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江南大学胥传来教授团队研发精准识别偏振光的手性纳米膜

发布日期:2022-03-15  来源:食品学院   文图:徐丽广 审核:魏珍吉

江南大学胥传来教授团队受螳螂虾启发,利用金纳米颗粒自组装排列形成手性纳米膜,实现了圆偏振光的精准区分与识别,研究工作以Polarization-sensitive optoionic membranes from chiral plasmonic nanoparticles为题,于3月14日在《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)期刊上在线发表(https://www.nature.com/articles/s41565-022-01079-3)。

螳螂虾是目前发现的拥有世界上最复杂眼睛的动物,其视觉系统有16种不同的光感受器类型,而人类只有3种。它的眼睛感光细胞能独立运作,平行处理各波段光线,能够探测并分析可见光、紫外光、线偏振光以及圆偏振光,这让它拥有了完美的偏振视觉。甚至有人认为,螳螂虾可以用来检测癌症或进行神经活动成像。圆偏振光(CPL)由于其独特的电场矢量螺旋路径,在加密信息交流、防伪成像和偏振视野的研究中至关重要。然而,CPL的左和右手性光子差异通常不超过百分之一,这使得对左圆偏振光(LCP)和右圆偏振光(RCP)的区分仍然是一个重大的科学挑战。圆偏振光—手性物质直接相互作用可以提高CPL识别灵敏度,但远无法满足CPL检测的实际应用需求,而离子通道的独特传输特性使LCP和RCP的高灵敏检测成为可能。胥传来教授团队受此启发,开展大量研究工作,取得阶段性成果,并在权威期刊《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)上进行发表。该文章的亮点主要如下 :1.该文报道了圆偏振光驱动手性纳米膜通道内的离子传输产生光电流的手性光—离子效应。成功实现了对圆偏振光的高灵敏检测,LCP和RCP光照手性光离子膜产生的光电流差异可以达到2.41倍;2.手性苯丙氨酸分子(l-/d-Phe)修饰的单层纳米膜的CD信号振幅达~350 mdeg。而其他15种小分子手性配体以及苯丙氨酸结构类似物修饰的纳米膜没有明显的手性信号;3.研究发现苯丙氨酸分子在金纳米膜表面自组装形成厚度为2.3 nm的有机层,而光电流的产生及光电流对LCP和RCP之间识别的敏感特性主要来自于纳米膜表面手性苯丙氨酸分子层对电子的容纳能力,即纳米膜表面苯丙氨酸有机层有效减少了电子衰减,介导形成电势差,驱动离子运输产生光电流信号。

该项研究工作的重点研究为:1.手性光-离子效应的产生。研究人员发现手性金纳米膜在圆偏振光照射下,可以驱动纳米膜通道中的离子运输产生光电流。对于l-Phe修饰的单层、3层、5层和10层手性金纳米薄膜,在RCP照射下产生的光电信号强度是LCP照射下的1.47、1.78、1.98和2.41倍。而对于d-Phe修饰的手性金纳米膜,情况恰好相反,在LCP照射下产生的光电信号明显强于RCP(图a);2.手性苯丙氨酸的独特性。纳米膜的强手性信号(~350 mdeg)和光—离子效应只在苯丙氨酸修饰的纳米膜中观察到。结果表明手性苯丙氨酸可以在金纳米颗粒表面自组装形成厚度约为2.3 nm的有机层。该有机层的存在使得光照下的电子衰减被有效减少,从而赋予纳米膜强手性信号和光电转换能力;3.圆偏振光检测。离子电流的最大强度值会随着四分之一波片旋转角度的变化而相应的改变,即入射光的偏振度会影响光电流的强度。根据实验结果建立光电流与光偏振度之间的关系,从而实现对入射光束偏振度的高灵敏检测(图b)。重要的是,CPL的检测不受光的入射角度影响,在45°到90°的入射光角度范围内,均表现出相同的光电流测试结果(图c)。而手性光离子膜不受光照入射角度影响的特点,明显提升了CPL检测的准确性。

这项工作得到了北京应用物理与计算数学研究所张伟教授、新加坡国立大学刘晓刚教授、巴西纳米技术国家实验室Felippe M. Colombari教授、巴西圣卡洛斯联邦大学Andre F. de Moura教授、以色列威兹曼研究所Rafal Klajn教授、美国密歇根大学Nicholas A. Kotov教授在动力学模拟与计算等方面的大力帮助。该研究得到了科技部重点研发计划(2017YFA0206902)、国家自然科学基金委(21925402, 32071400, 21977038)和江苏省前沿基础(BK20212014)等项目的资助。

江南大学匡华教授、美国密歇根大学Nicholas A. Kotov教授、以色列威兹曼研究所Rafal Klajn教授以及江南大学食品科学与技术国家重点实验室胥传来教授为共同通讯作者。江南大学食品学院博士生蔡佳蓉(现南开大学化学学院博士后)、北京应用物理与计算数学研究所的张伟教授和江南大学食品学院青年教师徐丽广教授为该论文的共同第一作者。

论文发表截图

(a)手性光离子膜在CPL照射下的电化学测试装置及手性光离子膜的CPL识别示意图。(b)单层和三层l-Phe修饰的手性纳米薄膜光电流极化依赖性的极坐标图。(c)三层l-Phe修饰的纳米薄膜在不同入射角的CPL光照射下的电流统计。入射角指光与纳米薄膜表面之间的角度。

阅读( (编辑:陈婷)

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