表面等离激元增强手性的研究及其在手性传感中的应用

The design of chiral structured components and analysis of chirality is important in fields such as novel optical devices, biomedicine and life sciences. However, the small cross section of optical activity leads to difficulties of integrating nano optical components and sensing small amount of chiral molecules with traditional method. It has been shown that the meta-molecules made of metal nano structures can have giant optical activities, and yield huge enhancement for the optical chiral field which can enhance the sensitivity of chiral molecule sensing. Therefore, with this project we intend to study the plasmon enhanced optical chirality of metal nano chiral structures. The aim is designing novel metal nano chiral structures with huge optical activities, investigating them with optical rotation dispersion spectroscopy, circular dichroism, Raman optical activity and electromagnetic numerical simulations, and focus on some frontier points in the plasmon enhanced metal nano chiral structures: searching novel chiral structures with huge plasmon enhanced chirality; and figure out the mechanism of intrinsic and extrinsic chirality and their advantages of these structures; figure out the enhancement limit of chiral field by these nanostructures so as to experimentally realize the chirality sensing for small amount of molecules. The implement of this project will be the basis of designing new generation micro-nano optical devices and realizing biomedicine molecules sensing with high sensitivity. So it has obvious value for research and applications.

手性器件的设计以及手性分子的检测在微纳光学器件、生物医药及生命科学有重要意义。然而手性分子的光学活性非常弱，导致光学手性器件难以集成化，以及传统手性检测技术难以实现微量手性分子的灵敏监测。研究表明金属纳米结构超分子可以产生极大的光学活性，而且对于光学手性场的增强效应能显著提高手性分子的检测灵敏度。因此，本项目拟对金属纳米结构的表面等离激元增强手性光学效应进行研究。拟设计新型的具有超强光学活性的金属纳米手性结构，通过旋光谱、圆二色谱和手性拉曼谱，结合电磁场数值模拟，着重研究表面等离激元增强手性光学效应中几点前沿问题：寻找新奇的具有手性光学效应的金属纳米结构；并且找出固有手性和外源性手性金属纳米结构的优缺点；探求这些结构的超手性场的增强极限以用于实现微量手性分子的超灵敏探测。本项目是研发新一代微纳光学器件，实现高灵敏微观检测生物和药物手性高分子技术的重要基础，具有显著的研究和应用价值。

本项目利用基于贵金属纳米结构的超材料为基础，通过模拟及实验设计出了具有极大光学活性的纳米结构，并且研究了其光学活性响应以及近场手性光学性质。然后利用这类结构的极大的电磁场近场增强效应以及手性近场的增强效应，来对手性分子的光学活性进行增强，以增大手性分子的有效光学活性散射界面；并且结合数值模拟对其手性机理进行分析，以解释具有手征性质的光与物质相互作用的机理。在此基础上，我们利用这种相互作用，探索了增强的极限，试图将这种相互作用的可探测强度推向少量分子的极限，并进一步利用其进行少量手性分子的超灵敏传感。基于本项目的主要结果如下：.发现了手性颗粒对于不同手性入射光的聚焦效应，并且这种聚焦效应会导致极大的电磁场增强以及手性近场增强，由此这种结构将可以用来进行手性分子的光学活性信号增强；利用手性近场产生的机理以及其对手性分子的作用机理，设计了一种具有极大拉曼光学活性增强的结构，并且指出了这种结构对于探索单分子量级的手性分子拉曼活性的价值以及可行性； 在对多种结构的研究过程中，研究了表面等离激元的热电子的光电转换性能，这方面的研究将对以后手性分子的催化以及光电效应产生指导性的意义；发现异质二聚体结构具有极大的光学活性响应，而且其同时具有FANO共振效应，其圆二色性与FANO共振直接由电偶与磁偶共振模式的相互耦合联系在一起，从而导致圆二色性与FANO具备一定的线性相关性；发现非对称球棒结构的RI灵敏度高达910nm/RIU，可用于各种传感实验；在三角纳米片上利用偏振控制其不同模式的激发从而实现不同偏振光的相干及多路发射；提出了纳米尺度上可调控的FP有效腔长，传播的等离激元激发的热电子；对于等离激元在纳米线上的传播进行量子化并且发现其具有手性的轨道传播模式。.相关结果已经发表16篇本项目直接资助的论文。

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