近日，《自然·通讯》(Nature Communications)刊登了我校丁涛教授课题组与合作者在单分子手性检测方面的研究成果。他们将手性超分子层放置于超小间隙的极端纳米光场中，利用手性耦合等离激元增强效应以及量子隧穿增强效应的协同作用，通过圆差分散射（CDS）谱揭示了外消旋分子薄膜的局域手性，同时实现了低至4个手性超分子的光学探测，为单分子的手性检测提供了一套便捷的方法（图1）。相关成果以“Quantum plasmonics pushes chiral sensing limit to single molecules: a paradigm for chiral biodetections”为题发表在《自然·通讯》上。武汉大学21级博士研究生张弛为第一作者，武汉工程大学胡华天，华中科技大学马春苗为论文的共同第一作者；丁涛教授和甘泉教授为论文的共同通讯作者，武汉大学为论文第一署名和通讯作者单位。参与该工作的还有俄亥俄大学的Govorov教授，成都电子科技大学的王志明教授等。

图1 基于极端纳米光场的单分子手性传感示意图

手性广泛存在于自然界和生命体中，手性物质的识别和检测不仅有助于理解物质的手性起源和传递规律，还对疾病的诊断和手性药物的筛选具有重要意义。然而，传统手性分子分析测试技术的灵敏度通常较低，远不能满足单个手性分子的检测需求，这对深层次理解手性起源产生了巨大的障碍。虽然纳米光子技术能在多种增强机制的协同作用下大幅提高手性分子的检测能力，但如何在单分子水平上实现手性的高灵敏探测仍面临着巨大挑战。

为了克服这些困难，丁涛教授团队在前期研究基础之上设计了一种可调的手性超分子等离激基元体系（Sci. Adv. 2022, 8, eabj9752），将螺旋寡酰胺序列的超分子（OS）和金属等离激元纳腔（NPoM）相结合(图2a)，在局域超手性近场（图2b）和等离激元耦合CD的协同作用下，实现了低至4个螺旋超分子的手性光学信号探测，并成功地区分了对映体构型的螺旋超分子结构（图2c, d）。利用这种极端纳米光学的手段，他们还揭示了外消旋分子层的局域手性特征，进一步证实该测量体系具有超分辨的能力。

图2. 基于极端纳米光场实现手性超分子的超灵敏探测。(a) 超分子等离激元体系（NPoM）的示意图；(b)局域超手性近场的模拟计算；(c)对映体超分子层的手性光学传感；（d）大量颗粒对对映体超分子传感的统计结果；（e）等离激元纳腔在经典和量子区间内对手性超分子的增强行为。

除此之外，通过主动调节超分子的组装构型，他们实现了亚纳米间隙的可逆调控，并研究了其对螺旋超分子手性光学信号的影响。他们发现即使在量子隧穿区间，该系统仍旧保持较高手性光学增强特性，揭示了量子等离激元对手行光学增强的新机制（图2e）。该研究成果为在单分子层内测定旋光异构体过剩提供了可能，同时在经典和量子区间上全面地揭示了手性光与手性物质相互作用规律，在生物医学诊断、手性药物质量控制等方面具有重要借鉴意义。

该研究工作受到国家自然科学基金,国家重点研发计划和中央高校基本科研业务费资助。武汉大学纳米中心对相关材料的表征提供支撑服务。

论文信息：

Quantum plasmonics pushes chiral sensing limit to single molecules: a paradigm for chiral biodetections

Chi Zhang†, Huatian Hu†, Chunmiao Ma†, Yawen Li, Xujie Wang, Dongyao Li, Artur Movsesyan, Zhiming Wang, Alexander Govorov, Quan Gan* and Tao Ding*

Nature Communications 2024, 15: 2

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-42719-z