传统太赫兹时域光谱系统仅依赖线偏振，无法获取生物分子的手性信息，而手性信息在食品与制药行业的生物医学分析中至关重要。针对这一瓶颈，南开大学吴强教授、范飞教授、齐继伟副教授、Yao Lu团队提出了一种名为"太赫兹本征模式-指纹手性光谱"（TEFCS）的新技术。团队设计了非手性梯度超表面（AGM）平台，通过优化宽带AGM共振与生物分子手性声子之间的光谱重叠，显著增强太赫兹手性声子信号及其本征圆二色光谱，并利用各向异性耦合振子理论揭示了增强的光子-声子耦合机制，最终实现了对异质手性生物分子混合物在组分、手性及比例上的明确分辨，并大幅提升了检测灵敏度。研究成果于2026年4月8日发表于《Advanced Materials》。
关键词： 太赫兹；圆二色光谱；手性声子；非手性梯度超表面；TEFCS；生物分子混合物
一、研究背景：太赫兹手性检测的核心瓶颈
手性分子与其镜像对映体在生物体中常表现出显著不同的功能。例如，药物分子的不同手性构型可能具有完全不同的药理活性或毒性。因此，对生物分子手性信息的准确识别，是食品检测、药物质量控制与生物医学分析中的关键需求。
太赫兹波段（0.1--10 THz）与生物分子集体振动、转动模式高度匹配，可激发具有手性特征的"手性声子"，理论上能够提供本征手性指纹。然而，传统太赫兹时域光谱系统主要依赖线偏振探测，无法直接获取圆二色（CD）信息。同时，太赫兹本征手性声子信号通常极弱，传统方法难以在复杂体系中实现高灵敏分辨。
已有研究尝试利用手性超表面增强太赫兹CD信号，但超表面自身的手性结构会引入背景CD响应，导致测得信号中混入传感器本征贡献，需要复杂后处理才能提取分子信息。因此，如何在增强手性信号的同时保持本征性与低背景，成为该领域的关键挑战。
二、技术思路：非手性梯度超表面与TEFCS
针对上述问题，研究团队提出TEFCS技术，并构建了非手性梯度超表面（AGM）平台。其核心设计逻辑可概括为三点：
1、非手性结构降低背景干扰
AGM采用非手性金属单元设计，在正常入射条件下不产生自身CD背景，使测得的圆二色信号主要来源于生物分子本征手性声子。
2、梯度结构提供宽带共振
通过在超表面中引入几何参数梯度，形成宽频段、多频点的电磁共振响应，从而与不同生物分子的手性声子模式实现光谱重叠。
3、宽带共振增强光子-声子耦合
当AGM共振与分子手性声子模式匹配时，二者发生强耦合，显著放大太赫兹手性声子信号及其本征CD光谱，提高检测灵敏度。
在理论层面，团队采用各向异性耦合振子理论描述超表面共振与分子手性声子之间的耦合行为，揭示了增强的光子-声子耦合机制，为实验现象提供了物理支撑。
三、实验与结果：从单一分子到混合物分辨
图1：TEFCS方法原理
图1展示了用于手性生物分子的宽带TEFCS方法原理，包括AGM结构设计、太赫兹波与手性声子耦合过程，以及本征CD光谱的获取路径。
图2：手性生物分子圆二色谱的物理模型与实验验证
图2给出了手性生物分子CD的物理模型与实验验证结果，证明AGM平台能够有效提取与手性声子相关的本征CD响应。
图3：使用AGMs对多种手性生物分子获得的灵敏TEFCS结果
图3显示，AGM平台对多种手性生物分子均能获得灵敏的TEFCS信号。不同分子的本征手性声子模式在频率、线型与强度上存在差异，可用于分子类型识别；对映体则表现出相反的CD符号或线型，可用于手性方向判别。
图4：用于分辨混合分析物的AGM系统
图4展示了AGM系统在混合分析物中的分辨能力。对于异质手性生物分子混合物，TEFCS能够同时读出组分、手性及比例信息，实现混合物层面的明确分辨。
图5：高灵敏度的AGM传感器
图5进一步展示了高灵敏度AGM传感器的性能。通过优化宽带AGM共振与手性声子光谱重叠，平台显著增强了太赫兹手性声子信号与本征CD光谱，大幅提升了检测灵敏度。
四、机制解读：宽带共振与光子-声子耦合
该工作提出了一种基于非手性梯度超表面的太赫兹本征模式-指纹圆二色光谱方法，解决了传统太赫兹时域光谱手性信息缺失、本征CD信号微弱以及手性超表面背景干扰等问题。TEFCS技术实现了对异质手性生物分子混合物在组分、手性和比例上的明确分辨，为太赫兹手性光谱在生物医学分析、食品检测和制药质控中的应用提供了新范式。
未来，该平台在复杂真实样品分析、超表面加工一致性、系统集成与小型化等方面仍需进一步研究。但其"非手性增强 + 本征指纹 + 宽带耦合"的技术路径，已展现出重要的方法学价值与应用潜力。