一种基于表面增强效应的手性分子探测器件、探测装置及方法

1.本发明涉及手性分子光学探测领域，具体涉及一种基于表面增强效应的高灵敏手性分子探测器件、探测装置及方法。


背景技术：

2.自然界中具有手性的生物分子通常只存在一种构型，比如生命必需的氨基酸都是l构型，这表明生理过程具有100％的手性选择性。因此，对分子手性的探测成为生物研究中的重要问题。手性分子光谱具有圆二色性(circular dichroism,cd)，即对左右旋圆偏振光的吸收响应不同，其中l型分子对左旋光吸收更强，d型分子对右旋光吸收更强，可以通过圆二色性光谱对分子的手性进行鉴别分析。但是生物手性分子的cd响应很弱并且多数处于紫外波段，使用常规方法探测灵敏度很低，迫切需要提高检测分析手性分子的灵敏度。
3.金属纳米结构的局域表面等离激元共振(localized surface plasmon resonance,lspr)可将自由空间传播的光场高效地收集并汇聚，形成纳米尺度“热点”局域光场，其局域近场对材料光学信号具有很强的表面增强效应。表面等离激元纳米探测器具有尺寸小、灵敏度高、无破坏性等一系列优点，已经受到了研究者的广泛关注。例如将基于金属纳米颗粒的表面等离激元纳米探测器与生物分子通过自组装方法相连，利用圆二色性光谱探测系统可以实现高分辨的分子手性探测。然而上述分子手性测量方法的测试流程复杂，灵敏度和响应较低。其中主要原因之一是由于表面等离激元纳米结构与生物分子的复合结构手性cd光学响应偏弱。


