CN218212623U - 一种基于超表面的手性分子检测装置 - Google Patents

一种基于超表面的手性分子检测装置 Download PDF

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陈建发
郝成龙
谭凤泽
朱健
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Abstract

本申请提供了一种基于超表面的手性分子检测装置，光源模块发出的两个光束经过偏振模块后，分别被调制为具有第一偏振态的圆偏振光和具有第二偏振态的圆偏振光，可以同时进行两种偏振态的圆偏振光对样品手性溶液的手性检测，手性分子检测装置的检测元件只有偏振模块和第一/第二手性超表面，并未使用大量传统的光学元件，使得检测光路结构简单，降低了手性分子检测装置的体积，提高手性分子检测装置的便携性；而且，可通过一次检测即可获得手性生物分子样品溶液的第一/第二光强，提高了分子手性的检测效率。

Description

一种基于超表面的手性分子检测装置
技术领域
本申请涉及超表面应用技术领域，具体而言，涉及一种基于超表面的手性分子检测装置。
背景技术
目前，对组成药物的手性分子进行手性检测具有重大研究意义，一种常见的检测方法是检测左旋圆偏振光和右旋圆偏振光经过手性分子后透射率的差异大小，即圆二色性(Circular Dichroism,CD)，以判断分子手性的强弱。然而，使用上述检测方法的手性分子检测系统中包含大量传统的光学元件，光路复杂，体积庞大，不便于携带。
实用新型内容
为解决上述问题，本申请实施例的目的在于提供一种基于超表面的手性分子检测装置。
第一方面，本申请实施例提供了一种基于超表面的手性分子检测装置，包括：光源模块、偏振模块、第一样品皿、第二样品皿、第一手性超表面、第二手性超表面和探测模块；
所述第一样品皿和所述第二样品皿并排设置在所述偏振模块远离所述光源模块的一侧，所述第一样品皿和所述第二样品皿中分别装有同种待测的手性生物分子样品溶液；
所述第一手性超表面设置于所述第一样品皿的底部，所述第二手性超表面设置于所述第二样品皿的底部；
所述第一手性超表面的手性与所述第二手性超表面的手性不同；
所述探测模块，设置在所述第一手性超表面和所述第二手性超表面的底部；
所述光源模块发出的两个光束经过所述偏振模块后，分别被调制为具有第一偏振态的圆偏振光和具有第二偏振态的圆偏振光；
所述具有第一偏振态的圆偏振光，分别透过所述第一样品皿中的手性生物分子样品溶液和第一手性超表面后，形成第一探测光束入射到所述探测模块；
所述具有第二偏振态的圆偏振光，分别透过所述第二样品皿中的手性生物分子样品溶液和第二手性超表面后，形成第二探测光束入射到所述探测模块；
所述探测模块，接收入射的所述第一探测光束，并探测接收的所述第一探测光束的第一光强，同时接收入射的第二探测光束，并探测接收的所述第二探测光束的第二光强，其中，所述第一光强和所述第二光强是不同的光强。
本申请实施例上述第一方面提供的方案中，在基于超表面的手性分子检测装置中，光源模块发出的两个光束经过偏振模块后，分别被调制为具有第一偏振态的圆偏振光和具有第二偏振态的圆偏振光，可以同时进行两种偏振态的圆偏振光对样品手性溶液的手性检测，与相关技术中手性分子检测系统中包含大量传统的光学元件的方式相比，手性分子检测装置的检测元件只有偏振模块和第一/第二手性超表面，并未使用大量传统的光学元件，使得检测光路结构简单，降低了手性分子检测装置的体积，提高手性分子检测装置的便携性；而且，可通过一次检测即可获得手性生物分子样品溶液的第一/第二光强，提高了分子手性的检测效率；再者，第一/第二手性超表面的存在可增强手性生物分子样品溶液与和其手性所匹配的左旋或右旋圆偏振光的相互作用，并以较明显的光强吸收差异实现手性生物分子样品溶液的检测，提高了检测灵敏度，克服了传统手性分子检测系统光学响应强度低的缺陷。