一种透射式高灵敏探测手性分子手性的装置

摘要

本发明涉及手性探测领域，具体提供了一种透射式高灵敏探测手性分子手性的装置。该装置包括光纤、手性结构层、图像接收部、光源，光纤的一个端面上固定设置有手性结构层，手性结构层为手性结构，光纤的另一端为预留端，光纤上设置有去包层区域，去包层区域为光纤去掉包层，裸露出光纤的纤芯，预留端与光源连接，图像接收部设置在手性结构层远离预留端一侧。本发明探测到的透射图像的光场分布严格依赖于手性分子的手性，因此本发明装置探测手性的准确度较高。本发明装置中手性电磁场在手性分子区域多次振荡，能够与手性分子充分地相互作用，这样手性电磁场与手性分子之间的相互作用较强，因此本发明装置的探测精确度和灵敏度较高。

说明书

技术领域

本发明涉及手性探测领域，具体提供了一种透射式高灵敏探测手性分子手性的装置。

背景技术

手性作为目前的一个研究热点，受到研究人员的广泛关注。手性分子、手性药物和手性材料在化学、生物学、医学药学、材料学等诸多领域中起着极其重要的作用。自然界中具有手性的生物分子通常只存在一种构型，比如生命必需的氨基酸都是L构型这表明生理过程具有100％的手性选择性。很多物质的材料性质或医学适用性均取决于手性特征，且分子识别代谢反应酶催化反应等生物过程均与手性密切相关。因此,探测物质的手性具有非常重要的意义，尤其在生物学和制药工业中。

公布号为“CN111751344A”，名称为“测量手性分子的手性测量装置”的专利申请公开了一种利用光学元件搭建光路探测手性分子手性的装置，由于需要对激光进行准直，且对激光的准直要求较高，该装置使用不方便，且不方便携带，现有的探测装置或方法还存在手性探测的准确度、精确度、灵敏度均较差的问题。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种透射式高灵敏探测手性分子手性的装置，该装置包括光纤、手性结构层、图像接收部、光源，光纤的一个端面上固定设置有手性结构层，手性结构层为手性结构，光纤的另一端为预留端，光纤上设置有去包层区域，去包层区域为光纤去掉包层，裸露出光纤的纤芯，预留端与光源连接，图像接收部设置在手性结构层远离预留端一侧。

更进一步地，手性结构层为周期排布的阿基米德螺旋线结构或非对称的“L”或非对称的“A”或非对称的“T”。

更进一步地，周期排布的相邻间隔为200nm-800nm。

更进一步地，手性结构层的厚度为50nm-150nm。

更进一步地，去包层区域去掉一部分纤芯，去包层区域更细。

更进一步地，去包层区域远离手性结构层一端的截面上固定设置有反射层。

更进一步地，去包层区域的纤芯表面设置有贵金属颗粒。

更进一步地，手性结构层的材料为金或银。

更进一步地，图像接收部为光屏或CCD或CMOS。

更进一步地，光纤为单模石英光纤或多模石英光纤。

本发明的有益效果：本发明提供了一种透射式高灵敏探测手性分子手性的装置。本发明装置使用了光纤，因此不需要对光路进行准直，且方便携带，容易集成。本发明手性分子的溶液与光纤的纤芯直接接触，且手性电磁场的传播靠近纤芯的边缘，因此本发明手性电磁场与手性分子之间的相互作用距离较长，同时本发明装置探测手性时，需要的手性分子的量较少。本发明探测到的透射图像的光场分布严格依赖于手性分子的手性，因此，本发明装置探测手性的准确度较高。本发明装置中手性电磁场在手性分子区域多次振荡，能够与手性分子充分地相互作用，这样手性电磁场与手性分子之间的相互作用较强，手性分子的手性变化时，探测到的透射图像的光场分布变化明显，因此本发明装置的探测精确度和灵敏度较高。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是一种透射式高灵敏探测手性分子手性的装置的示意图；

图2是又一种透射式高灵敏探测手性分子手性的装置的示意图；

图3是再一种透射式高灵敏探测手性分子手性的装置的示意图；

图4是再一种透射式高灵敏探测手性分子手性的装置的示意图；

图5是再一种透射式高灵敏探测手性分子手性的装置的示意图。

图中：1、光纤；2、手性结构层；3、图像接收部；4、反射层；5、贵金属颗粒。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1

本发明提供了一种透射式高灵敏探测手性分子手性的装置，如图1所示，包括光纤1、手性结构层2、图像接收部3。光纤1一端的端面上固定设置有手性结构层2，光纤1的另一端为预留端。光纤1上有一段去包层区域，露出光纤1去包层区域的纤芯，以方便在纤芯外侧设置待测手性分子的溶液，同时，手性电磁场在去包层区域靠近纤芯边缘传播，这样手性电磁场与手性分子之间的距离较近，一方面，在相同条件下，更远距离的手性分子能够与手性电磁场相互作用，手性电磁场与手性分子相互作用的距离较长；另一方面，手性电磁场与手性分子之间相互作用的强度较大，从而透射过手性结构2的激光的光场分布的变化较多，图像接收部3接收到的图像的光场分布的变化较大，这样本发明装置探测手性的精确度和灵敏度较高。

