超手性光学显微成像实现单分子手性检测

In this proposal, we utilize the unique chiral property of the superchiral light standing wave for molecule excitation, and combine highly sensitive nonlinear optical photothermal imaging method, to achieve the sensitivity for chiral single molecule detection. This is a nonintrusive and purely optical technique that is capable of sensing circular dichroism on the order of 10-10 from single chiral molecule. The photothermal imaging circular dichroism (CD-PTI) method suggested in this proposal uses robust and inexpensive optical setup, and may become widely applicable for daily analytical laboratory work in the future.

本课题利用超手性激发光的驻波特点，从本质上提高手性分子的不对称因子，同时结合高灵敏度的光热成像圆二色技术，提出一种非侵入式的可以对单分子进行手性探测的光学显微成像方法。对于入射光强度10-10量级的单分子圆二色吸收信号，可以实现信噪比大于2甚至更高的单分子成像。本研究中提出的光热成像圆二色谱法(CD-PTI, photothermal imaging circular dichorism)所使用的光学仪器并不昂贵，光路设计简单，有望在非光学专业的分析化学实验室实现普遍应用。

纳米技术领域的一个非常本质的问题，那就是能否借助单一的纳米结构例如纳米颗粒，对化学反应进行控制以及化学成分进行检测，这些研究将为微纳米尺度技术的发展和应用拓宽前景。本项目基于此思路，借助单个金纳米颗粒的光热信号，检测其周边微环境的变化，从而实现单个纳米结构对其周围化学成分和化学变化的跟踪检测。由于光热信号依赖于被激光加热的金纳米颗粒与周围微环境的能量交换，因此界面上分子的种类、密度、分子量、运动速度都会影响光热信号的大小。我们尝试了三个方向，第一是利用具备手性特征的激光圆偏振光与手性分子匹配，检测金纳米颗粒表面修饰的手性多肽分子。第二个是利用光热信号与气体热导性质的高度相关性，利用单个金纳米颗粒检测气体成分。第三个是将DNA修饰在金纳米颗粒表面，借助外界刺激使单链DNA形成G4四联体结构，利用光热信号实时跟踪构象变化过程。首先我们成功搭建和调试了光热装置，实现了对10-100nm直径单个金纳米颗粒在液相和气相环境下的光热检测。系统性的结果主要集中在气体检测方面。单个金纳米颗粒可以检测气体的压强与成分变化，我们发现光热信号与气压的四次方成正比，体现出气体分子与纳米颗粒表面通过碰撞传热的热力学特征。另外，光热信号的强度与二元组分气体中较高热导率的气体浓度成正比，例如在氢气/氩气中，信号与氢气浓度呈线性递增关系。我们实现了1%氢气和1%氦气浓度的成功检测。此外，光热信号仅在1-10%氢或氦气浓度范围内呈现线性关系。随着浓度增加，在10-90%范围内信号首先逐渐衰减，在50%左右出现极小值，然后逐渐增加，在90%达到最大。这一现象的原因目前仍在探索中。此外，我们测量了多肽修饰的金纳米颗粒的圆二色光热信号，检测到其非对称因子大约为0.06 ，标准偏差为0.15，从统计意义来讲该结果并不能证明我们的光热信号可以确定地识别出手性分子。在DNA构象变化的实验中，光热信号随着DNA的构象变化逐渐降低，表明金纳米颗粒周围折射率增加，但是这部分实验仍在继续，尚缺乏系统性可发表的结果。