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本申请实施例所提供的一种基于超表面的手性分子检测装置的结构示意图；
图2示出了本申请实施例所提供的透射式超表面示意图；
图3示出了本申请实施例所提供的一种第一手性超表面和第二手性超表面的结构示意图；
图4示出了本申请实施例所提供的另一种第一手性超表面和第二手性超表面的结构示意图；
图5示出了本申请实施例所提供的利用图4所示的第一手性超表面和第二手性超表面进行手性生物分子样品溶液的手性检测的检测结果示意图。
图标：100、第一样品皿；102、第二样品皿；104、第一手性超表面；106、第二手性超表面；108、光源；110、光纤分路器；112、起偏器；114、第一四分之一波片；116、第二四分之一波片；118、第一探测器；120、第二探测器；122、底座；124、侧边支架；126、中间支架；300、纳米结构；302、基底。
具体实施方式
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
手性指的是物体的镜像不能与自身重合的物理特性。在生物分子中，一种手性的分子与其镜像结构分子互为对映异构体(可区分为左手分子和右手分子)，虽然它们的化学成分相同，但是在人体内代谢或生物化学反应中却存在截然不同的性质，且许多高效手性药物的另一种对映异构体存在生物毒性。因此，对组成药物的手性分子进行手性检测具有重大研究意义，常见的检测方法是检测左旋圆偏振光和右旋圆偏振光经过手性分子后透射率的差异大小，即圆二色性(Circular Dichroism,CD)，以判断分子手性的强弱。
相关技术中，使用上述检测方法的检测系统中包含大量传统光学元件，光路复杂，体积庞大，不便于携带，同时该系统对激光的准直要求较严格，检测过程中操作要求高，不方便使用，存在检测效率低的问题。另外，由于手性分子的光学响应较低，圆二色性的数值较小(10-3量级)，所以检测灵敏度低。
基于此，本申请实施例提出一种基于超表面的手性分子检测装置，基于光纤分路器和手性超表面，避免光路准直上的不便，实现光学元件的紧凑，便于使用和携带，提高检测效率，而且使用手性超表面对分子手性信号进行增强，以提高手性分子检测装置的检测灵敏度。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对本申请做进一步详细的说明。
实施例
参见图1所示的一种基于超表面的手性分子检测装置的结构示意图，包括：光源模块、偏振模块、第一样品皿100、第二样品皿102、第一手性超表面104、第二手性超表面106和探测模块。
具体地，所述光源模块，包括：光源108和光纤分路器110。
所述光纤分路器，将光源发出的光束分为两个光束；所述光源发出的光束，为具有预设工作波段的光束。
所述预设工作波段，包括：可见光波段或者近红外波段。
具体地，所述光纤分路器，具有一个输入端和两个输出端；所述光纤分路器的输入端与所述光源耦合；所述光纤分路器的两个输出端分别将两个光束输出。
在一个实施方式中，所述光纤分路器输出的两个光束的光强比为1:1，即两个光束的光强相同。
