金属纳米微粒的螺旋手性构筑及其集合表面等离激元的光学活性研究

金属纳米微粒的手性构筑及其手性光学性质是纳米尺度手性现象研究的一个极富挑战的课题。在本项目中，以棒状金属纳米微粒为构筑基元，我们设计一种基于有机分子手性模板的新的自组装方法，从非手性纳米微粒构建螺旋手性超结构，研究金属纳米微粒自组装螺旋超结构的形成机理及其集合表面等离激元的手性光学效应。通过构建结构和性能可调控的金属手性微/纳结构，开展表面增强圆二色光谱的线性和非线性光学研究，发展纳米金属表面等离激元光子学在手性识别和生物传感方面的应用。我们相信，这项研究还将有助于深入认识和理解纳米尺度上自组装手性的起源，以及纳米棒的有序自组装/自组织的本质和规律。

近年来，金属纳米颗粒的等离激元手性光学现象是纳米光子学领域的一个研究热点。在本项目中，针对有机分子与金属纳米颗粒杂化自组装体系，我们系统研究了等离激元微纳结构的构筑方法，结构与手性光学性质之间的关联，以及手性起源的物理机制，并探索了基于等离激元圆二色光谱技术的分子手性传感应用。过去四年来取得的重要研究成果包括：（1）提出了一个逐级、协作自组装/自组织的方法，在超分子手性模板上构建了金属纳米颗粒的螺旋手性排列结构，实现了在等离激元共振频率区超强的园二色光学响应，其各向异性因子峰值高达0.027。我们的实验和理论研究证实这一超强等离激元光学活性源于金属颗粒之间远场电磁辐射相互作用。以往研究认为近场等离激元耦合是获得超强圆二色响应的先决条件，而我们的工作为设计和实现具有超强等离激元光学活性的手性超结构提供了一种新的思路。（2）构建了基于分子纳米盘模板的金纳米棒肩并肩组装的新的杂化超结构，通过手性分子掺杂实现了诱导产生的等离激元光学活性，并建立起诱导手性与对映体镜像对称破缺效应之间的联系。在此基础上发展了一种新的高灵敏探测和分析分子手性的方法。（3）研究了凝胶分子自组装形成的纳米手性纤维束及其螺旋手性结构调控方法，构建了金属纳米颗粒-螺旋纤维复合手性结构为主体的手性等离激元网络。这种宏观尺度的手性等离激元网络可能在手性识别/分离方面具有应用价值。（4）设计构建了金属纳米颗粒一维聚集体结构，研究了这种等离激元强耦合体系中，基于热节（hot spots）效应的分子手性的光学转移和放大现象及其物理机理。利用这种等离激元手性光学放大器，把通常分子在紫外区的弱手性光学信号转移到可见/红外光谱区（等离激元频率）来探测，获得2个数量级以上的增强圆二色光谱信号。结合表面增强拉曼光谱技术，不仅可以获得识别分子身份的拉曼指纹特征，还可以实现对热节处分子手性的超高灵敏度探测和定量分析。.本项目研究结果不仅有助于深入理解纳米自组装体系的手性起源，而且具体展示了金属纳米等离激元生物传感器新的手性传感功能。鉴于很多生物分子、药物分子、环境有机污染物（如除草剂、杀虫剂）都具备手性特征，我们研究的等离激元手性光学传感技术在医学诊断、生物制药、食品安全、水源和耕地污染物检测等方面具有潜在的应用价值。