开发形成圆偏振光近场的纳米天线

“手性”是指物质不能与其镜像叠加的性质。由于手性分子的镜像异构体具有显着不同的生理效应，生命科学和药理学领域对高效识别和分选镜像异构体的新技术有很大需求。现有检测方法和光化学反应利用手性分子中左右圆偏振光(圆二色性)的光学吸收差异，但使用这些现有技术进行分析需要高样品浓度和大量测量时间。这些要求源于左旋圆偏振光和右旋圆偏振光之间的微小吸收差异，这是由于手性分子相对于此类光的螺距较小的尺寸。增强圆二色性需要一种能够在小于光学波长的纳米级区域中产生圆偏振增强场的技术。光学手性是圆偏振增强场的量度，当电场和磁场都增强时，光学手性会最大化，并且保留入射圆偏振的旋向方向(螺旋性)。然而，传统的纳米天线(例如具有局域表面等离子体共振的金属纳米天线)并且入射圆偏振的旋性方向(螺旋性)被保留。然而，传统的纳米天线(例如具有局域表面等离子体共振的金属纳米天线)并且入射圆偏振的旋性方向(螺旋性)被保留。然而，传统的纳米天线(例如具有局域表面等离子体共振的金属纳米天线)1)与入射电场共振，但它们对入射磁场的响应最小，阻止螺旋性保存。因此，开发一种在电场和磁场中同时谐振的新型纳米天线是必要的。

研究总结

本研究重点关注高折射率介电纳米粒子的米氏共振2 。米氏共振包括电偶极子共振和磁偶极子共振(图1，左)，在光频率范围内具有低阶米氏共振的介电纳米粒子可以增强入射电场和磁场。这种纳米颗粒具有电磁对称性，被称为“双”纳米天线(图 1，右)。双纳米天线通过其两个共振增强光学手性，尽管这些纳米天线具有非手性3结构。在这种情况下，来自共振的散射光保留了入射光的螺旋性(圆偏振的旋向性)。在这项研究中，研究小组开发了一种新型纳米天线，它既可以增强电磁场，又可以利用可见光和近红外光谱中的米氏共振保持圆偏振。

首先，研究人员根据米氏理论计算了硅纳米颗粒中光学共振的螺旋密度。他们证明这些粒子在 Kerker 条件下保留了入射圆偏振光的螺旋性4——电偶极子共振和磁偶极子共振的强度和相位相等——形成圆偏振光的近场。为了证明这一特性，研究小组使用了他们独立开发的晶体硅纳米粒子的胶体溶液。图2(a)显示了不同尺寸的硅纳米粒子的胶体溶液的照片。将尺寸分布抑制到 5% 以下会产生生动的散射着色。该团队构建了一个装置，当纳米颗粒受到顺时针圆偏振光照射时，可以精确测量散射光的右旋和左旋圆偏振分量，从而获得螺旋密度谱。没有这种“双”共振的颗粒(例如金纳米颗粒)表现出散射光偏振的变化，如图2(b)所示，并且不保留入射光的螺旋性。在实验和计算中螺旋度密度几乎为零，如图2(c)所示。同时，满足克克条件的“双”纳米粒子保留了入射圆偏振光的散射光螺旋性(图2(d))。图2(e)所示的硅纳米颗粒胶体溶液在680 nm左右的波长下使螺旋密度达到理论值0.96和实验值0.7。该结果表明在纳米粒子表面上形成了圆偏振近场。

未来发展

圆偏振光的近场增强了光与手性分子之间的相互作用。这种效应改善了手性分子的圆二色性，实现高灵敏度的检测和分析，提高不对称光化学反应的效率，在制药领域具有潜在的应用前景。此外，所开发的纳米颗粒溶液具有作为控制光偏振的新液体的潜力。

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