Observation of inhomogeneous plasmonic field distribution in a nanocavity

等离激元材料和器件中电场的强度分布是等离激元技术及其应用的重要基础。虽然针尖增强光谱成像技术的发展已经实现了亚纳米的横向空间分辨率，并发现了亚纳米级电场的不均匀性，但是迄今人们对电场的纵向场强分布仍然知之甚少。李剑锋教授课题组设计了一种具有~2Å空间分辨率的分子尺，利用金单晶基底和壳层隔绝金纳米粒子来构筑等离激元纳米腔，并通过分子尺的拉曼信号强度，精准地直接表征纳米腔中的纵轴方向上高度不均匀的场强分布。中国科学技术大学罗毅教授课题组利用基于量子场论的局域场光谱理论，精确地模拟得到了与实验相符的等离激元纳腔中的场分布，并发现了因分子自聚焦作用而引起的“等离激元梳”。该工作提供了一种通用有效的定量表征纳腔中场强分布的方法，完善了对等离激元学基础的理解，为超高空间分辨的拉曼光谱成像、光学力调控分子组装、单分子反应操控提供指导。 该工作是在李剑锋教授和中国科学技术大学罗毅教授共同指导下完成的。实验部分主要由李超禹（论文第一作者，已毕业博士）、温宝英（在读博士）、李松波（已毕业硕士）完成，复旦大学段赛研究员（论文共同第一作者）和陈舒（已毕业博士）进行了局域场光谱理论计算。谢立强（已毕业博士）和毛秉伟教授帮助完成了扫描探针显微镜实验。浙江师范大学周小顺教授和王亚浩老师提供了自组装膜表征方面的重要帮助。印度的Kathiresan、叶龙武教授课题组和浙江大学陆展教授课题组在分子合成方面提供了重要帮助。瑞士伯尔尼大学Wandlowski教授和田中群教授为该工作提供了指导。【Abstract】The progress of plasmon-based technologies relies on an understanding of the properties of the enhanced electromagnetic fields generated by the coupling nanostrucutres.Plasmon-enhanced applications include advanced spectroscopies, optomechanics, optomagnetics and biosensing. However, precise determination of plasmon field intensity distribution within a nanogap remains challenging. Here, we demonstrate a molecular ruler made from a set of viologen-based, self-assembly monolayers with which we precisely measures field distribution within a plasmon nanocavity with ~2-Å spatial resolution. We observed an unusually large plasmon field intensity inhomogeneity that we attribute to the formation of a plasmonic comb in the nanocavity. As a consequence, we posit that the generally adopted continuous media approximation for molecular monolayers should be used carefully.The progress of plasmon-based technologies relies on an understanding of the properties of the enhanced electromagnetic fields generated by the coupling nanostrucutres1,2,3,4,5,6. Plasmon-enhanced applications include advanced spectroscopies7,8,9,10, optomechanics11, optomagnetics12 and biosensing13,14,15,16,17. However, precise determination of plasmon field intensity distribution within a nanogap remains challenging. Here, we demonstrate a molecular ruler made from a set of viologen-based, self-assembly monolayers with which we precisely measures field distribution within a plasmon nanocavity with ~2-Å spatial resolution. We observed an unusually large plasmon field intensity inhomogeneity that we attribute to the formation of a plasmonic comb in the nanocavity. As a consequence, we posit that the generally adopted continuous media approximation for molecular monolayers should be used carefully.The Swedish National Infrastructure for Computing is acknowledged for computer time. S.D. is sponsored by Shanghai Pujiang Programme (grant no. 19PJ1400600). 该研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、安徽省量子信息技术引导专项等的资助和支持

