一种基于手性金属纳米结构阵列的单分子传感器

1.本发明涉及微纳光学技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于手性金属纳米结构阵列的单分子传感器。


背景技术：

2.局域表面等离激元是指在入射光场的作用下，金属纳米结构表面的自由电子与入射光场发生共振，从而产生强烈的局域振荡现象。在共振波长处表现出近场增强的特性，并且能在一些特殊的纳米结构中，例如尖端或间隙处，产生高强度的电场增强，这种电场增强的区域被称为“热点”。局域表面等离激元共振的现象引起新颖的光学性质，使得金属纳米结构成为生物传感和检测等领域的研究热点之一。
3.手性指在三维空间中的物体不能通过平移或旋转使其与镜像相重合，像我们的双手一样，左手与右手不能重合。手性作为科学研究中的热点，不仅是因为手性与人体特征息息相关，而且自然界中存在大量具有典型手性特征的物质，如生物学中的蛋白质、氨基酸，地理学中的行星转动、大气涡流等，光学中的左旋偏振光、右旋偏振光。
4.手性分子对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的差分吸收特性叫做圆二色性(circular dichroism，cd)，其差值称为圆二色值。天然手性分子的cd响应主要集中在紫外波段，并且cd响应强度相对较弱，而人工手性分子能拓展圆二色性的响应波段，实现从紫外至可见光-近红外波段的光谱响应，同时具有比天然手性分子更大的cd信号。因此，为了研究高灵敏度的手性分析技术，存在许多理论分析和实验研究致力于基于表面等离激元的手性现象，尤其是基于手性金属纳米结构的局域表面等离激元的增强光学响应。传统的单分子传感检测由于变化信号特别小从而没有较高的灵敏度和精确度，基于手性等离激元的光学响应，首次将cd响应作为单分子传感信号将极大提高传感器的灵敏度。相比于表面增强拉曼散射等其他方法，手性等离激元在提高分子传感灵敏度方面具有极大的分析价值和研究意义。