所述光源，可以采用能够发出可见光波段光束或者近红外波段光束的光谱仪；或者，所述光源还可以采用发射单波长光束的激光器，但激光器的出射光的波长需要与第一手性超表面和第二手性超表面的响应波长匹配。
所述第一样品皿和所述第二样品皿并排设置在所述偏振模块远离所述光源模块的一侧，所述第一样品皿和所述第二样品皿中分别装有具有同种待测的手性生物分子样品溶液。
其中，所述手性生物分子样品溶液，具有左手手性或者右手手性。
所述第一手性超表面设置于所述第一样品皿的底部，所述第二手性超表面设置于所述第二样品皿的底部。
所述第一手性超表面的手性与所述第二手性超表面的手性不同。
若所述第一手性超表面具有左手手性时，则所述第二手性超表面具有右手手性。
若所述第一手性超表面具有右手手性时，则所述第二手性超表面具有左手手性。
所述探测模块，设置在所述第一手性超表面和所述第二手性超表面的底部。
所述光源模块发出的两个光束经过所述偏振模块后，分别被调制为具有第一偏振态的圆偏振光和具有第二偏振态的圆偏振光。
若所述具有第一偏振态的圆偏振光为左旋圆偏振光时，则所述具有第二偏振态的圆偏振光为右旋圆偏振光。
若所述具有第一偏振态的圆偏振光为右旋圆偏振光时，则所述具有第二偏振态的圆偏振光为左旋圆偏振光。
为了得到具有不同偏振特性的圆偏振光，具体地，所述偏振模块，包括：起偏器112、第一四分之一波片114和第二四分之一波片116。
这里，所述起偏器为线偏振片。
所述第一四分之一波片放置在所述第一样品皿上，所述第二四分之一波片放置在所述第二样品皿上；所述起偏器放置在所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片上。
为了把两个光束调制成具有不同偏振特性的圆偏振光，所述起偏器与所述第一四分之一波片快轴的夹角为第一角度；所述起偏器与所述第二四分之一波片快轴的夹角为第二角度。
两个所述光束经过起偏器后，分别被调制为两个线偏振光。
所述两个线偏振光中经过所述第一四分之一波片的线偏振光被偏振调制为具有第一偏振态的圆偏振光，所述两个线偏振光中经过所述第二四分之一波片的线偏振光被偏振调制为具有第二偏振态的圆偏振光。
在一个实施方式中，所述第一角度是45度；所述第二角度是-45度。那么，在所述第一角度是45度且所述第二角度是-45度的情况下，所述具有第一偏振态的圆偏振光是左旋圆偏振光；所述具有第二偏振态的圆偏振光是右旋圆偏振光。
所述具有第一偏振态的圆偏振光，分别透过所述第一样品皿中的手性生物分子样品溶液和第一手性超表面后，形成第一探测光束入射到所述探测模块。
所述具有第二偏振态的圆偏振光，分别透过所述第二样品皿中的手性生物分子样品溶液和第二手性超表面后，形成第二探测光束入射到所述探测模块。
所述探测模块，接收入射的所述第一探测光束，并探测接收的所述第一探测光束的第一光强，同时接收入射的第二探测光束，并探测接收的所述第二探测光束的第二光强，其中，所述第一光强和所述第二光强是不同的光强。
为了探测所述具有第一偏振态的圆偏振光的第一光强和所述具有第二偏振态的圆偏振光的第二光强，所述探测模块，包括：第一探测器118和第二探测器120。
所述第一探测器设置在所述第一手性超表面的底部，接收入射的所述第一探测光束。
所述第二探测器设置在所述第二手性超表面的底部，接收入射的所述第二探测光束。
由于所述光纤分路器输出的两个光束的光强比为1:1，所以所述具有第一偏振态的圆偏振光和所述具有第二偏振态的圆偏振光的光强也是1：1。
为了对基于超表面的手性分子检测装置内的上述部件进行支撑和保护，本实施例提出的基于超表面的手性分子检测装置，还包括：底座122、侧边支架124和中间支架126。
