微觀世界中，分子、納米顆粒、團簇等的三維構象決定了它們的功能。比如，“左手”形態的氨基酸分子可被人體吸收利用，而與其互為鏡像的“右手”氨基酸分子則可能具有毒性。利用光學成像技術，可測定出單個分子或納米結構在空間中的位置、取向，但對于其內部空間結構，則由于分辨本領的限制無法獲取，需要光譜學手段的輔助。

圓二色（Circular dichroism，簡稱 CD）光譜是使用最廣、最為有效的立體結構解析手段之一，常被用于分子手性、蛋白分子二級構象、納米顆粒或復合納米結構空間構象的測定。如能將單納米顆粒、乃至單分子光學成像技術與 CD 檢測結合，將有望為研究納米尺度的各類復雜過程提供原位、實時、便捷的工具。

圖1：CD光譜可區分手性分子的異構體

然而，單顆粒 CD 檢測實驗復雜，并缺少解譜理論。追其物理根源在于，CD 信號來自于分子、納米顆粒等各異的內部空間結構對電磁場的高階微擾，且與樣品取向、具體照明及觀測的參數均有關聯，這使得 CD 信號極端微弱，并與測量條件相關。為提取微弱的 CD 信號，需要精準調控激發光偏振態，分時測量不同激發條件下的樣品信號，這讓整個過程復雜、耗時；而在解譜過程中，由于樣品自身的復雜性，以及對激發與觀測相關參數的忽略，常造成 CD 光譜分析的困難。

快照式CD成像光譜儀

為應對上述挑戰，南京大學張偉華課題組與胡偉、陸延青教授團隊結合液晶偏振光柵與暗場成像系統，發展了快照式成像 CD 光譜儀，通過一次拍照即可獲取單個納米結構的 CD 信號。同時，針對耦合等離激元納米棒系統給出了 CD 譜與樣品參數之間的解析關系，給出了該方法與傳統 CD 測量方法的關聯。

該成果以“Polarization-dispersive imaging spectrometer for scattering circular dichroism spectroscopy of single chiral nanostructures”為題發表在 Light: Science & Applications。

圖2  偏振分光成像CD光譜儀。
a.系統示意圖；
b.耦合等離激元納米棒結構示意圖；
c.耦合納米棒陣列的暗場光學像；
d.耦合納米棒陣列的偏振分光像，左/右兩邊分別對應信號光右/左旋成分的光譜；
e和f.對應于c中1，2兩處樣品的CD光譜圖，插圖為結構的掃描電鏡照片

新方法的核心是利用液晶偏振光柵取代傳統的光柵，將信號光中的左/右旋成分以相同的效率分別衍射到光柵的 ±１ 級方向，利用相機對所有衍射級一次性拍攝記錄，求差即可獲取樣品的 CD 光譜。這里，偏振光柵基于液晶取向所帶來的幾何相位，對左右旋光信號的作用嚴格等價，且無色散效應，保證該方法的精度。同時，其衍射效率高，優化后，其中心波長總衍射效率可達 95% 以上。

為方便單顆粒 CD 光譜信號的解析，文章以耦合等離激元納米棒系統為模型，利用 Born-Kuhn 模型，給出了該模型結構 CD 光譜的解析表達，嚴格證明了在自然偏振照明情況下，基于信號光偏振分光的 CD 測量方法與基于入射光偏振調制的測量方法在正入射情況下等價。同時，給出了陣列結構的 CD 光譜與散射 CD 光譜之間的關聯，為理解單納米顆粒 CD 光譜與宏觀材料本構方程中的磁電耦合項之間的關系提供了基礎。

展望

偏振分光成像光譜技術不僅適用于單納米結構的散射 CD 譜測量，也可與熒光、透/反射、拉曼等其它光學成像方法結合。特別的，液晶偏振光柵近 100% 的衍射效率讓其為各類弱信號的測量提供了方案。

二十多年前，S?nnichsen 等人首次將成像光譜技術應用于單納米顆粒的光譜檢測，之后成像光譜技術在納米光子學，乃至整個生命分析化學領域得到了廣泛的應用，促進了相關行業的發展。今天，隨著以液晶與超表面為代表的新型偏振分光技術飛速發展，讓各類新型偏振成像光譜測量技術成為可能，有理由相信，偏振分光成像光譜技術以其便捷、準確、可靠的優勢，將成為復雜納米結構的常備光學測量手段，為研究材料、分析以及生命科學中各類復雜分子、納米顆粒與納米結構提供便捷、可靠的工具。

論文信息

Zhou, S., Bian, J., Chen, P. et al. Polarization-dispersive imaging spectrometer for scattering circular dichroism spectroscopy of single chiral nanostructures. Light Sci Appl 11, 64 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00755-2

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