技术实现要素：

5.根据上述提出单分子检测困难的技术问题，提供一种基于手性金属纳米结构阵列的单分子传感器。本发明的目的是通过手性等离激元的cd响应提高单分子传感检测的灵敏度。本发明主要利用三个尺寸相同的金属纳米长方体构成一定间隙的平面z字形手性结构，在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的照射下，由于结构对左旋和右旋圆偏振光的透射存在差异，产生cd信号，并且在金属纳米长方体的边缘和间隙处产生巨大的电场增强现象。当单个分子存在于结构间隙处时，会使cd信号发生一定变化，从而实现单分子的传感。
6.本发明采用的技术手段如下：
7.一种基于手性金属纳米结构阵列的单分子传感器，包括：透明基底，设置在透明基底上的手性金属纳米结构阵列，其中：
8.所述手性金属纳米结构阵列由多个z字形金属纳米单元周期性排列构成；每个z字
形金属纳米单元均为由三个长方体间隔排列的具有手性响应的纳米结构，即每个z字形金属纳米单元均包括第一横长方体、竖长方体、第二横长方体。
9.进一步地，所述手性金属纳米结构阵列的周期任意选择，选择周期为p
x
＝py＝420～500nm。
10.进一步地，所述第一横长方体的长轴与所述竖长方体的长轴垂直，所述第二横长方体的长轴与所述竖长方体的长轴垂直，所述第一横长方体的长轴与所述第二横长方体的长轴平行。
11.进一步地，所述第一横长方体与所述竖长方体之间的间距和所述第二横长方体与所述竖长方体之间的间距相同，间距为g＝10～40nm。
12.进一步地，所述第一横长方体的中心点与所述竖长方体的中心点在x轴方向相差6～12nm。
13.进一步地，所述第一横长方体、竖长方体、第二横长方体的尺寸相同，长度均为l＝120～180nm，宽度均为w＝50～70nm，高度均为h＝30～50nm。
14.进一步地，所述第一横长方体、竖长方体以及第二横长方体均由贵金属材料金制成。
15.进一步地，所述透明基底的材料采用玻璃。
16.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
17.1、本发明提供的基于手性金属纳米结构阵列的单分子传感器，利用极强的手性电磁场对环境折射率改变具有灵敏传感特性，通过检测圆二色光谱的共振峰值位置变化，对单分子级别的化学、生物等分子进行检测，具有较高的灵敏度和精确度。
18.2、本发明提供的基于手性金属纳米结构阵列的单分子传感器，能够将单分子信号转化为光信号，通过检测光信号的圆二色性变化，从而实现对单分子的检测。
19.3、本发明提供的基于手性金属纳米结构阵列的单分子传感器，在使用时，单分子的有无会改变空间中折射率的变化，导致结构对圆偏振光的透射发生改变，从而使圆二色性发生改变，通过检测圆二色性的变化，即可以实现对单分子的检测。
20.基于上述理由本发明可在微纳光学等领域广泛推广。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明基于手性金属纳米结构阵列的单分子传感器中单个金属纳米结构单元的三维示意图。
23.图2为本发明手性金属纳米结构阵列单分子传感器的三维结构示意图。
24.图3为本发明手性金属纳米结构阵列单分子传感器的平面结构示意图。
25.图4为本发明实施例提供的手性金属纳米结构阵列的单分子传感器在周围环境是空气条件下的cd响应光谱图。
26.图5为本发明实施例提供的手性金属纳米结构阵列的单分子传感器在空气环境中
的cd响应光谱峰值波长λ＝836nm处的电场分布图。
27.图6为本发明实施例提供的手性金属纳米结构阵列的单分子传感器被巯基十一烷酸(mua)溶液修饰后与被检测牛血清白蛋白分子(bsa)结合示意图。
28.图7为本发明实施例提供的改变间隙内分子数量时手性金属纳米结构阵列的单分子传感器的cd响应光谱图。
29.图中：1、第一横长方体；2、竖长方体；3、第二横长方体。
具体实施方式
30.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
33.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
35.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
36.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
37.如图1-2所示，本发明提供了一种基于手性金属纳米结构阵列的单分子传感器，包括：透明基底，设置在透明基底中的手性金属纳米结构阵列，其中：
38.所述手性金属纳米结构阵列由多个z字形金属纳米单元周期性排列构成；每个z字形金属纳米单元均为由三个长方体间隔排列的具有手性响应的纳米结构，即每个z字形金属纳米单元均包括第一横长方体1、竖长方体2、第二横长方体3。
39.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图3所示，所述手性金属纳米结构阵列的周期任意选择，选择周期为p
x
＝py＝420～500nm。
40.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图1，所述第一横长方体1的长轴与所述竖长方体2的长轴垂直，所述第二横长方体3的长轴与所述竖长方体2的长轴垂直，所述第一横长方体1的长轴与所述第二横长方体3的长轴平行。
41.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图1，所述第一横长方体1与所述竖长方体2之间的间距和所述第二横长方体3与所述竖长方体2之间的间距相同，间距为g＝10～40nm。