手性结构层2为手性结构，手性结构层2的材料为金或银，金或银产生的表面等离激元效应较强，从而可以产生较强的手性电磁场，一方面，较强的手性电磁场在光纤中传播时更靠近纤芯边缘，能够与更远处的手性分子产生相互作用，手性电磁场与手性分子相互作用的距离较远，探测时需要的手性分子较少；另一方面，较强的手性电磁场与手性分子之间的相互作用较强，从而透射图像的光场分布的变化较大，因此本发明装置探测手性的精确度和灵敏度均较高。去包层区域的位置可以靠近预留端、也可以靠近手性结构层2一端、还可以设置在光纤1的中间位置，优选地，去包层区域设置在靠近手性结构层2一端，探测时光纤1发生轻微弯曲，对手性电磁场与手性分子之间的相互作用影响较小，从而对透射图像的光场分布的影响较小，因此，本发明装置的探测准确度较高。图像接收部3可以为光屏、CCD、CMOS，优选地，图像接收部3为CCD或CMOS，这样方便将透射图像的光场分布转化为对应的傅里叶频谱。在手性结构层2远离预留端一侧合适位置处设置图像接收部3，合适位置指的是图像接收部3沿光纤1轴线方向前后移动，接收到的透射图像最清晰的位置，同时透射图像能够完全呈现在光屏上或者透射图像完全进入CCD或CMOS。

应用时，还包括光源，光源与光纤1的预留端连接。图像接收部3可以设在固定轨道或固定架等固定物上。探测时，将手性分子的溶液滴在去包层区域裸露的纤芯上。激光由光纤1的预留端进入光纤1，以基模传播，基模不具有手性，经过去包层区域时不与手性分子产生相互作用，激光照射在手性结构层2时，产生表面等离激元效应，其透射激光和反射激光均为手性电磁场，即产生涡旋光场，其传播沿纤芯的边缘。透射的手性电磁场并不携带手性分子的手性信息，反射的手性电磁场在去包层区域与去包层区域外侧的手性分子相互作用，改变手性电磁场的光场分布，经过去包层区域远离手性结构层2一端的包层截面时，手性电磁场发生反射，经包层截面反射后的手性电磁场再次与手性分子相互作用，传播到手性结构层2处再次发生反射和透射，手性电磁场的手性更强，这里透射的手性电磁场已经包含了手性分子的手性信息，经手性结构2反射的手性电磁场经过去包层区域再次与手性分子相互作用，到达去包层区域远离手性结构层2一端的包层截面时，手性电磁场发生反射……，如此往复，在去包层区域远离手性结构层2一端的包层截面和手性结构层2之间反复振荡，去包层区域远离手性结构层2一端的包层截面和手性结构层2形成振荡腔，随着振荡次数的增加，手性电磁场的手性越来越强，手性电磁场与手性分子之间的相互作用越充分，透射过手性结构层2的手性电磁场的光场分布包含越来越多手性分子的手性信息，最终得到的透射图像为每次振荡时透射的手性电磁场的叠加，最终得到的透射图像的光场分布与手性分子的手性密切相关。图像接收部3接收到的透射图像的光场分布可以用得到的透射图像对应的傅里叶频谱表示，光场分布的变化对应傅里叶频谱的变化，即通过傅里叶频谱能够得到手性分子的手性，通过傅里叶频谱的变化能够得到手性分子的手性变化。手性分子的手性与透射图像的光场分布之间严格一一对应，且手性分子的手性变化时，透射图像的光场分布变化明显，因此，本发明装置探测手性分子手性的准确度、精确度、灵敏度均较高。

实施例2

在实施例1的基础上，光纤1可以为单模石英光纤也可以为多模石英光纤。单模石英光纤传播激光的质量较好，适用于在危险场景下，进行远程手性探测；同时，一方面，单模石英光纤的纤芯较细，手性电磁场容易到达去包层区域纤芯的边缘，与手性分子的距离较近，能够与更远处的手性分子相互作用，即手性电磁场与手性分子之间相互作用距离较远，这样，本发明装置需要的手性分子的量较少；另一方面，单模石英光纤的包层较厚，由于振荡腔的一端为光纤1的包层端面，包层较厚时，包层反射端面的面积较大，即有更多的手性电磁场参与振荡，使得手性电磁场与手性分子的相互作用更强，这样透射过手性结构层2的激光的光场分布的变化更多，图像接收部3接收到的图像的光场分布的变化更大，这样本发明装置探测手性的精确度和灵敏度更高。多模石英光纤能够传输多种模式的激光，且多模石英光纤的纤芯较粗，容易对光纤1去包层区域的纤芯进行改造，方便制备。

