本发明专利技术涉及一种基于线偏振光入射一维周期金属槽的圆二色光谱测量系统。包括光源、可调起偏器、一维周期金属槽结构、样品流动池和光谱仪；所述光源能够产生连续不同波长光；所述可调起偏器用于将入射的非偏振光调制成相反对称偏振角的线偏振光；所述一维周期金属槽结构使得入射光照射在其槽内及表面产生局域增强的手性光场；所述样品流动池用于加载液体被测手性样品，并在所述一维周期金属槽结构置于样品流动池内时，使得液体被测手性样品匀速的流过一维周期金属槽结构表面，便于测量时保证信号稳定；所述光谱仪用于探测经一维周期金属槽结构反射后的光谱信号。本发明专利技术通过两次相反对称偏振角度的线偏振光入射一维周期金属槽结构，探测由被测手性样品在两次入射下吸收光不同引起的反射信号差，实现对样品的圆二色谱探测。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及分子光谱学领域，具体为一种基于线偏振光入射一维周期金属槽的圆二色光谱测量系统。
技术介绍
手性是物质结构中的重要特征，即具有不能重叠的三维镜像对映异构体，它们的分子式完全相同，但其中原子或原子基团在空间的配置不同，互为镜像。很多生物分子如蛋白质、DNA、氨基酸等由于他们空间结构构造特性使得他们无法和自己的镜像重合，我们称他们为手性分子。这些分子的空间手性特点直接和分子的功能息息相关，因此对手性分子的手性分析至关重要。而目前分子手性分析最直接有效的技术是圆二色光谱（circular dichroism，CD）。手性分子都具有光学活性。当单色左旋（left-handed circularly polarized light, LCP）与右旋 （right-handed circularly polarized light, RCP）的圆偏振光通过某一种手性样品时，该样品对左、右旋圆偏振光的吸收（absorption, A）不同，这叫做圆二色性。在不同波长下其差值ΔA=ΔA(LCP)- ΔA(RCP)称为圆二色谱。可以看出实现圆二色探测最关键的产生手性相反的左右圆极化光。目前商业用的圆二色光谱仪器中的圆极化波都是通过光弹调制器产生。光弹调制器主要由一块适当的透光材料(例如熔石英或氟化钙等)附着在压电传感器上组成。利用光弹效应，它能使线偏振光变成高频振荡的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。这样当同步辐射线偏振光由单色器单色化后，进人样品室通过光弹调制器的调制头时，就变成了高频振荡(如50kHz)的左旋和右旋圆偏振光，会聚于样品中心。若是手性样品，则对左、右旋圆偏振光的吸收不同，导致左右圆极化光透射的光能量不同，最后通过对微弱透射差分信号的放大后再通过锁相放大器就采集到稳定的圆二色信号。对不同波长，样品的CD值也不同，由步进电机控制单色器进行波长扫描，就得到了该样品的CD谱。可以看出传统的圆二色光谱仪有一定的不足限制了其广泛应用。第一，它对被测样品有一定要求，一般是需要将溶液样品放入厘米级长的样品池中测量，这样对样品有一个最低量的要求，因此它无法实现对极少手性样品的测量；第二，由于采用的光弹调制器一次只能对一个特定波长起到调制作用，因此入射光必须经过单色器进行波长扫描，每次测量一个特定波长下的圆二色值，这样导致整个宽光谱下的圆二色测试时间增加。第三，系统复杂所用的光学器件很多，因此商业化仪器价格昂贵，且后续维护成本很高。正是因为传统圆二色光谱仪存在上述缺点，更为简单更加灵敏的圆二色光谱的探测方法一直是科学界研究的热点。随着这微纳加工技术的发展，亚波长的微纳结构的加工变得可能。最近几年，科学家发现特殊的金属微纳结构可以增强圆二色光谱吸收，提高其灵敏度。它的机理是当入射光激励金属的微纳结构，可以产生一种称为“局域表面等离子共振”（localized surface plasmonic resonance, LSPR）现象，会使得在金属表面的电磁波高度约束在表面，从而实现了在近场区域的电磁场极大增强。这种电磁场增强效果会增加入射光和传感样品的相互作用，从而实现对圆二色光谱的增强探测。实际上严格来讲不是增强的电场导致了圆二色的增强，而是由增强电场引起的光场的“光活性”（optical chirality）的增强决定这了手性分子的的圆二色的增强。“光活性”具有手征性也即可为正值有负值，手性分子对具有不同光活性的光吸收不同，是导手性分子出现圆二色光谱的根本原因。左、右圆极化光具备相反的光活性，因此可以用来进行圆二色谱探测。研究表明，特殊的微纳结构在等离子共振的波长可以实现在近场域内产生增强手性电磁场，也即具备光活性，因此可以用于增强圆二色光谱。例如，2010年EHendry等人（Hendry, Euan, et al. \Ultrasensitive detection and characterization of biomolecules using superchiral fields.\ Nature nanotechnology 5.11 (2010): 783-787.）发现平面的二维万字形的金属槽在左、右圆极化的入射下在结构的表面产生增强的手性光场，因此可以作为一种增强圆二色的方案。2015年，Tullius等人（Tullius, Ryan, et al. \“Superchiral” spectroscopy: detection of protein higher order hierarchical structure with chiral plasmonic nanostructures.