42.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图2，所述第一横长方体1的中心点与所述竖长方体2的中心点在x轴方向相差6～12nm。
43.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图1，所述第一横长方体1、竖长方体2、第二横长方体3的尺寸相同，长度均为l＝120～180nm，宽度均为w＝50～70nm，高度均为h＝30～50nm。
44.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述第一横长方体1、竖长方体2以及第二横长方体3均由贵金属材料金制成。所述透明基底的材料采用玻璃。
45.实施例1
46.在本实施例中，手性金属纳米结构阵列对左旋和右旋圆偏振光的透射存在差异，表现为在可见-近红外光谱区域存在手性共振峰。当单个或多个分子存在于极强电场间隙处时，由于该纳米尺度空间范围内的折射率发生细微的变化，观测到圆二色光谱中的共振峰发生红移，进而能实现单分子级别的传感检测，并且具有较高的灵敏度与精确度。
47.基于时域有限差分法使用fdtd solutions仿真软件进行模拟实验，具体参数优选如下：
48.手性金属纳米结构阵列置于玻璃基底上，阵列周期的长度为p
x
＝py＝460nm，金属纳米结构由贵金属材料金制成，第一横长方体1、竖长方体2、第二横长方体3的长度为l＝150nm，宽度为w＝60nm，高度为h＝40nm，第一横长方体1与竖长方体2之间的间距和竖长方体2与第二横长方体3之间的间距相等为g＝16nm。如图2所示，第一横长方体1的中心点和竖长方体2的中心点在x轴方向相差9nm。
49.本实施例cd响应由cd＝|t
lcp-t
rcp
|计算得出，其中，t
lcp
表示结构对左旋圆偏振光的透射系数，t
rcp
表示结构对右旋圆偏振光的透射系数。如图4所示，在周围介质是空气的条
件下，本实施例手性z字形结构在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的入射下，透射存在差异，从而产生了cd响应。从图中可以观察到在波长λ＝836nm处，cd具有-最大值为cd
max
＝0.0666905，在共振波长处，展现出杂化的反键等离激元模式。
50.如图5所示，在周围介质是空气的条件下，在波长λ＝836nm处，手性z字形结构在左旋和右旋圆偏振光的入射下表面电场分布。由图中可以看出，在长方体的尖端和间隙处存在极大的电场增强，尤其是在第一横长方体1和竖长方体2的间隙处的右侧，电场增强最大可达无偏振光激发下的66倍。因此，基于强烈的局域场增强效应，可以将手性金属纳米结构阵列应用在单分子传感，实现对单分子级别的高灵敏检测。
51.在本实施例中，采用巯基十一烷酸(mua)自组装的作用，以极性共价键s-au键的形式，可以自发地在金结构的表面形成取向有序、结构致密的单分子膜。金表面的自组膜中末端基团-cooh，可以共价耦合蛋白质，因此可以承载多种生物活性大分子。
52.在本实施例中，分子采用牛血清白蛋白分子(bsa)。将mua自组装修饰的手性z字形结构通入bsa溶液，由于结构间隙处存在极大的电场增强，bsa分子会在结构间隙处与金表面的自组膜中末端基团-cooh结合，如图6所示。
53.如图7所示，在圆偏振光入射下，手性z字形结构被mua修饰后周围溶液中是否存在bsa分子的cd响应光谱。从图中可以清晰地看到：该传感器在周围溶液不存在分子的情况下cd最大峰值波长λ1＝966nm，cd
max
＝0.0667517；当单个bsa分子存在于手性z字形结构中电场极大增强的间隙处(第一横长方体1和竖长方体2中间间隙的右侧)时，cd最大峰值波长λ2＝966nm，cd
max
＝0.0666848；当两个bsa分子存在于手性“z”字形结构中电场极大增强的间隙处(第一横长方体1和竖长方体2中间间隙的右侧)时，cd最大峰值波长λ3＝966nm，cd
max
＝0.0666437；当三个bsa分子存在于手性“z”字形结构中电场极大增强的间隙处(第一横长方体1和竖长方体2中间间隙的右侧)时，cd最大峰值波长λ4＝967nm，cd
max
＝0.0665737。
54.在本实施例中，由于空间内折射率的细微变化导致cd响应光谱发生变化，因此，将cd信号作为传感信号，故传感灵敏度s采用s＝
△
cd/
△
n进行计算。为了计算bsa分子在纳米间隙发生生物结合反应时引起的折射率变化，本实施例中所计算的折射率空间范围为单个阵列单元所处范围，即：460nm
×
460nm
×
1000nm，其中，460nm为x和y方向上的周期，1000nm为手性金属纳米结构与+z方向完美吸收层边界条件的距离。因此，单个分子导致空间折射率变化
△
n＝6.033
×
10-7
，传感灵敏度s1＝
△
cd/
△
n＝110.89；两个分子导致空间折射率变化
△
n＝1.206
×
10-6
，传感灵敏度s2＝
△
cd/
△
n＝89.51；三个分子导致空间折射率变化
△
n＝1.809
×
10-6
，传感灵敏度s3＝
△
cd/
△
n＝98.35。
55.实施例2
56.在实施例1的基础上，本实施例还可以实现其他单分子的检测。金纳米结构表面为可以形成自组装膜用于分子探针的有机分子，同样也可以为巯基十一烷酸，也可以为其他有机分子。在本实施例中，单分子也可以为其他分子。
57.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。