去包层区域的长度为5μm-0.5cm，这样去包层区域的纤芯能够与手性分子的溶液充分接触，也能够保足够的手性电磁场参与振荡过程，从而使得透射图像的光场分布的变化较大，因此，本发明装置探测手性分子手性的精确度和灵敏度均较高。手性结构层2为手性结构，具体地，可以为阿基米德螺旋线结构或非对称的“L”或非对称的“A”或非对称的“T”等具有手性的结构。更具体地，手性结构层2由多个相同的手性结构周期排布组成，由于产生的手性电磁场为各个手性结构产生手性电磁场的叠加，这样，每个手性结构产生的手性电磁场相同，叠加时彼此增强，从而得到手性较强的手性电磁场，这样一来，一方面，较强的手性电磁场在光纤中传播时更靠近纤芯边缘，能够与更远处的手性分子产生相互作用，手性电磁场与手性分子相互作用的距离较远，探测时需要的手性分子较少；另一方面，较强的手性电磁场与手性分子之间的相互作用较强，从而透射图像的光场分布的变化较大，因此本发明装置探测手性的精确度和灵敏度均较高。更具体地，周期排布的间隔为200nm-800nm，这样既能使手性电磁场与手性分子产生较强的相互作用，也能够使得部分手性电磁场透射过手性结构层2；周期排布的间隔小于200nm时，相邻手性结构之间会产生电磁耦合，光场能量会聚集在手性结构层2，使得透射过手性结构层2的手性电磁场极少，从而图像接收部3不能接收到有效的透射图像；周期排布的间隔大于800nm时，一方面，间隔较大手性结构的数量较少，产生的手性电磁场的手性较弱，另一方面，间隔较大会导致透射过手性结构层2的手性电磁场较强，而反射回光纤1与手性分子相互作用的手性电磁场的强度较弱，参与振荡的手性电磁场更弱，这样手性电磁场与手性分子之间的相互作用较弱，透射图像的光场分布的变化较小，从而手性探测的精确度和灵敏度较差。

手性结构层2的厚度为50nm-150nm，由于厚度大于150nm时几乎没有透射光，所以手性结构层2的厚度为50nm-150nm能够保证一部分手性电磁场透射过手性结构层2。手性结构层2需要完全覆盖且略大于光纤1的纤芯截面，这样能够将更多的手性电磁场反射回光纤1内，使其与手性分子相互作用，这样手性电磁场与手性分子的相互作用较强，从而透射图像的光场分布的变化较大，因此本发明装置探测手性分子手性的精确度和灵敏度均较高。

实施例3

在实施例2的基础上，如图2所示，去包层区域远离手性结构层2一端的截面上固定设置有反射层4，且去包层区域还去掉一部分纤芯，使得去包层区域的纤芯更细，且去包层区域的纤芯的粗细相同。具体地，反射层4的材料为金或银，因为金或银对激光的反射性能较好。反射层4的形状为截面为圆环状的薄膜，圆环状与去包层区域远离手性结构层2一端的包层截面和去掉纤芯的截面之和相同。反射层4的厚度大于150nm，这样能够起到很好的反射作用，使得更多的手性电磁场在振荡腔内参与振荡，与手性分子多次相互作用，这样手性电磁场与手性分子的相互作用更强，使得透射图像的光场分布的变化更大，因此本发明装置探测手性的精确度和灵敏度较高。去包层区域去掉的纤芯的厚度为光纤1纤芯半径的三分之二，由于基模的传播在纤芯最中间位置，去掉的三分之二纤芯不影响基模的传播，去掉三分之二的纤芯后，由手性结构层2反射回光纤1内的手性电磁场由于沿光纤边缘传播，较多的手性电磁场泄露到手性分子的溶液中，与手性分子充分地进行相互作用，同时，由于反射层4的存在，更多的手性电磁场被反射层4反射在振荡腔内与手性分子相互作用，这样手性电磁场与手性分子之间的相互作用较强，图像接收部3接收到的透射图像的光场分布的变化较大，因此本发明装置探测手性的精确度和灵敏度较高。

