等离激元超手性场增强手性分子光学活性及其机制研究

Chirality is an essential property of nature and a basic feature of living organisms. Ultrasensitive detection of chiral molecules at single molecule level is of significance to science and application research. However, the optical activity of most chiral molecules in nature is very weak. Traditional optical detection techniques, such as circular dichroism spectroscopy, generally rely on large volume or bulk sample and give a statistical result. Surface plasmon resonances based on metallic nanostructures can enhance the optical activity of chiral molecules dramatically, making single chiral molecule detection possible. In this project, metallic nanostructures which can offer chiral near-fields with strong optical chirality (superchiral fields) will be designed. The interaction between chiral molecules and light will be enhanced when the molecules are located in the superchiral fields. In experiments, several kinds of optical methods are chosen to characterize the nanostructure, including circular dichroism detection based on single-nanoparticle dark-field scattering, fluorescence excitation circular dichroism (FECD), single molecule fluorescence spectroscopy and time-resolved spectroscopy. Plasmon-enhanced ultrasensitive detection of chiral molecule based on single metallic nanostructure is expected to be realized. We shall use related theory and analysis to reveal the mechanism of plasmon enhancing optical activity of chiral molecules, expanding the theory of the interaction between light and chiral objects.

手性是自然界的根本属性，是生命体的基本特征。在单分子水平上实现手性分子的超灵敏检测具有重要的科学意义和实际应用价值。然而，由于自然界中手性分子的光学活性普遍较弱，传统的光学检测技术如圆二色光谱等主要采取对大量样品检测获得平均信息。用金属纳米结构的表面等离激元共振性质增强手性分子光学活性有望实现单分子水平的超灵敏检测。本项目拟通过设计可以产生强光学手性电磁近场的金属纳米结构来增强手性分子和光的相互作用，实验上利用基于单个金属纳米结构暗场散射测量的圆二色性探测技术、荧光激发圆二色性探测技术、单分子荧光技术及其时间分辨光谱技术等多种光学手段对体系进行光学表征，实现单个金属纳米结构增强手性分子光学活性的超灵敏检测；进一步结合理论分析，揭示金属纳米结构增强手性分子光学活性的机制，拓展光与手性物体相互作用的理论。

手性是自然界的根本属性，是生命体的基本特征。在单分子水平上实现手性分子的超灵敏检测具有重要的科学意义和实际应用价值。然而，由于自然界中手性分子的光学活性普遍较弱，传统的光学检测技术如圆二色（CD）光谱主要采取对大量样品检测获得平均信息。近些年，等离激元（plasmon）耦合（增强）的CD光谱为在单分子水平上探测手性生物分子构象提供了新的手段和方法。为了实现单个纳米物体和单个手性分子CD效应的检测，要解决以下几个关键科学问题，1）如何设计结构简单且具有强CD效应的plasmonic纳米结构？如何测量plasmon耦合的CD效应？如何揭示plasmon增强CD效应的机理？本项目从这几个关键科学问题出发，从结构设计、新方法建立和机制解释几个方面展开了研究，取得了一系列新发现。.1）我们发现plasmon Fano 共振效应可以调制增强CD效应，实验和理论上都得到了Fano共振调制的线宽窄强度强的CD谱。而且，我们就如何设计同时支持Fano共振和CD效应的金属纳米结构给出了理论指导。.2）我们发展了基于单个纳米物体暗场散射测量CD效应的方法，完成了光学系统的搭建。我们还提出干涉光热测量技术在超灵敏CD效应检测中有潜在应用，并完成了初步的光学系统搭建和测试。.3）我们提出了新的理论模型，结合数值模拟，对电磁偶极子耦合诱导的Fano共振和CD效应，以及Fano共振如何调制CD效应给出了理论解释。.我们相信本项目研究取得的新发现和提出的新检测方法对下一步实现单个手性生物分子构象的检测具有重要的指导意义，提出的理论模型拓宽了对光和plasmon以及分子相互作用的理解。