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手性结构是指通过空间旋转或者平移无法与其镜像重合的结构,比如人类的左手和右手.手性现象普遍存在于自然界的生命活动当中,并与生命的自组装机制息息相关.生物活体中几乎所有的蛋白质、氨基酸和DNA等生物分子都具有同一种手性特征.这些生物分子手性特征的改变或者消失将导致疾病的产生或者生命活动的终止.因此,实现对生物分子手性特性的定量表征对研究生命活动、探索疾病产生机理、制作手性药物等具有重要意义.手性光谱技术就是这样的一种定量的手性表征技术,其通过探测手性分子对左/右圆极化的相位延迟差异、吸收差异、或者散射差异,进而间接的实现对手性分子的结构、浓度等参数的定量表征.然而, 多数手性分子的非对称因子极低(小于0.001),从而限制了传统手性光谱技术在日益迫切的高灵敏生物分子探测中的应用.同手性分子相比,人工手性纳米结构(Artificial Chiral Nanostructures,ACNS)往往具有较高手性因子,其不仅具有手性分子所具有的手性光活性效应,而且还能够用来实现左手,材料、排斥的卡西米尔力、光子自旋霍尔效应和超手性场等[1-6].特别的,ACNS能有效地同手性分子产生近场或者远场耦合效应,增强手性分子的非对称因子或者产生诱导的手性,为高灵敏的手性相关的生物分子的构象表征提供了新的途径[7].2010年,E.Hendry及其合作者首次利用在ACNS周围产生的超高强度及梯度的手性场,成功地实现了对6种蛋白质二级结构(比如β-折叠)的高灵敏检测[8].同传统的手性光谱技术相比,这种方法能够将分子构象的检测灵敏度提高100万倍以上,因而被誉为新一代的手性光谱技术.高性能ACNS的设计及其高效的加工是实现手性传感器及其它应用的基础.目前ACNS结构主要有以下两类：一、基于电子束光刻技术的线条型ACNS结构；二、基于分子自组装技术的纳米颗粒耦合型的ACNS结构.然而,第一类ACNS的加工效率低下、成本高昂、有效面积较小；第二类ACNS的手性效应较弱,且无法实现对其进行单一取向排列.这些缺点限制了其在传感等领域中的应用.为了获得高性能ACNS,本课题组率先在国际上提出基于自组装微球阵列的三维壳状手性纳米结构(Three Dimensional Shell-Like Chiral Nanostructures,SLCS).同传统ACNS相比,此种手性结构具有两个优点：一、其加工方法高效、成本低廉,最大有效面积可达1cm*1cm；二、其手性效应较强——微观CD共振强度可达9.6deg,宏观CD共振强度可达2.3deg.在初步的研究中,我们建立了SLCS的几何模型,实现了其结构的模拟设计、加工及光学特性的表征.进一步的研究发现,由于自组装微球阵列的短程有序、长程无序的特性,同一SLCS薄膜中会有多种手性纳米结构.在宏观上,这些不同手性纳米结构所造成的手性效应会相互叠加,从而造成薄膜总体手性的削弱[9].为了增强SLCS薄膜的宏观手性效应,我们进一步提出采用手性螺旋叠加法则,通过优化材料沉积中角度、厚度、材料等参数的螺旋叠加顺序,以有效地提高样品的总体手性效应.初步的研究结果显示,通过此种方法,能够有效的将SLCS薄膜的宏观CD共振强度提高到10deg以上,微观的CD共振效应达到20deg以上.这些研究结果说明了SLCS的实用价值.在未来的研究中,我们将进一步地设计和加工出高性能的SLCS,开发其电磁波调制性能；并将其用作手性SPR传感基底,实现对蛋白质等生物分子的构象的高灵敏表征.