石墨烯-金属复合纳米结构的表面等离激元手性机理研究

Chirality exists ubiquitously in a variety of living and nonliving systems in nature. For the most chiral molecules, the physiological activity and poisonous are different with different configuration. So the detection of chiral signals，the recongnition and separation of the configurations are very important at those field such as biological pharmacy, organic chemistry, high polymer material and medicinal chemistry etc. In order to enhance the adjustability and flexibility, the graphene-metal hybrid nanostructures will be design for enhance the plasmonic chiral response. The far fields of chirality properties will be analyzed by aborption、scattering and extinction spectrum and the superchiral field properties will be analyzed by electric fields, current fields and charge distributions。In addition, the mechanism of plasmonic chirality for the graphene-metal hybrid nanostructures will be analyzed by combining the hybrid theory and the coupled electric-magnetic theory. At the same time, we will analyzed the interaction mechanism of the nanostructures and chiral molecules. Further, the nanostructure will be optimized by adjust all the parameters.

手性在自然界无处不在，对于大部分手性分子，不同的手性具有不同的生理活性，因此对手性信号的检测、识别和分离在生物制药、有机化学、高分子材料和药物化学等领域是非常重要的。为了进一步增加纳米结构的可调性和灵活性，本项目设计新颖的石墨烯-金属复合纳米结构以获得强烈的手性响应，通过模拟吸收谱、散射谱和消光谱等分析远场手性响应特点；电场、电流和电荷等分布分析其产生的超手性场特点。同时，项目结合杂化理论、电磁耦合理论详细分析石墨烯-金属复合纳米结构的表面等离激元手性响应的物理机理，以及石墨烯-金属复合纳米结构与手性分子相互作用机理。最后通过分析各参数的影响规律，对结构进行进一步优化，为实验提供可靠的理论参考。

手性物质在自然界无处不在，小到分子大到天体。对于手性分子而言，很多不同手性的分子具有不同的生理活性。因此，对手性信号的检测、手性分子的识别和分离等在生物制药和药物化学等领域非常重要。传统的贵金属表面等离激元可以产生强烈的手性响应，但其生物兼容性和可调性相对较弱，而石墨烯表面等离激元有着损耗低、可调谐性强和成本低等优势。基于此，本项目主要结合石墨烯和贵金属各自的优点，设计具有强烈手性响应的新型的石墨烯-金属杂化结构；研究增强表面等离激元手性响应的基本原理和增大手性响应传输距离的有效方法；设计具有超强局域手性场的超表面。本项目取得的重要结果如下：将石墨烯纳米片和手性金属纳米颗粒相结合，两者相互耦合后可以使其远场手性响应为没有石墨烯片时的两倍多，该研究为在近红外波段有效增强金属纳米颗粒的手性响应提供了一种可行的思路；发现在手性纳米结构中间加入非手性纳米颗粒，可以极大增加手性纳米结构的手性响应，同时可以转移部分手性响应至纳米颗粒的等离激元共振波段，还可以起到增加手性传输距离的作用；利用石墨烯表面等离激元共振的可调谐性及其在中红外波段的响应特性，结合手性金属在此波段的磁响应和结构的非对称性，设计出石墨烯纳米带-手性金属杂化结构，在中红外波段获得强烈的手性响应，其强度和波段均可以进行动态调节，同时其响应对环境很敏感，因此还可以用于手性传感等领域；设计出简单的石墨烯纳米片超表面，利用纳米片表面等离激元的近场耦合效应，在圆偏光和线偏光的激发下均获得强烈的、单一手性的、大面积的手性近场，同时也获得极大的局域电场增强，其手性近场可以通过入射光的极化方向以及波长进行调节，因此可应用于分子检测和识别等领域。