实施例4

在实施例3的基础上，光纤1去包层区域纤芯的表面固定设置有贵金属颗粒5。贵金属颗粒5的材料为贵金属材料，具体地，贵金属颗粒5的材料为金或银。贵金属颗粒5的形状为球形，更具体地，贵金属颗粒5的粒径为150nm-800nm。手性电磁场在振荡腔内振荡时，由于去掉了一部分纤芯，同时手性电磁场的传播靠近纤芯边缘，纤芯表面的贵金属颗粒5在手性电磁场的作用下在其表面产生具有手性的局域表面等离激元，手性分子与贵金属颗粒5的距离更近且相互作用更加充分，相当于手性电磁场与手性分子之间的相互作用距离更长，相互作用的强度更强。这样一来，一方面，使得更远距离的手性分子和手性电磁场相互作用，从而手性电磁场与手性分子相互作用的距离较长，探测时需要的手性分子的量较少；另一方面，贵金属颗粒5表面产生的具有手性的局域表面等离激元，使得手性电磁场与手性分子之间的相互作用的强度更强，从而使得透射图像的光场分布的改变更大，因此本发明装置探测手性分子手性的精确度和灵敏度均较高。

优选地，贵金属颗粒5等间距规则排布在光纤1去包层区域纤芯的表面，这样去包层区域产生相对均匀的手性局域表面等离激元，从而不同位置处的手性分子与手性局域表面等离激元的相互作用强更充分，即手性分子与手性电磁场的相互作用更充分，手性分子的利用率更高，探测时需要的手性分子的量更少，同时，手性分子和手性电磁场相互作用的强度更强，手性分子的手性对透射图像的光场分布的影响更大，本发明装置探测手性的精确度和灵敏度更高；相邻贵金属颗粒5的间距大于300nm，这样，相邻贵金属颗粒5之间不会产生局域表面等离激元共振耦合，局域表面等离激元共振耦合发生时，大量的光场能量集中在相邻贵金属颗粒5之间，这部分光场能量对于手性分子手性探测是没有贡献的，所以，为了提升本发明装置探测精确度和灵敏度，相邻贵金属颗粒5之间的局域表面等离激元共振耦合需要避免，即相邻贵金属颗粒5的间距需要大于300nm。

实施例5

与实施例3不同的是，去包层区域的纤芯的粗细不同，如图4所示，中间位置处最细，两侧逐渐变粗，呈现出束腰状，中间最细处的纤芯的直径大于等于光纤1纤芯直径的四分之一，这样能够确保基模在其中的传播不受影响。由于去包层区域的纤芯为束腰状，不同纤芯直径位置处手性电磁场的传播情况和与手性分子相互作用的情况不同。中间束腰处纤芯的直径最细，沿光纤1纤芯边缘传播的手性电磁场泄露在束腰处的能最强，且由于局域效应，手性电磁场的手性也最强；中间束腰处的曲率最大，聚集在束腰处的手性分子的溶液最多；这样手性分子最多、手性电磁场的能量最强、手性电磁场的手性最强，从而束腰处手性电磁场与手性分子的相互作用距离最长、相互作用强度最大。由束腰中间向两侧，手性电磁场与手性分子的相互作用距离逐渐变端，手性电磁场与手性分子的相互作用的强度逐渐变小。对于束腰位置处的手性分子探测更加灵敏。这样一来，一方面，当手性分子的溶液较少时，也能够保证探测的准确度、精确度、灵敏度；另一方面，相较于实施例3的装置，由于手性电磁场与手性分子的相互作用效率更高，且相互作用的强度更大，相互作用的距离更远，进而使得透射图像上光场分布的改变更多，因此本发明装置手性探测的精确度和灵敏度较高。

实施例6

在实施例5的基础上，如图5所示，在光纤1去包层区域纤芯的表面上设置有贵金属颗粒5。贵金属颗粒5的材料为贵金属材料，具体地，贵金属颗粒5的材料为金或银。贵金属颗粒5的形状为球形。手性电磁场作用下贵金属颗粒5表面产生具有手性的局域表面等离激元，具有手性的局域表面等离激元与手性分子相互作用，相当于增强了手性电磁场和手性分子的相互作用。这样一来，束腰处手性电磁场之间的相互作用距离更长，本发明装置探测时需要的手性分子的量较少；相互作用强度更强，从而透射图像的光场分布的改变较大，因此本发明装置的探测精确度和灵敏度较高。

优选地，本实施例与实施例5不同的是，贵金属颗粒5的排布不是等间距的，具体地，中间束腰位置处贵金属颗粒5的间距较小，靠近两边位置处贵金属颗粒5的间距较大，更具体地，在中间位置处贵金属颗粒5的间距为300nm-350nm，靠近两边位置处贵金属颗粒5的间距为500nm-550nm，这样，中间束腰处贵金属颗粒5表面产生的局域表面等离激元效应更强，产生的局域表面等离激元的手性也更强，从而对手性电磁场和手性分子之间相互作用的增强更大，即手性电磁场与手性分子之间相互作用更强。这样一来，一方面，当手性分子的溶液较少时，也能够保证探测的准确度、精确度、灵敏度；另一方面，手性电磁场与手性分子的相互作用更强，使得透射图像上光场分布的改变更多，因此本发明装置手性探测的精确度和灵敏度较高。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。