所述底座设置在所述第一探测器和所述第二探测器的底部；所述侧边支架分别固定在所述底座的两侧；所述中间支架固定在所述起偏器和所述探测模块之间。
所述第一四分之一波片、所述第一样品皿、所述第一手性超表面、和所述第一探测器位于所述中间支架的一侧，所述第二四分之一波片、所述第二样品皿和所述第二手性超表面和所述第二探测器位于所述中间支架的另一侧。
在一个实施方式中，所述侧边支架和所述中间支架均为不透光支架。所述底座为不透光底座。
通过所述底座对基于超表面的手性分子检测装置内的内部部件起到支撑作用，所述侧边支架对基于超表面的手性分子检测装置内的上述部件起到了侧向固定作用；而且，由于底座为不透光底座、所述侧边支架和所述中间支架均为不透光支架，可以阻挡手性分子检测装置之外的杂光入射到手性分子检测装置中，提高手性分子检测装置进行手性检测的准确度；而设置在所述第一四分之一波片、所述第一样品皿、所述第一手性超表面和所述第一探测器与所述第二四分之一波片、所述第二样品皿和所述第二手性超表面和所述第二探测器之间的所述中间支架，可以避免具有第一偏振态的圆偏振光和具有第二偏振态的圆偏振光在检测过程中产生串扰，进一步提高手性分子检测装置进行手性检测的准确度。
参见图2所示的透射式超表面示意图，参见图3和图4所示的第一手性超表面和第二手性超表面的结构示意图，所述第一手性超表面和所述第二手性超表面，为透射式超表面，分别包括：基底302和多个超结构单元。如图3和图4所示，所述第一手性超表面和所述第二手性超表面分别包括四个超结构单元。
图3和图4所示的第一手性超表面和第二手性超表面仅为示意，实际应用过程中第一手性超表面和第二手性超表面应包括更多的超结构单元。这里不再赘述。
所述多个超结构单元中的各超结构单元，分别包括：排布在所述基底上的多个纳米结构300。
所述基底为能够透过所述预设工作波段内光束的透明基底。
如图3和图4所示，所述第一手性超表面的超结构单元中的纳米结构的排布方式与所述第二手性超表面的超结构单元中的纳米结构的排布方式互为镜像。使得所述第一手性超表面与所述第二手性超表面的手性不同。
具体地，所述纳米结构为偏振敏感结构，而且呈周期性排布，排布周期为400纳米(nm)～800nm，可选材料包括：金、银和铜等金属材料，或硅、氮化硅等非金属材料。第一手性超表面和第二手性超表面对两种圆偏振光透射率之间的差值越大，表明第一手性超表面自身和第二手性超表面自身的手性越强。
在完成对所述第一手性超表面与所述第二手性超表面的介绍后，继续对本实施例提出的手性分子检测装置是如何通过具有不同偏振特性的圆偏振光对手性生物分子样品溶液的手性实施检测的过程进行描述。
具有第一偏振特性的圆偏振光/具有第二偏振特性的圆偏振光照射到手性生物分子样品溶液后，将与手性生物分子样品溶液中的分子进行相互作用，产生电磁场，但由于手性生物分子样品溶液中的分子自身的手性较弱且与上述圆偏振光的相互作用也较弱，产生的电磁场不强，导致直接通过上述圆偏振光难以对手性生物分子样品溶液的手性进行检测。但当该手性生物分子样品溶液中的分子处于具有同种手性的手性超表面附近时，该手性生物分子样品溶液产生的电磁场将与该手性生物分子样品溶液具有同种手性的手性超表面进行强烈的电磁耦合，并通过该手性超表面的激元共振效应(对于由金属制备的手性超表面则为局域表面等离激元效应)实现电磁场的电场强度和磁场强度的提升，从而能够使处于具有同种手性的手性超表面附近的手性生物分子样品溶液产生电场强度和磁场强度更大、手性更强的电磁场。