技术实现要素：

4.为了解决现有分子手性探测技术灵敏度存在的问题，本发明提出了一种基于表面增强效应的高灵敏手性分子探测器件及方法，灵敏度高且制备方便。
5.本发明首先将表面等离激元纳米结构与荧光量子产率较低的荧光薄膜相结合制备手性分子探测器件，利用表面增强效应提高探测器件的光学响应，然后将手性分子吸附在探测器件的间隙中与纳米结构热点耦合，实现手性cd响应信息向荧光响应信息的转换，探测灵敏度可达单分子量级。当生物手性分子位于探测器件的局域光场中时，手性分子cd响应会高效耦合到位于可见光波段的lspr共振处，导致该波段的光吸收响应产生手性，吸附l构型生物手性分子的探测器件对左旋圆偏振光的响应更强烈，吸附d构型生物手性分子的探测器件对右旋圆偏振光的响应更强烈，这种现象被称为圆二色性转移(cd transfer)；发生圆二色性转移后，通过探测左旋荧光响应信号(i
‑
)和右旋荧光响应信号(i
+
)的偏振比(k＝i
‑
/i
+
)实现对分子手性的探测，k＞1表示待测分子为l构型，k＜1表示待测分子为d构型。
6.在本发明的第一方面，提出了一种基于表面增强效应的高灵敏手性分子探测器件。
7.本发明基于表面增强效应的高灵敏手性分子探测器件包括衬底、荧光薄膜和金属纳米结构，其中：所述衬底包括基片和金属薄膜，金属薄膜生长于基片上；所述荧光薄膜是低荧光量子效率的荧光薄膜，置于金属薄膜上；所述金属纳米结构为固定在荧光薄膜表面的单分散的金属纳米颗粒或金属纳米阵列结构。
8.上述手性分子探测器件中，所述基片可以是玻璃基片、硅基片等。
9.优选的，生长在基片上的金属薄膜的材料为金、银或铝，金属薄膜的厚度为50～100nm。
10.所述荧光薄膜是荧光量子产率较低(产率<10％)的荧光薄膜，荧光薄膜的材料可以是稀土元素、量子点或过渡金属硫化物，厚度为1～5nm。
11.优选的，所述金属纳米结构的材料为金、银或铝。
12.当所述金属纳米结构为单分散的金属纳米颗粒时，所述金属纳米颗粒的形状可以是纳米棒、纳米球、纳米正方体或纳米三角盘，尺寸为100～500nm。金属纳米颗粒的分散间隔大于1μm。
13.当所述金属纳米结构为金属纳米阵列结构时，由周期性排布的金属纳米结构构成纳米阵列，单个金属纳米结构的尺寸为100～500nm。
14.可以通过下述方法制备本发明的高灵敏手性分子探测器件，包括：
15.1)通过真空镀膜技术在基片上生长金属薄膜；
16.2)将低荧光量子效率的荧光薄膜转移或通过沉积方法制备到金属薄膜上；
17.3)将单分散的金属纳米颗粒或周期性的金属纳米阵列结构固定在荧光薄膜的表面。
18.上述步骤1)中，所述真空镀膜技术比如电子束热蒸发、脉冲激光沉积法等方法。
19.上述步骤2)中，所述荧光薄膜可以是稀土元素、量子点、过渡金属硫化物等低荧光量子效率的材料形成的薄膜。以稀土氢氧化物为靶材，通过真空镀膜技术生长在衬底上，可以获得稀土元素荧光薄膜。将发光量子点的浓溶液与适当的胶状配体溶液以一定比例混合并均匀地倾倒于衬底上，室温下干燥后可以获得量子点荧光薄膜。基于过渡金属硫化物层与层之间靠微弱的范德瓦耳斯力结合，可以采用机械剥离的方法从块体材料上获得单层过渡金属硫化物，再利用聚二甲基硅氧烷(pdms)进行干法转移到衬底上获得渡金属硫化物荧光薄膜。
20.上述步骤3)中，可以通过种子介质生长法获得金属纳米颗粒水溶液，将稀释好的水溶液旋涂在荧光薄膜上，使得单分散的金属纳米颗粒固定在荧光薄膜的表面。或者通过电子束曝光法(electron
‑
beam lithography,ebl)或聚焦离子束刻蚀法(focused ion beam etching,fib)等纳米加工方法获得金属纳米阵列结构，并固定在荧光薄膜的表面。
21.在本发明的第二方面，提供了一种基于表面增强效应的高灵敏手性分子探测装置。
22.本发明的手性分子探测装置包括激光器、λ/4滤波片、半透半反镜、陷波滤波片、物镜、透镜、光谱仪和所述手性分子探测器件，其中，激光器发出激光作为激发光源，经过λ/4滤波片后产生圆偏振光，经半透半反镜后由物镜汇聚，垂直入射至手性分子探测器件上；产生的荧光和沿原路返回的反射光经半透半反镜反射，经过陷波滤波片将反射光滤掉，荧光由透镜汇聚进入光谱仪中，扣除背景杂散光信号得到样品的荧光光谱信号。
23.进一步的，所述手性分子探测装置还包括压电工作台，手性分子探测器件放置在压电工作台上，在探测过程中通过压电工作台对手性分子探测器件进行位移。
24.在本发明的第三方面，提出了一种基于表面增强效应的高灵敏手性分子探测方法。
25.本发明的基于表面增强效应的高灵敏手性分子探测方法，包括以下步骤：
26.a)将手性分子稀溶液(浓度为nm～μm量级)滴在探测器件表面后自然晾干，使分子吸附在探测器件的荧光薄膜与金属纳米结构的间隙中，得到待测样品；
27.b)光学探测样品的荧光响应信号；
28.c)通过左旋荧光响应信号(i
‑
)和右旋荧光响应信号(i
+
)的偏振比(k＝i
‑
/i
+
)实现对分子手性的探测，k＞1表示待测分子为l构型，k＜1表示待测分子为d构型。
29.上述探测方法中，所述手性分子优选为生物手性分子，例如氨基酸(如半胱氨酸、谷氨酸)、多肽(如谷胱甘肽、阿基瑞林)、单糖(如果糖、葡萄糖)等。
30.本发明的优点：
31.本发明基于金属纳米结构等离激元模式与手性物质耦合特性，借助表面等离激元增强荧光效应实现对分子手性的高灵敏探测。本发明采用金属纳米结构和荧光薄膜材料紧贴组成的手性分子探测器件，手性分子吸附在探测器件的间隙的热点，金属纳米结构的lspr模式可以与手性分子的cd响应发生强相互作用转移手性特征，进而通过表面增强荧光测量获得高度灵敏的光学手性响应强信号，在可见光波段实现分子级高灵敏手性探测。本发明具有结构简单，体积小，信噪比高，灵敏度高的优点，同时也为其他表面等离激元器件提供了新的设计思路。
