微观世界中，分子、纳米颗粒及各类复合纳米结构的空间构象决定了它们的功能，但如何原位、实时、可靠的获取这些纳米尺度功能单元的三维结构信息迄今仍是一个技术难题。为此，南京大学现代工程与应用科学学院张伟华课题组与胡伟、陆延青团队，及南京邮电大学晁洁团队合作开发并演示了一种新型、快速、简便、可靠的单纳米颗粒圆二色光谱检测手段，为单纳米结构三维空间构象的原位、实时检测提供了新手段。
与传统圆二色光谱测量依赖于入射光的偏振调制，需多次检测不同，新方法利用基于液晶光栅特有的精准偏振分光能力将信号光进行分光，通过拍照一次性即可完成离散单纳米颗粒圆二色光谱的测量。该方法可与暗场显微镜、荧光显微镜等各类光学成像装置配合，经简单的改装后即可实现单颗粒、乃至单量子点、单分子的偏振光谱测量，解决了传统原二色谱设备昂贵、操作复杂、速度慢、难以与单颗粒成像装置耦合的难题。
图一 基于液晶偏振光栅的圆二色成像光谱测量方法及单个等离激元手性纳米结构的光谱测量结果图。
为了验证新型偏振分光成像光谱技术的可靠性，理解其物理含义，建立谱学信息与纳米结构空间构象之间的关联，该工作以垂直耦合的等离激元纳米棒结构为模型样品，利用Born-Kuhn模型给出了纳米颗粒散射圆二色谱的解析表达，从理论上证明了对于自然偏振光照明的情况下，基于散射信号分光的新圆二色光谱测量方法与传统基于入射光偏振调制的测量方法等价，其信号反映了纳米结构、材料对外场的非定域响应。同时，利用该模型，可将光谱信息与结构参数联系起来，为利用圆二色光谱测量纳米结构的几何参数提供了可能。
最后，作者利用该方法对DNA折纸组装的等离激元组装体进行的测量，观察到了各类构象相关的光谱信息，显示了基于偏振分光的新型圆二色成像光谱技术在解析单个微纳结构空间构象中的能力。
图二 单个DNA折纸组装等离激元纳米结构的散射圆二色光谱
张伟华课题组长期关注于各类复杂手性纳米结构的光散射现象，在前序工作给出了手性纳米颗粒光散射中的一般性理论，包括求和律、对称性与对称破缺对旋光光谱的影响等（J. Phys. Chem. C 2016, 120, 19, 10500）；测量了纳米螺旋的旋光光谱（Adv. Mater. 2017, 29, 1606482），为理解与应用复杂纳米结构光散射中的偏振效应提出了系统的理论与测量方法。
论文在线发表于Light: Science & Applications中（Light Sci Appl11, 64 (2022). https://doi.org/10.1038/s41377-022-00755-2）。该工作得到了科技部重大专项2021YFA1202000， 2016YFA0201104，南京大学生命分析化学国家重点实验室，智能光传感与调控教育部重点实验室，江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室的支持。第一作者为南京大学现代工程与应用科学学院博士生周霜，陈鹏副教授制作了核心偏振光栅器件，通讯作者为南京大学现代工程与应用科学学院边捷博士、张伟华教授。