那么，当所述手性生物分子样品溶液的手性与所述第一手性超表面的手性相同且所述手性生物分子样品溶液的手性与所述第二手性超表面的手性不同时，所述第一样品皿中的手性生物分子样品溶液被所述第一手性超表面激发后产生具有第一电场强度和第一磁场强度的电磁场；所述第二样品皿中的手性生物分子样品溶液未被所述第二手性超表面激发，产生具有第二电场强度和第二磁场强度的电磁场，其中，所述第一磁场强度大于所述第二磁场强度；所述第一电场强度大于所述第二电场强度。
当所述具有第一偏振态的圆偏振光的偏振特性与所述手性生物分子样品溶液的手性匹配且所述具有第二偏振态的圆偏振光的偏振特性与所述手性生物分子样品溶液的手性不匹配时，所述具有第一偏振态的圆偏振光透过所述第一样品皿中的手性生物分子样品溶液时，与所述第一样品皿中的手性生物分子样品溶液相互作用，所述第一样品皿中的手性生物分子样品溶液利用所产生的具有第一电场强度和第一磁场强度的电磁场对所述具有第一偏振态的圆偏振光的光能量进行吸收，未被所述第一样品皿中的手性生物分子样品溶液吸收的具有第一偏振态的圆偏振光透过所述第一样品皿后，经过所述第一手性超表面透射后形成第一探测光束入射到所述探测模块。
所述具有第二偏振态的圆偏振光透过所述第二样品皿中的手性生物分子样品溶液时，与所述第二样品皿中的手性生物分子样品溶液相互作用，所述第二样品皿中的手性生物分子样品溶液利用所产生的具有第二电场强度和第二磁场强度的电磁场对所述具有第二偏振态的圆偏振光的光能量进行吸收，未被所述第二样品皿中的手性生物分子样品溶液吸收的具有第二偏振态的圆偏振光透过所述第二样品皿后，经过所述第二手性超表面透射后形成第二探测光束入射到所述探测模块。
当所述手性生物分子样品溶液的手性与所述第二手性超表面的手性相同、所述手性生物分子样品溶液的手性与所述第一手性超表面的手性不同、且所述具有第二偏振态的圆偏振光的偏振特性与所述手性生物分子样品溶液的手性匹配且所述具有第一偏振态的圆偏振光的偏振特性与所述手性生物分子样品溶液的手性不匹配时的具体手性探测过程与上面的过程类似，这里不再赘述。
通过以上手性探测过程可以看出，手性生物分子样品溶液产生更强的电磁场将导致手性生物分子样品溶液中的分子对入射的圆偏振光的光能量具有更强的吸收。因此，在手性生物分子样品溶液与第一手性超表面具有相同手性的情况下，可以增强手性生物分子样品溶液中的分子与入射的圆偏振光的相互作用，在光学响应上表现为手性生物分子样品溶液中的分子对光能量吸收的增大，进而可以提高本实施例提出的手性分子检测装置的检测灵敏度。另外，当手性超表面的手性越强时，对具有相同手性的手性生物分子样品溶液产生的电磁场的增强程度就越大，使得检测灵敏度越高。
未被所述第一样品皿中的手性生物分子样品溶液吸收的具有第一偏振态的圆偏振光在透过所述第一样品皿后且入射到第一探测器之前，会经过第一手性超表面；同时未被所述第二样品皿中的手性生物分子样品溶液吸收的具有第二偏振态的圆偏振光透过所述第二样品皿后且入射到第二探测器之前，会经过第二手性超表面。
值得一提的是，所述第一手性超表面对偏振特性与第一手性超表面的手性匹配的圆偏振光具有高透射率；所述第二手性超表面对偏振特性与第二手性超表面的手性匹配的圆偏振光具有高透射率。
那么，在所述具有第一偏振态的圆偏振光透过第一样品皿后入射到第一手性超表面的情况下：当所述具有第一偏振态的圆偏振光的偏振特性与所述第一手性超表面的手性匹配且所述具有第二偏振态的圆偏振光的偏振特性与所述第一手性超表面的手性不匹配时，所述第一手性超表面对入射的所述具有第一偏振态的圆偏振光具有第一透射率，并对入射的所述具有第二偏振态的圆偏振光具有第二透射率；其中，所述第一透射率大于第二透射率。
