近日，Science Advances（《科学进展》）在线发表了武汉大学物理科学与技术学院丁涛教授课题组在非线性手性光学传感领域取得突破性进展。

论文题目为“Ultrasensitive chiral detection by nonlinear chiroptics in spiral plasmonic metastructures surpasses linear limits”（《基于螺旋等离激元超结构的非线性手性光学超灵敏手性检测超越线性极限》）。武汉大学博士研究生谭涌为第一作者、武汉大学博士研究生程宇峰为并列第一作者，丁涛为论文通讯作者，武汉大学为论文第一署名和通讯单位。该论文还得到物理学院刘晓泽教授、俄亥俄大学的Alexander Govorov教授以及意大利技术研究院胡华天博士的大力支持。

手性分子对映体的精准识别在药物研发、临床诊断和生物分析等领域至关重要。然而，手性分子与手性光的相互作用通常十分微弱，这使得常规手性光学信号较弱，导致对映体区分长期依赖繁琐的色谱分离与昂贵的手性色谱柱，检测灵敏度有限且耗时较长，难以满足痕量手性物质高灵敏、快速分析的实际需求。

由于表面对称性破缺导致的非线性信号是固有的相干过程，与吸附物种直接相关，具有良好的定量性和重现性。同时，非线性过程中的倍频信号能够抑制荧光背景，并可获取线性手性光谱难以反映的分子构象信息。然而，受制于非线性效率低，电磁场增强弱和光学超手性场等因素，现有手性等离激元结构的手性非线性效应普遍较弱，很难实现稳定灵敏的手性分子传感。

丁涛课题组在前期手性螺旋超结构制备（Nat. Commun. 2023, 14, 1422; PNAS, 2023, 120(12), e2216627120）的基础上，设计并调控得到一种兼顾高手性不对称度和高非线性效率的螺旋微柱结构（图1a），并利用圆偏二次谐波差分变化量（ΔCP_SHG）实现手性分子的非线性手性光学传感（图1b）, 对苯丙氨酸以及大分子手性蛋白BSA表现出良好的检测灵敏度，非线性检测限（LoD_NL）可达11 pM（图1c），其传感品质因子可达~3260 /μM，远高于传统线性手性光学传感器（图1d）。

这种非线性手性传感器的另一个优点是能够直接在外消旋混合物中选择性地检测特定的对映体，而不需要进行初步的色谱分离（图1e）。该平台为手性分析领域开辟了有前景的新方向，推动了下一代具有高灵敏度和对映体选择性生化分析器件的发展。

（a）手性螺旋超结构和非线性手性分子检测示意图;（b）圆偏二次谐波差分变化量（ΔCP_SHG）的定义；（c）手性苯丙氨酸（D/L-PA）和牛血清蛋白（BSA）的圆偏二次谐波差分变化量与浓度变化的关系图；（d）与传统线性手性光学传感器的传感品质因子对比图；（e）苯丙氨酸外消旋体的圆偏二次谐波差分光谱与不同比例的关系图。