【納米】武漢大學(xué)張慶豐課題組Nano Lett.：揭示雙手性納米粒子中光學(xué)手性反轉(zhuǎn)的物理機制

欄目：行業(yè)資訊發(fā)布時間：2024-10-08

手性等離激元納米顆粒在手性檢測與傳感等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價值，近幾年來得到了學(xué)界的廣泛關(guān)注。然而，過往研究主要集中于顆粒制備方法和幾何結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，缺乏對于手性顆粒圓二色性產(chǎn)生機制、圓二色光譜特性和手性幾何結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的深入理解。近日，武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院張慶豐教授課題組揭示了雙手性等離激元納米顆粒中新奇的手性反轉(zhuǎn)物理機制，通過圓二色光譜表征與多極展開電磁理論，明確建立了納米顆粒圓二色光譜特性與其幾何手性的內(nèi)在關(guān)聯(lián)（圖1）。該研究增進了對于手性納米顆粒圓二色性產(chǎn)生機理的認(rèn)識，為設(shè)計和優(yōu)化手性納米顆粒提供了系統(tǒng)性指導(dǎo)。該研究增進了對于手性納米顆粒圓二色性產(chǎn)生機理的認(rèn)識，為設(shè)計和優(yōu)化手性納米顆粒提供了系統(tǒng)性指導(dǎo)。該論文發(fā)表在國際權(quán)威期刊Nano Letters。

圖1. 雙手性中心金納米顆粒的圓二色性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象

本論文中，研究團隊通過多極展開理論分析發(fā)現(xiàn)，納米顆粒的電偶極模式雖然在消光譜中占主導(dǎo)地位，但電偶極自身沒有任何的圓二色性，圓二色性產(chǎn)生于顆粒的兩個電四極模式。利用電磁仿真，研究團隊揭示了這兩個電四極模式的等離激元熱點分別位于顆粒的兩種幾何手性中心。更進一步的，幾何手性中心的手性方向決定了圓二色譜的正負(fù)極性，從而揭示了顆粒圓二色光譜特性與幾何手性結(jié)構(gòu)的重要內(nèi)在關(guān)聯(lián)（圖2）。

圖2. 圓二色性產(chǎn)生于兩種電四極模式，其等離激元熱點分別位于不同的手性中心。手性中心的手性方向決定了圓二色譜的正負(fù)極性。

通過改變制備過程中的條件參數(shù)，研究團隊能夠可控調(diào)節(jié)手性納米顆粒的幾何形貌，實現(xiàn)圓二色譜的反轉(zhuǎn)。理論分析表明，隨著納米顆粒幾何結(jié)構(gòu)的演化，其兩種電四極模式在光譜中發(fā)生不同方向的移動（紅移/藍移），兩種模式的波長經(jīng)理相向移動、互相穿過、再反向分離的過程，因而引起了圓二色譜的反轉(zhuǎn)。該結(jié)果無疑揭示了雙手性中心納米顆粒圓二色譜反轉(zhuǎn)的物理機制（圖3）。

圖3. 兩種電四極模式的反向頻移引起了圓二色譜反轉(zhuǎn)

由于電四極模式強度隨顆粒大小呈超線性變化，通過改變納米顆粒尺寸，可以實現(xiàn)圓二色信號的調(diào)控（圖4）。研究團隊合成了一系列不同大小的雙手性納米顆粒，從實驗和理論上驗證了圓二色信號受顆粒尺寸的調(diào)節(jié)規(guī)律，從而為調(diào)控手性納米顆粒的圓二色光譜性質(zhì)提供了重要的手段。

圖4. 通過尺寸調(diào)控揭示電四極模式與圓二色信號的內(nèi)在聯(lián)系

該成果由武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院和華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室的學(xué)者合作完成。楊堅博士、孫麗超講師和孫雪皓為論文的共同第一作者，通訊作者為武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院的張慶豐教授。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、湖北省自然科學(xué)基金委以及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金的資助，并得到了武漢大學(xué)科研公共服務(wù)條件平臺和學(xué)校大型儀器設(shè)備共享平臺的支持。

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