在一个实施方式中，若所述具有第一偏振态的圆偏振光是左旋圆偏振光，所述第一手性超表面的手性是左手手性，那么就可以说所述具有第一偏振态的圆偏振光的偏振特性与所述第一手性超表面的手性匹配，且所述第一透射率一般大于0.7；所述第二透射率一般小于0.3。
那么，在所述具有第一偏振态的圆偏振光透过第一样品皿后入射到第一手性超表面的同时，在所述具有第二偏振态的圆偏振光透过第二样品皿后入射到第一手性超表面的情况下：当所述具有第二偏振态的圆偏振光的偏振特性与所述第二手性超表面的手性匹配且所述具有第一偏振态的圆偏振光的偏振特性与所述第二手性超表面的手性不匹配时，所述第二手性超表面对入射的所述具有第二偏振态的圆偏振光具有第三透射率，并对入射的所述具有第一偏振态的圆偏振光具有第四透射率；其中，所述第三透射率大于第四透射率。
在一个实施方式中，若所述具有第二偏振态的圆偏振光是右旋圆偏振光，所述第二手性超表面的手性是右手手性，那么就可以说所述具有第二偏振态的圆偏振光的偏振特性与所述第二手性超表面的手性匹配，且所述第三透射率一般大于0.7；所述第四透射率一般小于0.3。
在以下描述中，以所述具有第一偏振态的圆偏振光是左旋圆偏振光；所述具有第二偏振态的圆偏振光是右旋圆偏振；所述第一手性超表面的手性是左手手性；所述第二手性超表面的手性是右手手性；所述手性生物分子样品溶液为左手手性为例进行说明。
对于图1所示的装置，光源的输出光经光纤分路器分成两个光束，经过线偏振片起偏后成为线偏振光。
对于图1左侧的光路，两个光束中的一个光束经过快轴与线偏振片的起偏轴的夹角为45度的第一四分之一波片后成为左旋圆偏振光，与第一样品皿内盛放的手性生物分子样品溶液发生相互作用。此时手性生物分子样品溶液由左手分子配制，在第一手性超表面作用下对手性响应的增强后，将会对左旋圆偏振光的光能量进行较强吸收，进而入射光的透射率会明显低于单独存在第一手性超表面时的透射率；此后，第一探测器将检测经过第一手性超表面后的第一光强。
对于图1右侧的光路，两个光束中的另一个光束经过快轴与线偏振片的起偏轴的夹角为-45度的第二四分之一波片后成为右旋圆偏振光。手性生物分子样品溶液由左手分子配制，则透射率的下降较前者小。而第二探测器将检测经过第二手性超表面后的第二光强，第二探测器与第一探测器同时工作。
最终对手性生物分子样品溶液的评判参数为圆二色性，为左旋和右旋圆偏振光经过手性生物分子样品溶液后的光强之差的归一化值，即所述手性生物分子样品溶液的圆二色性满足以下公式：
Figure BDA0003834851080000131
其中，CD表示手性生物分子样品溶液的圆二色性；ILCP表示第一光强；IRCP表示第二光强。
因此，根据上述对左侧光路和右侧光路的分析，当ILCP<IRCP，CD为负值时，手性生物分子样品溶液为左手手性；而当ILCP>IRCP，CD为正值时，手性生物分子样品溶液为右手手性。从而，可以通过CD的正负情况判断手性生物分子样品溶液的手性。
示例地，本实例给出一种左旋与右旋圆偏振光透射率之差为0.4的手性超表面(左旋和右旋圆偏振光的透射率分别为0.6和0.2)，第一手性超表面和第二手性超表面中超结构单元的互为镜像排布的具体方式如图4所示，其中，纳米结构的材料组成为金，该超结构单元中单个纳米结构的长、宽、高依次为300nm、60nm、50nm，相邻的两个纳米结构的几何中心之间的垂直距离为150nm，整体结构周期为400nm，基底选择石英玻璃，而检测过程中光源输入的光波长范围为450～1150nm。