腈水解酶和羧酸还原酶的筛选、性质和应用

羧酸、醛和醇广泛应用于食品、医药和精细化学品等众多领域。卤化物等可以方便地制备腈化合物，腈化合物经水解、还原反应可以获得增加一个碳原子的羧酸、醛和醇。因此，腈水解和羧酸还原是由卤化物等制备增加一个碳原子的羧酸、醛和醇的关键步骤，也是有机合成中两类非常重要的化学反应。本文研究了腈水解酶催化潜手性二腈的去对称水解反应和羧酸还原酶催化羧酸的还原反应，为实现从腈化合物到羧酸、醛和醇的生物合成奠定了基础。&gamma;-氨基丁酸类药物如加巴喷丁、普瑞巴林、巴氯芬等在临床上广泛用于治疗癫痫和骨骼肌松弛等多种神经疾病。以潜手性3-取代戊二腈为原料，经去对称水解、库尔提斯重排和酸水解可以有效合成这类物质。然而，腈化合物的传统化学水解需要强酸或强碱，无法去对称水解潜手性3-取代戊二腈生成相应的、光学纯的单腈单酸。本文以潜手性3-异丁基戊二腈（2.1a）和3-(4-氯苯基)戊二腈（2.1b）为底物对9个已报道的和5个尚未报道的腈水解酶进行筛选。发现腈水解酶HsNIT、BjNIT6402和SsNIT能够去对称水解2.1a和2.1b生成(S)-3-(氰甲基)-5-甲基己酸[(S)-2.2a]和(S)-3-(4&prime;-氯苯基)-4-氰基丁酸[(S)-2.2b]，具有高的转化率和ee值（&ge;90%）。在这些酶中，仅AtNIT3能够催化2.1b生成(R)-2.2b（ee值为78%）。系统研究了AtNIT3、BjNIT6402和HsNIT对一些3-取代戊二腈的催化活力和立体选择性，发现酶的催化活力和立体选择性受底物3-取代基的影响。选择BjNIT6402和HsNIT分别用于2.1a和2.1b的制备级水解，生成产物(S)-2.2a（收率为93%）和(S)-2.2b（收率为80%）；(S)-2.2a和(S)-2.2b分别经过库尔提斯重排和酸水解合成(S)-普瑞巴林（ee值为89%）和(R)-巴氯芬（ee值为99%），从而建立了一种生物催化与化学反应融合合成普瑞巴林和巴氯芬等3-取代&gamma;-氨基丁酸衍生物类药物的新方法。羧酸的化学还原需要强还原剂，操作危险，反应难以停留至中间产物醛（生成产物醇）；羧酸的酶法还原目前研究很少，是当前生物催化技术的难题之一，已确证的羧酸还原酶屈指可数，其底物谱信息更是缺乏，这极大地限制了它的应用。本研究筛选、确证两个新的羧酸还原酶（Segniliparus CAR和Mycobacterium CAR）。它们与已报道的Nocardia CAR有相似的反应机理，即翻译后的磷酸泛酰巯基乙胺基化修饰和辅因子Mg2+、ATP、NADPH是酶促反应所必须的。这两个酶均能够高效地还原一系列脂肪族和芳香族羧酸生成相应的醛。尤其是，Segniliparus CAR能有效地还原4-羟基苯甲酸（3.8a）和4-硝基苯甲酸（3.19a），而Mycobacterium CAR能更高效地还原布洛芬（3.33a），尚没有报道羧酸还原酶能有效地还原这三个底物。它们对含有C=C或C=O双键的羧酸有良好的化学选择性，而传统的化学还原反应难以实现这样的化学选择性。共表达Segniliparus CAR和已报道的Nocardia PPTase的E. coli全细胞[E. coli BL21(DE3)/pETDuet-1-PPTase-CAR]分别催化香草酸（3.20a）和3,4-二羟基苯乙酸（3.25a）得到香草醇（3.20c，产率为69%，时空产率为18.6 mg&middot;L-1&middot;h-1）和3,4-二羟基苯乙醇（羟基酪醇，3.25c，产率为42%，时空产率为11.3 mg&middot;L-1&middot;h-1），明显优于当前全细胞催化还原3.25a制备3.25c的文献报道（产率为19%，时空产率为2 mg&middot;L-1&middot;h-1）。推测宿主细胞内在的醛还原酶进一步还原羧酸还原酶催化生成的产物醛使全细胞催化的终产物为相应的醇。本部分的研究工作丰富了羧酸还原酶种类和底物谱等信息，为它的应用奠定了基础。另外，将Mycobacterium CAR催化的羧酸还原反应与Wittig反应耦合，得到了碳链延长两个碳原子的&alpha;,&beta;-不饱和酸酯，从而建立了一种新的合成这类化合物的酶-化学方法。本研究工作中实现了腈水解酶和羧酸还原酶偶联催化苯甲腈、苯乙腈和苯基丙腈来制备苯甲醇、苯乙醇和苯丙醇，为进一步实现高附加值的腈化合物至（醛）醇的生物催化（比如潜手性的二腈经过酶促串联反应合成手性醇）奠定了基础。在该生物催化中，羧酸的还原（羧酸还原酶催化）非常缓慢，是主要障碍。针对羧酸还原酶的活力和稳定性的定向进化和其辅因子的供给是当前面临的主要问题，仍需要进一步研究。&nbsp;</p