[发明专利]基于超手性光场的圆二色性增强装置及检测方法

说明书

本发明涉及一种基于超手性光场的圆二色性增强装置及检测方法，该装置由二氧化硅衬底、金薄膜、氟化镁纳米圆柱阵列、金纳米圆柱阵列从下而上叠加组成。垂直入射的圆偏振光将被高效耦合入金薄膜、氟化镁纳米圆柱和金纳米圆柱所构成的光学谐振腔中，并产生光学手性密度高于普通圆偏振的超手性光场。当手性分子与超手性光场相互作用且分子的共振峰与谐振腔的共振波长匹配时，手性分子的圆二色性将被获得极大提升。此外，通过减小纳米圆柱阵列之间的间隙会造成谐振腔共振峰的红移，有助于进一步增强谐振腔中光场的光学手性密度和手性分子的圆二色性信号。本发明具有圆二色信号强度大和扩展性强强等优点。

技术领域

本发明涉及一种光学设备，特别涉及一种基于超手性光场的圆二色性增强装置及检测方法。

背景技术

手性指的是物体与其镜像之间无法通过平移和转动等对称性操作发生重合的结构特性。拥有此种特性的一组结构互称为对映体，它们通常有着不同的构型。手性体普遍地存在于各种微观结构中，例如所有的蛋白质、核酸、酶、核苷和大量的生物碱都为手性化合物，而DNA双螺旋、石英和胆甾相液晶等也都存在手性结构。不同构型的手性分子虽然化学结构相同，却往往表现出不同的化学特性。若生物分子的原始手性发生变化，它可能会转变为非活性或产生细胞毒性，物质的构型检测在药理学、毒理学和药物动力学等领域都有着非常重要的应用。

光场同样也具有手性特征。当手性分子与光场发生相互作用时，分子的光学响应表现出明显的光场手性依赖性。作为最常见的一种手性光场，不同旋度的圆偏振光对于手性材料的吸收存在差异，这种光学活性现象被称为圆二色性，而吸收差异的程度与波长之间的关系被称为圆二色谱。圆二色谱为生物、化学和物理等诸多领域提供了一种探知物质手性结构及其分子运动和热力学信息的非侵入式光谱技术和高效检测工具。

受限于过小的电磁相互作用体积，天然手性材料的光学手性响应通常较弱，研究者们通常采用人造微纳金属结构与分子链接以增强天然分子的圆二色信号强度。然而，复杂三维金属微纳结构的制备对当前的纳米加工技术来说依然是一项极大的挑战，而平面微纳金属结构对分子圆二色性的增强却相对有限，这就给天然分子的进一步检测研究带来了困难。近年来，研究者们发现通过调控电磁场的振幅和振幅在空间中的分布能够获得光学手性密度大于普通圆偏振的光场，即超手性光场。超手性光场与手性分子相互作用时，手性分子的电偶级跃迁被抑制，同时电偶极-磁偶极混合跃迁机制被增强，实现了圆二色信号的显著提升。然而，尚缺乏一种依靠于易制备金属微纳结构生成超手性光场的手性分子圆二色信号增强技术。

发明内容

本发明是针对传统的圆二色性增强方法依赖于难易制备的三维金属微纳结构或是增强效果有限的平面金属微纳结构，极大限制了圆二色谱技术在生物、化学和物理等诸多领域的应用的问题，提出了一种基于超手性光场的圆二色性增强装置及检测方法，解决微纳金属结构的圆二色性较弱的问题。

本发明的技术方案为：一种基于超手性光场的圆二色性增强装置，从下至上包括二氧化硅衬底、金薄膜、氟化镁纳米圆柱阵列和金纳米圆柱阵列；金薄膜全覆盖于在二氧化硅衬底的上表面上；金纳米圆柱阵列贴叠于氟化镁纳米圆柱阵列上后，置于金薄膜上，两个圆柱阵列的周期相同，两个圆柱阵列中圆柱直径也相同；圆偏振的激光从金纳米圆柱阵列的圆柱面一侧垂直照射，耦合入由金薄膜、氟化镁纳米圆柱阵列和金纳米圆柱阵列所构成的谐振腔。

所述金薄膜和金纳米圆柱阵列中的金可由光学特性相近的银或铝替代。

所述基于超手性光场的圆二色性增强装置的检测方法，具体包括如下步骤：

1)、将扩束后的圆偏振光场作为入射光，从上向下照射，当入射光波长满足装置的共振条件时，激发光场将被高效耦合入由金薄膜、氟化镁纳米圆柱阵列和金纳米圆柱阵列构成的谐振腔，并在氟化镁纳米圆柱阵列中生成光学手性密度高于普通圆偏振的超手性光场；

2)、将待测手性分子溶液掺入氟化镁纳米圆柱阵列中，手性分子溶液的折射率需与氟化镁纳米圆柱阵列相近，从而不改变谐振腔的共振波长，且手性分子溶液分子的共振峰对应的波长等于谐振腔的共振波长；