使用上述的图4所示的第一手性超表面和第二手性超表面中超结构单元的手性分子检测装置对手性生物分子样品溶液的手性进行检测，参见图5所示的利用图4所示的第一手性超表面和第二手性超表面进行手性生物分子样品溶液的手性检测的检测结果示意图，图5给出了一种左手分子和一种右手分子的检测情况，左手分子的检测结果如图5中的左侧示意图所示，其中负值情况明显，右手分子的检测结果如图5中的右侧示意图所示，其中数值情况为正。此外，检测结果中峰值的绝对值(达到了10-1量级)较大，解决了传统圆二色性检测中数值较小(10-3量级)而导致的检测灵敏度低的缺陷。因此，该实施例验证了本实施例提出的基于超表面的手性分子检测装置，可高灵敏度地对手性生物分子样品溶液进行左手分子和右手分子检测。
综上所述，本实施例提出一种基于超表面的手性分子检测装置，在基于超表面的手性分子检测装置中，光源模块发出的两个光束经过偏振模块后，分别被调制为具有第一偏振态的圆偏振光和具有第二偏振态的圆偏振光，可以同时进行两种偏振态的圆偏振光对样品手性溶液的手性检测，与相关技术中手性分子检测系统中包含大量传统的光学元件的方式相比，手性分子检测装置的检测元件只有偏振模块和第一/第二手性超表面，并未使用大量传统的光学元件，使得检测光路结构简单，降低了手性分子检测装置的体积，提高手性分子检测装置的便携性；而且，可通过一次检测即可获得手性生物分子样品溶液的第一/第二光强，提高了分子手性的检测效率；再者，第一/第二手性超表面的存在可增强手性生物分子样品溶液与和其手性所匹配的左旋或右旋圆偏振光的相互作用，并以较明显的光强吸收差异实现手性生物分子样品溶液的检测，提高了检测灵敏度，克服了传统手性分子检测系统光学响应强度低的缺陷。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种基于超表面的手性分子检测装置，其特征在于，包括：光源模块、偏振模块、第一样品皿、第二样品皿、第一手性超表面、第二手性超表面和探测模块；
所述第一样品皿和所述第二样品皿并排设置在所述偏振模块远离所述光源模块的一侧，所述第一样品皿和所述第二样品皿中分别装有同种待测的手性生物分子样品溶液；
所述第一手性超表面设置于所述第一样品皿的底部，所述第二手性超表面设置于所述第二样品皿的底部；
所述第一手性超表面的手性与所述第二手性超表面的手性不同；
所述探测模块，设置在所述第一手性超表面和所述第二手性超表面的底部；
所述光源模块发出的两个光束经过所述偏振模块后，分别被调制为具有第一偏振态的圆偏振光和具有第二偏振态的圆偏振光；
所述具有第一偏振态的圆偏振光，分别透过所述第一样品皿中的手性生物分子样品溶液和第一手性超表面后，形成第一探测光束入射到所述探测模块；
所述具有第二偏振态的圆偏振光，分别透过所述第二样品皿中的手性生物分子样品溶液和第二手性超表面后，形成第二探测光束入射到所述探测模块；
所述探测模块，接收入射的所述第一探测光束，并探测接收的所述第一探测光束的第一光强，同时接收入射的第二探测光束，并探测接收的所述第二探测光束的第二光强，其中，所述第一光强和所述第二光强是不同的光强。
2.根据权利要求1所述的基于超表面的手性分子检测装置，其特征在于，所述手性生物分子样品溶液的圆二色性满足以下公式：
Figure FDA0003834851070000011
其中，CD表示手性生物分子样品溶液的圆二色性；I1表示第一光强；I2表示第二光强。
3.根据权利要求1所述的基于超表面的手性分子检测装置，其特征在于，所述光源模块，包括：光源和光纤分路器；
所述光纤分路器，将光源发出的光束分为两个光束；所述光源发出的光束，为具有预设工作波段的光束；所述两个光束的光强比为1:1。
4.根据权利要求3所述的基于超表面的手性分子检测装置，其特征在于，所述预设工作波段，包括：可见光波段或者近红外波段。
