中的可观测性。此外，这种放大效应可以等效解释为对有效分子极化率张量的调制和增强。

4. 结论

本工作提供了数值和实验证据，表明由空气微腔纳米立方体组成的非手性周期超表面能显著增强分子圆二色性，并实现蛋白质二级结构的区分。该平台在增强局部手性（C）方面表现出卓越性能，由于高效激发的高 Q 值模式，理论峰值增强达到约 110 倍，体积平均增强达到约 62 倍。实验上，观察到 Q 值为 40 的 MD-GMR 和 Q 值为 932 的 TD 准 BIC。经过表面硅烷化实现近单层吸附后，即使在皮克级数量下，系统也能产生稳定且可检测的光谱响应。该超表面在近红外区域实现了清晰且可区分的分子圆二色性，而在传统条件下，裸分子在该光谱区域无法被检测。此外，对映体表现出幅度相当但符号相反的圆二色性信号，证实了对映体识别和对映体过量检测的可行性。数值模拟进一步揭示，在理想条件下，圆二色性增强因子可达约 250 倍，这突出了当分子 - 场重叠优化时高 Q 值模式的增强潜力，而非意味着在任意吸附配置下具有普遍优越性。需要注意的是，这种由高 Q 值引起的增强代表了一个可实现的极限。然而，在当前的表面吸附实验条件下，观察到的圆二色性响应主要受更为鲁棒的低 Q 值 MD-GMR 模式主导。对六种具有不同α-螺旋和β-折叠含量的蛋白质进行比较表明，以β-折叠结构为主的样品表现出更高的表面灵敏度，这使得能够有效区分二级结构类型。通过结合同向和各向异性极化率模型，提供了一种与实验结果一致的物理解释，这确立了高 Q 值手性增强平台在分子手性检测中的可行性和优势。展望未来，将高 Q 值超表面与微流控和纳米定位技术结合，可以将分子引导至空气微腔区域，以实现更强的场 - 分子耦合和更大的增强，而增加光学镊子或单分子操纵技术可以将单分子或小分子团定位在热点处，从而实现单分子手性信号检测，支持蛋白质构象的动态监测。因此，该平台有望在基础层面推进单分子手性研究，并为手性药物筛选、蛋白质结构动力学和生物分子相互作用分析提供一种多功能且高灵敏度的检测方法。

5. 附录：方法

5.1. 超表面清洁程序
超表面在多个实验中被重复使用。每个蛋白质吸附和测量周期后，样品先在生理盐水中浸泡 20 分钟，然后浸入十二烷基硫酸钠溶液中 30 分钟，每一步之后均用无酶无菌水彻底冲洗。最后，样品在 100 W 功率下经氧等离子体清洁器处理 3 分钟，以去除任何残留的有机物。

5.2. 手性材料溶液
所有手性溶液均在磷酸盐缓冲液（PBS，pH 7.4）中以 1 mg/mL 的浓度配制。

5.3. 蛋白质吸附程序
清洁后立即将超表面浸入 2% 的 APTES 溶液中，在干燥且通风良好的环境中室温处理 30 分钟。然后用无水乙醇冲洗样品，接着用去离子水冲洗，并在氮气流下干燥。滴加蛋白质溶液以覆盖整个超表面区域，并在室温下孵育以允许自发吸附，同时轻轻搅拌以促进结合。孵育后，通过倾斜去除未结合溶液，并用 PBS 冲洗样品三次，最后用去离子水快速冲洗一次，然后用氮气干燥。每个蛋白质吸附实验均重复此程序。