[发明专利]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

说明书

本发明公开了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，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。

技术领域

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

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。

金属纳米结构的局域表面等离激元共振(Localized Surface PlasmonResonance,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。

发明内容

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。