5.根据权利要求4所述的基于超表面的手性分子检测装置，其特征在于，所述第一手性超表面和所述第二手性超表面，分别包括：基底和多个超结构单元；
所述多个超结构单元中的各超结构单元，分别包括：排布在所述基底上的多个纳米结构；
所述基底为能够透过所述预设工作波段内光束的透明基底。
6.根据权利要求5所述的基于超表面的手性分子检测装置，其特征在于，所述第一手性超表面的超结构单元中的纳米结构的排布方式与所述第二手性超表面的超结构单元中的纳米结构的排布方式互为镜像。
7.根据权利要求6所述的基于超表面的手性分子检测装置，其特征在于，当所述具有第一偏振态的圆偏振光的偏振特性与所述第一手性超表面的手性匹配且所述具有第二偏振态的圆偏振光的偏振特性与所述第一手性超表面的手性不匹配时，所述第一手性超表面对入射的所述具有第一偏振态的圆偏振光具有第一透射率，并对入射的所述具有第二偏振态的圆偏振光具有第二透射率；其中，所述第一透射率大于第二透射率；
当所述具有第二偏振态的圆偏振光的偏振特性与所述第二手性超表面的手性匹配且所述具有第一偏振态的圆偏振光的偏振特性与所述第二手性超表面的手性不匹配时，所述第二手性超表面对入射的所述具有第二偏振态的圆偏振光具有第三透射率，并对入射的所述具有第一偏振态的圆偏振光具有第四透射率；其中，所述第三透射率大于第四透射率。
8.根据权利要求1所述的基于超表面的手性分子检测装置，其特征在于，所述偏振模块，包括：起偏器、第一四分之一波片和第二四分之一波片；
所述第一四分之一波片放置在所述第一样品皿上，所述第二四分之一波片放置在所述第二样品皿上；所述起偏器放置在所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片上；
所述起偏器与所述第一四分之一波片快轴的夹角为第一角度；所述起偏器与所述第二四分之一波片快轴的夹角为第二角度；
两个所述光束经过起偏器后，分别被调制为两个线偏振光；
所述两个线偏振光中经过所述第一四分之一波片的线偏振光被偏振调制为具有第一偏振态的圆偏振光，两个所述线偏振光中经过所述第二四分之一波片的线偏振光被偏振调制为具有第二偏振态的圆偏振光。
9.根据权利要求8所述的基于超表面的手性分子检测装置，其特征在于，所述起偏器为线偏振片。
10.根据权利要求8所述的基于超表面的手性分子检测装置，其特征在于，所述探测模块，包括：第一探测器和第二探测器；
所述第一探测器设置在所述第一手性超表面的底部，接收入射的所述第一探测光束；
所述第二探测器设置在所述第二手性超表面的底部，接收入射的所述第二探测光束。
11.根据权利要求10所述的基于超表面的手性分子检测装置，其特征在于，还包括：底座、侧边支架和中间支架；
所述底座设置在所述第一探测器和所述第二探测器的底部；所述侧边支架分别固定在所述底座的两侧；所述中间支架固定在所述起偏器和所述探测模块之间；
所述第一四分之一波片、所述第一样品皿、所述第一手性超表面、和所述第一探测器位于所述中间支架的一侧，所述第二四分之一波片、所述第二样品皿和所述第二手性超表面和所述第二探测器位于所述中间支架的另一侧。
12.根据权利要求11所述的基于超表面的手性分子检测装置，其特征在于，所述侧边支架和所述中间支架均为不透光支架；所述底座为不透光底座。
13.根据权利要求10所述的基于超表面的手性分子检测装置，其特征在于，所述第一探测器和所述第二探测器，采用CCD或者CMOS。
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