金属手性微纳结构的制备及其在手性分子圆二色性增强中的应用

As an important analysis method for trace detection of chiral molecules, plasmon-enhanced circular dichroism (CD) spectroscopy has great potential applications in biomedical diagnostics and pathogen detection. Improving the understanding of physical mechanism of CD enhancement and preparing substrates for CD enhancement are two key points in the field of plasmon-enhanced CD spectroscopy. In this project, metallic chiral micro/nanostructures will be prepared by electron lithography method and electron beam evaporation method to enhance CD signals. By investigating the effects of the separation between chiral molecules and metallic structures, the temperature and pH value of the chiral molecule solution on the CD enhancement, the essential characters and excitation conditions of CD enhancement will be explored and the understanding of the mechanism of CD enhancement will be improved. Using the near-field optical microscope, the effects of shape and characteristic size of metallic chiral micro/nanostructures on CD enhancement will be studied. Considering the distribution of the superchiral electromagnetic fields, we will reveal the contributions of the interactions of the superchiral electromagnetic field with the multipole of chiral molecule to CD enhancement, which will provide foundations for further improving CD enhancement. On these bases, we will prepare novel substrates by electron evaporation method and oblique angle deposition method to realize biosensors based on CD signals of chiral molecules. This project will guide the preparation of substrates with higher CD enhancements theoretically and experimentally.

表面等离激元增强的圆二色（CD）光谱作为手性分子微量检测的重要分析手段，在生物医学的诊断和病原体探测方面有巨大的应用潜力。完善CD增强的物理机制和制备高探测灵敏度的CD增强衬底是该领域的研究重点。本项目在应用电子束曝光技术和电子束蒸发镀膜技术制备金属手性微纳结构衬底的基础上，研究手性分子与金属结构的间距、手性分子溶液的温度和酸碱度对CD增强的影响，探索CD增强的本质特点和激发条件，完善CD增强机制；应用近场光学显微镜，研究金属手性微纳结构的形状和特征尺寸对CD增强的影响，结合超手性电磁场的调控规律，揭示超手性电磁场和手性分子高阶极矩间的作用对CD增强的贡献，为进一步提高衬底的CD增强倍数奠定基础。在此基础上，应用电子束蒸发和倾斜角沉积技术，制备新型CD增强衬底，构建基于分子手性信息的高灵敏度生物传感器。项目将为制备更高CD增强倍数的衬底提供理论与实验上的指导。

在生物医学和药物学的实际检测中，需要对微量手性物质进行超灵敏检测，因此增强手性分子的CD信号具有重要的意义。本项目基于金属手性微纳结构和超手性电磁场的研究现状，在理论模拟和实验研究两方面开展研究工作：在理论模拟方面，设计了平面和三维手性金属微纳结构，利用有限元算法研究了手性金属微纳结构的CD，结合电磁场分布揭示了多层手性微纳结构实现CD的机理，掌握了调控手性金属微纳结构 CD的方法；提出通过调控bonding和anti-bonding模式，调控表面等离激元共振模式，实现增强CD的方法；设计了内切石墨烯双环阵列，其最大增强因子可以达到4个数量级。这些研究结果不仅加深了对于手性电磁场的理解，同时也为调控和优化电磁场的光学手性提供了方法。在实验研究方面，本项目将PS微球自组装技术、氧化铝模板法、电子束曝光技术与倾斜角沉积技术相结合制备了L形金属微纳结构、倾斜U型结构、基于手性模板的金属膜、介质调控的L型手性结构、纳米棒和纳米面的耦合结构、手性纳米锥壳结构以及高度差的L型手性结构，成功地实现了CD激发与探测，并完善了CD的产生机制。利用手性纳米锥壳结构探测生物分子时，实现了衬底对生物分子100倍的增强倍数。这些研究不仅提出了简易高效的金属手性微纳结构制备方法，而且为通过控制手性近场提高生物分子检测灵敏度提供了方法。.在本项目的支持下下，共在Optics Letter, Optics Express, Carbon, Journal of Physical Chemistry C, Journal of Physics D: Applied Physics, Applied Optics等期刊上发表学术论文共30余篇，授权中国发明专利10项。在项目负责人或所指导的研究生参加2016、2017、2019年秋季物理年会、2017年第17届全国光散射会议、2016、2018年第四、五届等离子体前沿国际会议，做邀请报告3次。指导3名博士生和13名硕士生毕业。.总之，项目组成员基本完成了项目的预期目标，通过该项目的研究，项目组成员提升了科研能力，奠定了进一步承担项目的基础。感谢国家自然科学基金的支持！