\ Journal of the American Chemical Society 137.26 (2015): 8380-8383.）制作了2D的海星形金属结构，由于结构本身的具备手性，因此和左右圆极化波相互作用不同，利用这种原理实现对手性蛋白质的高阶空间折叠结构的探测。2016年Mousavi 等人(Mousavi, S., et al. \Large Enhancement of Circular Dichroism Using an Embossed Chiral Metamaterial.\ arXiv preprint arXiv:1604.05244 (2016).)提出缺口半圆形上下浮雕亚波长金属结构在圆极化光的入射下可以产生增强的手性电磁场，实现了增强圆二色谱传感。可以看出经过精心设计的亚波长微纳金属结构在在入射光的激励下由于表面等离子共振效应，局部的光活性得到增强，因此有望实现增强圆二色光谱探测。但是，上述这些方案通常需要一对互为镜像对称的手性微纳结构，因为具备手性的微纳结构对左、右圆极化光相互作用不同，需要一对互为”对映体“的微纳结构例如同尺寸的左螺旋金属槽和右螺旋金属槽结构。当两个具有相反手性的微纳金属结构附有相同的被探测的手性样品时，由于手性样品的选择性导致两个结构的圆二色光谱的偏移不同，因此可以用来对表面附加的手性样品的传感。虽然这种方案可行，但是依然有两个非常严重的不足： 第一，这种方案对样品加工要求比较高，因为本来由手性分子引起的吸收之差信号本身很微弱，这种方案需要对两个互为镜像对称的样品镜像分别测量，所以必须保证两个样品的形貌严格对称且尺寸严格相同，否则很可能会出现由样品加工误差引起的测量误差淹没了原本想得到的信号；第二，这种增强圆二色光谱的方案依然需要用到左、右圆极化光，还是必须借助传统的圆二色光谱系统进行测量，因此成本上并没有降低，只是借助特殊的微纳结构实现了增强圆二色光谱的探测。前面提到，产生圆二色光谱的根本条件是产生具有不同“光活性”的手性电磁场。传统的圆二色光谱仪就是通过昂贵的调制器可以实现把入射光调制为具备不同光活性的左右圆极化光。随着对微纳结构的研究发现人们发现线偏振光也可以借助一些微纳等离子共振结构实现在局部局域电场的调制实现电磁波具备光活性，这为通过线极化光实现圆二色谱探测提供了的可能。2012年Schäferling等人（Schäferling, Martin, Xinghui Yin, and Harald Giessen. \For本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于线偏振光入射一维周期金属槽的圆二色光谱测量系统，其特征在于：包括光源、可调起偏器、一维周期金属槽结构、样品流动池和光谱仪；所述光源能够产生连续不同波长光；所述可调起偏器用于将入射的非偏振光调制成相反对称偏振角的线偏振光；所述一维周期金属槽结构使得入射光照射在其槽内及表面产生局域增强的手性光场；所述样品流动池用于加载液体被测手性样品，并在所述一维周期金属槽结构置于样品流动池内时，使得液体被测手性样品匀速的流过一维周期金属槽结构表面，便于测量时保证信号稳定；所述光谱仪用于探测经一维周期金属槽结构反射后的光谱信号；光源出射的光经可调起偏器调制成相反对称偏振角的线偏振光后，分别入射至所述一维周期金属槽结构上，并在一维周期金属槽结构产生不同手征特性的手性光场，由于一维周期金属槽结构内的被测手性样品对不同手征的光有不同的吸收，使得相反对称偏振角的线偏振光入射后产生的反射不同，通过光谱仪采集相反对称偏振角的线偏振光入射后产生的反射光谱差信号即可表征被测样品的圆二色光谱信号。
【技术特征摘要】
1.一种基于线偏振光入射一维周期金属槽的圆二色光谱测量系统，其特征在于：包括光源、可调起偏器、一维周期金属槽结构、样品流动池和光谱仪；所述光源能够产生连续不同波长光；所述可调起偏器用于将入射的非偏振光调制成相反对称偏振角的线偏振光；所述一维周期金属槽结构使得入射光照射在其槽内及表面产生局域增强的手性光场；所述样品流动池用于加载液体被测手性样品，并在所述一维周期金属槽结构置于样品流动池内时，使得液体被测手性样品匀速的流过一维周期金属槽结构表面，便于测量时保证信号稳定；所述光谱仪用于探测经一维周期金属槽结构反射后的光谱信号；光源出射的光经可调起偏器调制成相反对称偏振角的线偏振光后，分别入射至所述一维周期金属槽结构上，并在一维周期金属槽结构产生不同手征特性的手性光场，由于一维周期金属槽结构内的被测手性样品对不同手征的光有不同的吸收，使得相反对称偏振角的线偏振光入射后产生的反射不同，通过光谱仪采集相反对称偏振角的线偏振光入射后产生的反射光谱差信号即可表征被测样品的圆二色光谱信号。2.根据权利要求1所述的基于线偏振光入射一维周期金属槽的圆二色光谱测量系统，其特征在于：所述光源为能够产生连续不同波长光的宽谱连续光源。3.根据权利要求1所述的基于线偏振光入射一维周期金属槽的圆二色光谱测量系...
【专利技术属性】
技术研发人员：钟舜聪，姚海子，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35
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