DNA指导的手性等离子体光学超结构自组装及其新颖光学性质研究

Chiroptical plasmonic nanostructures exhibit intense optical activities in the visible region, thus are the rapidly-developing research hot spot in nanophotonics. In particular, the chiroptical plasmonic suprastructures have drawn increasing attention due to their unique properties such as negative refractive index, sub-wavelength image, and ultrasenstive molecular detection, etc. Although different bottom-up and top-down strategies have been developed, precise construction of the chiroptical plasmonic suprastructures with large length scale, complex configurations and advantageous properties remains a significant challenge. In this proposal, the applicant propose to precisely self-assemble large-scale "spoke-type" and "ribbon-wound" chiroptical suprastructures using DNA origami as templates by taking advantages of the high programmability, precise addressability and nanoscale resolution of DNA nanotechnology. Firstly, a bifacial DNA triangle frame will be designed, which can be further stacked into helical DNA supra-scaffold. Then, various plasmonic gold nanorods as building blocks will be.precisely assembled into large scale "spoke-type" and "ribbon-wound" chiroptical plasmonic suprastructures in a high yield. Lastly, their resultant plasmonic chiroptical properties will be systematically investigated.

手性等离子光学纳米结构具备可见光波段的强烈光学活性，是当前纳米光子学领域的研究热点，特别是等离子光学手性超结构具有负折射率材料属性、亚波长成像、光学偏振以及超高灵敏度分子表征及检测等优异性质更是吸引了广泛的关注。尽管人们提出了一系列“自上而下”和“自下而上”的研究策略，但是精确构建大尺度、构型复杂、性质优异的手性等离子光学超结构依然是一项艰巨的挑战。本项目利用DNA纳米技术可人工编程、可寻址性和纳米尺度分辨率等优势，提出以DNA三角框螺旋超支架为模板精确组装大尺度“辐条”式和“绕带”式手性等离子超结构。通过设计DNA三角框模板单元并将其有序组装成大尺度螺旋超支架，然后以DNA三角框螺旋超支架为模板，将不同等离子光学纳米基元高产率精确组装成“辐条”式和“绕带”式手性超结构，深入研究这类手性超结构新颖的等离子光学活性。

自然界中的手性现象广泛存在，近年来，具有在可见光波段手性光学响应特性的等离子体金属纳米结构吸引了越来越多的关注。然而对大尺度、复杂的手性等离子超结构的动态调控依然极具挑战；DNA纳米技术基于DNA分子的可编程性，能够将结构的尺寸以及表面功能化单元精确控制，同时DNA链置换反应可以动态调控DNA纳米结构，指导等离子体超结构的自组装。本项目利用DNA纳米技术可人工编程、可寻址性和纳米尺度分辨率等优势，开展“DNA指导的手性等离子体光学超结构自组装及其新颖光学性质的研究”。研究了手性等离子纳米结构的DNA模板构建，基于此探索了等离子光学耦合和手性传递等科学问题。项目完成了预期目标，主要取得了以下成果：（1）设计构建了球形金纳米颗粒和棒状金纳米颗粒复合的手性螺旋超结构，研究了其光学手性的响应和手性传递效应；（2）设计构建了包含多个手性中心的动态等离子非对映异构体结构，研究了等离子手性中心的耦合效应。（3）设计构建了以DNA分子为输入，以手性等离子信号为输出的逻辑门，并且赋予了其环境自适应的特性。在该项目的支持下，发表相关研究论文7篇，授权国家发明专利1项，培养博士后1名，博士、硕士研究生5名。