Light | 快照式圆二色成像光谱仪

微观世界中，分子、纳米颗粒、团簇等的三维构象决定了它们的功能。比如，“左手”形态的氨基酸分子可被人体吸收利用，而与其互为镜像的“右手”氨基酸分子则可能具有毒性。利用光学成像技术，可测定出单个分子或纳米结构在空间中的位置、取向，但对于其内部空间结构，则由于分辨本领的限制无法获取，需要光谱学手段的辅助。

圆二色（Circular dichroism，简称 CD）光谱是使用最广、最为有效的立体结构解析手段之一，常被用于分子手性、蛋白分子二级构象、纳米颗粒或复合纳米结构空间构象的测定。如能将单纳米颗粒、乃至单分子光学成像技术与 CD 检测结合，将有望为研究纳米尺度的各类复杂过程提供原位、实时、便捷的工具。

图1：CD光谱可区分手性分子的异构体

然而，单颗粒 CD 检测实验复杂，并缺少解谱理论。追其物理根源在于，CD 信号来自于分子、纳米颗粒等各异的内部空间结构对电磁场的高阶微扰，且与样品取向、具体照明及观测的参数均有关联，这使得 CD 信号极端微弱，并与测量条件相关。为提取微弱的 CD 信号，需要精准调控激发光偏振态，分时测量不同激发条件下的样品信号，这让整个过程复杂、耗时；而在解谱过程中，由于样品自身的复杂性，以及对激发与观测相关参数的忽略，常造成 CD 光谱分析的困难。

快照式CD成像光谱仪

为应对上述挑战，南京大学张伟华课题组与胡伟、陆延青教授团队结合液晶偏振光栅与暗场成像系统，发展了快照式成像 CD 光谱仪，通过一次拍照即可获取单个纳米结构的 CD 信号。同时，针对耦合等离激元纳米棒系统给出了 CD 谱与样品参数之间的解析关系，给出了该方法与传统 CD 测量方法的关联。

该成果以“Polarization-dispersive imaging spectrometer for scattering circular dichroism spectroscopy of single chiral nanostructures”为题发表在 Light: Science & Applications。

图2  偏振分光成像CD光谱仪。
a.系统示意图；
b.耦合等离激元纳米棒结构示意图；
c.耦合纳米棒阵列的暗场光学像；
d.耦合纳米棒阵列的偏振分光像，左/右两边分别对应信号光右/左旋成分的光谱；
e和f.对应于c中1，2两处样品的CD光谱图，插图为结构的扫描电镜照片

新方法的核心是利用液晶偏振光栅取代传统的光栅，将信号光中的左/右旋成分以相同的效率分别衍射到光栅的 ±１ 级方向，利用相机对所有衍射级一次性拍摄记录，求差即可获取样品的 CD 光谱。这里，偏振光栅基于液晶取向所带来的几何相位，对左右旋光信号的作用严格等价，且无色散效应，保证该方法的精度。同时，其衍射效率高，优化后，其中心波长总衍射效率可达 95% 以上。

为方便单颗粒 CD 光谱信号的解析，文章以耦合等离激元纳米棒系统为模型，利用 Born-Kuhn 模型，给出了该模型结构 CD 光谱的解析表达，严格证明了在自然偏振照明情况下，基于信号光偏振分光的 CD 测量方法与基于入射光偏振调制的测量方法在正入射情况下等价。同时，给出了阵列结构的 CD 光谱与散射 CD 光谱之间的关联，为理解单纳米颗粒 CD 光谱与宏观材料本构方程中的磁电耦合项之间的关系提供了基础。

展望

偏振分光成像光谱技术不仅适用于单纳米结构的散射 CD 谱测量，也可与荧光、透/反射、拉曼等其它光学成像方法结合。特别的，液晶偏振光栅近 100% 的衍射效率让其为各类弱信号的测量提供了方案。

二十多年前，Sönnichsen 等人首次将成像光谱技术应用于单纳米颗粒的光谱检测，之后成像光谱技术在纳米光子学，乃至整个生命分析化学领域得到了广泛的应用，促进了相关行业的发展。今天，随着以液晶与超表面为代表的新型偏振分光技术飞速发展，让各类新型偏振成像光谱测量技术成为可能，有理由相信，偏振分光成像光谱技术以其便捷、准确、可靠的优势，将成为复杂纳米结构的常备光学测量手段，为研究材料、分析以及生命科学中各类复杂分子、纳米颗粒与纳米结构提供便捷、可靠的工具。

论文信息

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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