附图说明
32.图1为本发明的基于表面增强效应的高灵敏手性分子探测器件及探测装置的一个实施例的示意图，其中，(a)为探测器件示意图，(b)为探测装置示意图；
33.图2为根据本发明的基于表面增强效应的高灵敏手性分子探测器件的一个实施例的数据图，其中，(a)为探测器件的有限时域差分法(fdtd)模拟散射光谱图和单层mos2实验测量荧光光谱图；(b)为探测器件fdtd模拟珀塞尔增强系数图和天线效率图；(c)为探测器件垂直截面的fdtd模拟局域电场分布图；(d)为探测器件水平截面的fdtd模拟局域电场分布图。
34.图3为一种手性纳米结构的手性荧光调控示意图，其中，(a)为手性纳米结构的示意图，左图为立体图、右图为俯视图；(b)为手性纳米结构fdtd模拟天线效率图；(c)、(d)为手性纳米结构间隙内的fdtd模拟局域电场分布图，(c)为波长为632.8nm左旋圆偏振光激发，(d)为波长为632.8nm右旋圆偏振光激发。
具体实施方式
35.下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
36.如图1所示，本实施例提供了基于金属纳米结构与单层二硫化钼(mos2)复合体系的分子手性探测器件。该分子手性探测器件包括玻璃基片ⅰ、金纳米薄膜ⅱ、单层mos
2ⅲ、金纳米棒ⅳ，金纳米薄膜ⅱ通过真空镀膜技术生长在玻璃基片ⅰ上；将单层mos
2ⅲ转移到金纳
米薄膜ⅱ上，其中，单层mos2为二维直接带隙半导体材料，激子发射峰位于675nm；金纳米棒ⅳ固定在单层mos
2ⅲ的表面。探测时，生物分子v吸附在单层mos2和金纳米棒的间隙中。
37.探测装置包括激发器、λ/4滤波片2、半透半反镜3、物镜4、分子手性探测器件5、压电工作台6、陷波滤波片7、透镜8、光谱仪9。采用氦氖激光器发出波长632.8nm激光作为激发光源1，经半透半反镜3后，由物镜4汇聚，垂直入射至分子手性探测器件5上；荧光和沿原路返回的反射光由物镜4汇聚后经过半透半反镜3和陷波滤波片7，将反射光滤掉，荧光信号经透镜8汇聚后进入光谱仪9中，扣除背景杂散光信号后，得到被测样品的荧光的光谱信号。
38.本实施例中所用的基片为24mm
×
32mm，厚度约0.13mm，折射率为1.49的玻璃片；采用真空镀膜技术在玻璃片上生长厚度为50nm的金薄膜；采用机械剥离的方法从块体材料上获得单层mos2，再利用蒸汽处理后的聚二甲基硅氧烷(pdms)直接将二维材料(单层mos2)转移到金薄膜上；种子介质生长法合成金纳米棒，并将稀释好的金纳米棒水溶液滴在二维材料表面，吹干表面残余的水分，金纳米棒就会吸附在二维材料的表面。为了获得分散性较好的金纳米棒颗粒，稀释前将溶液超声，且离心清洗表面活性剂时转速不要过大，以免金纳米棒发生团簇现象。由此可获得在单层mos2表面均匀分布，平均间隔在2μm左右的金纳米棒颗粒，有效避免颗粒之间的相互耦合。将生物手性分子稀溶液(如浓度为100nm的谷胱甘肽水溶液)滴在探测器件上并晾干。基于商用荧光显微镜(bx51，奥林巴斯)构造了荧光光谱测量系统，可对单个纳米结构进行光学表征。以氦氖激光器作为激发光源，经过λ/4滤波片和半透半反镜进入物镜后垂直汇聚到探测器件上，当激光照射到空白背景上时，背景信号进入光谱仪，杂散光信号可以利用软件直接扣除。此时再将探测器件台移动到有纳米颗粒的位置，探测器件的荧光信号进入到光谱仪中。
39.理论上讲，激光激发金属纳米结构产生局域表面等离激元，并且激发单层mos2产生激子，当金属纳米结构的lspr模式与单层mos2的激子峰位匹配时会产生显著的荧光增强效应，提高探测器件的光学响应。如图2(a)所示，通过fdtd模拟计算可得探测器件的散射光谱共振峰位于680nm处，与单层mos2的激子峰位匹配得很好；如图2(b)所示，通过fdtd模拟计算可得金属纳米结构在单层mos2的激子峰位处具有很大的珀塞尔因子和天线效率，可以显著增强单层mos2的荧光强度。如图2(c)、(d)所示，通过fdtd模拟计算可得在可见光波段内，金属纳米结构间隙内产生强烈的局域电场增强效应；当生物手性分子吸附在间隙中时，其位于紫外波段的cd响应会与金属纳米结构间隙的lspr模式发生手性耦合并转移至lspr共振波长处，使得非手性金属纳米结构表现出手性光学性质。光谱仪探测到的荧光偏振比k在可见光波段表现出手性，k＞1表示待测分子为l构型，k＜1表示待测分子为d构型。
40.接下来，以一种手性纳米结构为例对其分子手性探测特性做说明。图3(a)所示为金纳米双棒手性天线，尺寸为175nm
×
85nm的金纳米棒a和尺寸为140nm
×
60nm的金纳米棒b头对头异面分布，间隙5nm，夹角150
°
。图3(b)所示为fdtd模拟计算得到的天线荧光量子效率图，可以看出该手性天线对左右旋辐射体的荧光量子效率响应不同.图3(c)、(d)所示为fdtd模拟计算得到的天线间隙内局域电场分布图，可以看出该手性天线在左右旋平面波激发条件下的局域电场增强幅度不同。这两个因素共同作用导致手性纳米结构在手性偏振激光的激发下会产生不同强度的荧光发射，实验上表现为探测到的荧光偏振比k≠1，具有手性。
41.本发明的高灵敏手性分子探测器件通过表面增强效应将生物手性分子的cd响应
信息转换成荧光响应信息，从而实现体积小、信噪比高、灵敏度高的纳米手性探测器。
42.最后需要声明，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。