手性等离子体纳米结构的圆二色性质研究进展

手性作为物体与其镜像不对称的结构特性,是科学界一个非常重要且广泛的研究领域。在生物医学领域,各种蛋白质大分子药物的手性对映体具有不同的毒性和药理特征,使得手性识别和检测对疾病的诊断和治疗起着非常关键的作用。在其他领域,如化学不对称合成、手性催化以及物理偏振器件等都对物质的手性研究有着强烈的需求,因此把手性研究从分子领域拓展到纳米领域是极其必要的。另一方面,表面等离子体纳米结构由于具有表面等离子体共振效应,其局域电场得到很大增强并集中在表面热点区域。在这些热点区域所引入的光化学反应,化学转化或催化反应等都可以得到很大促进。因此,将表面等离子体纳米结构与手性结合不仅可以使手性信号得到增强,还会带来很多物理新概念,进而实现科学和技术的突破。

自从佐治亚理工学院的Schaaff 教授在2000年第一次利用谷胱甘肽作为稳定剂制备金团簇发现了很强的手性信号以来,科学家发展了多种自上而下的物理方法和自下而上的化学方法来构筑各种手性结构,包括单个手性纳米粒子、纳米粒子与手性分子的复合结构、纳米粒子的手性组装以及手性超材料等。值得提出的是,科学家利用纳米粒子自组装体的电磁场增强效应来增强手性分子诱导的光学信号,其中纳米棒与手性分子构建的自组装体可以实现等离子体圆二色(CD)信号的大范围调控,为研制光学器件提供了新思路,国家纳米科学中心的唐智勇课题组在这方面做出了重要贡献,正如香港中文大学王建方教授在Chem. Soc. Rev.评价道:唐智勇等在这个方向上迈出了第一步。在没有手性分子附着的情况下,多个纳米粒子组装成的手性结构也可以产生较强的CD信号。具有负折射率的手性超材料的实现,为进一步成功研发超透镜、隐身衣和宽光谱圆偏振片等光学器件奠定了理论基础。另外,在非手性的平面纳米结构中也惊奇地发现了很强的手性信号。

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基于近年越来越多的科学家对本研究方向的关注以及获得的一系列研究进展和研究成果,唐智勇组王晓莉副研究员等从基本理论和实验手段出发,针对上述各种表面等离子体纳米结构的手性产生机制及其相关应用进行了全面的综述和评论,并进一步给出未来发展的研究方向和内容,特别是时间分辨的圆二色超快光学性质,不仅有助于理解其中复杂物理机制,为发展新型光学偏振器件、光电器件等提供理论基础,还可以弥补稳态圆二色光谱不能提供动力学结构信息的缺点,给出瞬时的结构变化信息,为研究不对称化学反应等提供新的研究方法。相关文章发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201601115)上。