手性等离子体纳米粒子的集体圆二色性

分子手性是指分子的镜像对称性破缺的几何性质。表征分子手性并了解它们在生理化学情况下的作用在生物学、化学和药剂学等广泛的研究范围中一直很重要。

通常，可以使用圆二色性(CD)光谱分析分子手性，该光谱测量左圆偏振光和右圆偏振光(LCP和RCP)的吸收差异。然而，由于光(几百纳米)和分子(几纳米)的尺度不匹配，相互作用产生的信号或变化太低。

尽管分子CD可以通过局部表面等离子体共振(LSPR)进行放大，将电磁场限制在分子尺度，但在非常低的浓度下仍然难以检测分子手性。

首尔国立大学和高丽大学的一个研究小组在规则组装的手性等离子体纳米粒子中使用了一种新的CD模式，用于对分子手性进行超灵敏的原位量化。该研究发表在《自然》杂志上。

新型手性等离子体纳米粒子(180nm)具有四、三、二重旋转对称性，没有任何镜像对称性，使用六边形图案的聚合物模板以400nm的周期排列。在CPL的特定入射角和波长下，除了来自单纳米粒子的LSPR的CD响应之外，还可以产生强CD响应。

尽管先前已经在非手性纳米颗粒阵列中证明了对单个纳米颗粒的LSPR的额外等离子体共振，但没有CD响应。因此，与手性分子的耦合不会发生在表面上，并且与手性分子和LSPR的耦合只能预期轻微的信号增强。

研究小组在整个阵列中每个纳米粒子上感应电偶极子的集体共振和自旋中发现了强CD(即集体CD)的物理起源。纳米粒子的CPL和周期性排列在每个纳米粒子(即有效电偶极子)中感应出一波自由电子，它们沿着表面共同相互作用。在这里，光的圆偏振确保每个偶极子旋转到相同的方向。

他们还发现偶极子的集体自旋在整个阵列中产生均匀且手征性的电磁场。结果，分子与该场之间的手性相互作用得到极大改善，以根据分子的旋向性(即，左旋和右旋分子的相反光谱偏移)不同地改变CD响应。

本研究阐明了手性分子如何影响CD响应并实现了分子手性的超灵敏原位(检测限：10-4M)检测。阵列在概念验证设备中的集成，例如偏振分辨比色传感器和流体芯片，证明了本研究中提出的基本原理的多功能性，可在极低的条件下对映选择性监测DNA/RNA杂交和蛋白质的结构变化浓度。它显示了通过将二维膜集成到阵列上并监测其结构和折叠的手性变化，将这种传感原理应用于研究膜蛋白的可能性。