注：文末有研究团队简介及本文作者科研思路分析
手性超材料纳米传感一直是近年来的热门研究，其有效地提高了手性物质在定性和定量的检测能力，但高灵敏度传感结构的制备稳定性还需要进一步探索。近日，重庆大学的艾斌团队提出了一种基于Born-Kuhn理论的2.5D 手性超材料纳米孔结构，该结构具有高灵敏响应。
该研究团队创新性地采用阴影球光刻技术制备了包含Born-Kuhn等离子体机理的2.5D手性超材料，形成三层旋转的Ag/SiO2/Au纳米孔阵列。该结构通过等离激元共振增强手性光学响应，实现超高不对称因子（g = 0.6）和圆二色性与厚度比（CD/t = 67°/μm）。结合机器学习优化几何参数，精准调控光学性能，并通过实验验证，显著提升手性超材料的设计效率与性能上限。所得纳米结构表现出显著的手性光学活性，可实现高灵敏度的沙利度胺对映体无标记检测。所提出的2.5D结构突破了传统2D、3D、Born-Kuhn模型的局限性，兼具制备简易、低成本和高性能等优势。
图1. a）3RHA设计和制造过程：紧密六方堆积的 PS 球经过刻蚀得到目标直径的微球阵列，以不同的入射角和方位角进行 Ag、SiO2 和 Au 的三次连续沉积，得到3RHA薄膜的逆时针和顺时针的镜像结构；b）2D、2.5D、3D CMs结构的类别示意图
同时，采用二范数降维技术进行全谱信号处理，显著提升ΔΔλ特征提取能力，实现了对手性沙利度胺对映体的高灵敏度和高稳定性检测，为手性传感技术的实际应用提供了突破性解决方案。这种可扩展且精确的方法显著推动了Born-Kuhn型手性超材料的进步，为超薄、高性能手性光子和传感器件提供了一个实用平台。
图2. 实验制备3RHA的手性分析：a）SEM图（例尺为200 nm），插图为电场|∆E/E0|分布，b）实验的CD和不对称g因子光谱，c）比较仿真和实验中3RHA与已有研究关于2D、3D、BK模型CMs的CD/t响应，d）手性对映异构体作用于结构、偏振器-CCD光谱仪系统检测、ΔΔλ和L2（ΔΔλ）两种光谱分析方法，e）LH-和RH-结构的CD光谱，f）对比LH-和RH-结构有和没有R-Thd时的CD谱图，g）R-Thd和S-Thd的ΔΔλ和L2（ΔΔλ）对比图
这一成果近期发表在Advanced Optical Materials 上，文章的第一作者是重庆大学博士研究生陈心怡。
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Born–Kuhn-Driven 2.5D Chiral Metamaterials
Xinyi Chen, Jinglan Zhang, Mingyu Cheng, Yuxia Wang, Qian Zhang, Yongxin Zhang, Xu Ye, and Bin Ai
Adv. Opt. Mater., 2025, DOI: 10.1002/adom.202501329
艾斌博士简介
艾斌，重庆大学“百人计划”特聘研究员，智能感知与多模态信息处理重庆市重点实验室副主任，重庆大学小米青年学者，博（硕）士生导师。于2011年获吉林大学化学学士学位。随后加入吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室张刚教授团队，于2016年获高分子化学和物理学博士学位。后分别在在佐治亚大学物理与天文学系和德克萨斯A&M大学航空航天工程系进行博士后研究。迄今已在包括Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Small、Chemistry of Materials及ACS Sensors在内的知名SCI期刊发表论文60余篇。五篇论文被选为封面文章，三篇文章成为月度或年度热点文章。相关工作被搜狐科技、Nanowerk等国内外媒体报道，并已获得9项中国发明专利授权。主持国家自然科学基金和重庆市自然科学基金等项目。是Advanced Materials、Advanced Functional Materials等知名期刊审稿人。担任国际期刊Discover Nano、AI+、International Journal of Smart and Nano Materials、Nanoscience & Nanotechnology-Asia和Advances in Materials编委。
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科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：本研究起源于对手性纳米孔传感器性能提升的需求。传统基于阴影球光刻技术制备的纳米孔结构虽然具备制备简易、成本低廉和超薄特性等优势，但在手性超材料检测中的灵敏度仍有待提高。为此，我们创新性地提出Ag/SiO2/Au复合结构设计，通过引入SiO2介质层调控等离激元共振效应，显著增强了圆二色性响应和电磁场局域化能力。该设计巧妙融合了2D结构的制备优势与3D、Born-Kuhn模型的光学特性，最终实现了兼具高灵敏度、超薄厚度（100nm）、低成本及易集成化的新一代传感器，为手性物质的精准检测提供了突破性解决方案。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：本项目的研究挑战主要体现在多学科交叉的技术整合层面。在结构优化阶段，纳米级参数的精确调控需要平衡电磁增强效应与制备可行性，我们通过建立参数化仿真模型，显著提升了优化效率。最核心的挑战在于跨学科协作——材料合成需要精确控制SiO2介电层厚度，物理仿真需构建多尺度电磁模型，而信号处理则涉及机器学习算法的优化。为此我们建立了"设计-制备-测试"的闭环研发流程，通过多技术研究员的沟通和合作确保各环节无缝衔接，最终实现了从理论设计到传感制备的全链条突破。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：本成果改善了手性检测领域的高成本与低灵敏度难题，具有广阔的应用前景。在制药行业，该技术有望实现手性药物分子立体构型的快速鉴别；在科研领域，其亚波长尺度下的电磁场增强特性为分子手性光学研究提供了新思路。值得关注的是，该传感器制备工艺有望集成到现有微流控平台，对食品安全检测、环境污染监测等需要现场快速检测的场景具有深远意义。
