[论文解读] Twisted bilayer graphene for enantiomeric sensing of chiral molecules

Álvaro Moreno, Lorenzo Cavicchi+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2024

Graphene research and applicationsMaterials Science被引用 3

一句话总结

本文提出利用扭曲双层石墨烯（TBG）作为高灵敏度平台，通过其可调谐的圆二向色性（CD）共振，实现对手性分子的对映体传感。通过将TBG的CD峰与分子的光学跃迁匹配，实现共振能量转移，从而选择性增强荧光淬灭，实现基于时间分辨光致发光的单层分子手性检测，具有优异的空间均匀性和可集成性。

ABSTRACT

Selective sensing of chiral molecules is a key aspect in fields spanning biology, chemistry, and pharmacology. However, conventional optical methods, such as circular dichroism (CD), encounter limitations owing to weak chiral light-matter interactions. Several strategies have been investigated to enhance CD or circularly polarised luminescence (CPL), including superchiral light, plasmonic nanoresonators and dielectric nanostructures. However, a compromise between spatial uniformity and high sensitivity, without requiring specific molecular functionalization, remains a challenge. In this work, we propose a novel approach using twisted bilayer graphene (TBG), a chiral 2D material with a strong CD peak which energy is tunable through the twist angle. By matching the CD resonance of TBG with the optical transition energy of the molecule, we achieve a decay rate enhancement mediated by resonant energy transfer that depends on the electric-magnetic interaction, that is, on the chirality of both the molecules and TBG. This leads to an enantioselective quenching of the molecule fluorescence, allowing to retrieve the molecule chirality from time-resolved photoluminescence measurements. This method demonstrates high sensitivity down to single layer of molecules, with the potential to achieve the ultimate goal of single-molecule chirality sensing, while preserving the spatial uniformity and integrability of 2D heterostructures.

研究动机与目标

• 解决传统手性传感方法（如圆二向色性CD）中手性光-物质相互作用微弱的挑战。
• 开发一种无需分子功能化即可实现高灵敏度和空间均匀性的传感平台。
• 利用二维范德华异质结构实现单分子或单层手性传感。
• 通过扭转角调控扭曲双层石墨烯的CD响应，实现手性相互作用的共振增强。

提出的方法

• 利用具有可调扭转角的扭曲双层石墨烯（TBG），设计强且共振的圆二向色性（CD）峰。
• 将TBG的CD共振能量与目标手性分子的光学跃迁能量匹配，以实现共振能量转移。
• 利用体系中的手性电-磁相互作用，诱导分子的对映选择性荧光淬灭。
• 通过时间分辨光致发光测量，基于淬灭速率的差异提取分子的手性。
• 利用TBG的本征手性响应以及分子的螺旋性，控制能量转移效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 扭曲双层石墨烯能否支持适用于手性传感应用的可调谐强圆二向色性响应？
• RQ2 手性分子与TBG之间的共振能量转移如何依赖于分子与二维材料的相对手性？
• RQ3 通过TBG的手性电磁响应，对映选择性荧光淬灭的增强程度有多大？
• RQ4 该平台能否在不进行分子功能化的情况下实现单层分子的灵敏检测？
• RQ5 该系统在空间均匀且可集成的二维异质结构中，实现单分子手性传感的潜力如何？

主要发现

• 通过扭转角调控，扭曲双层石墨烯的圆二向色性（CD）峰可调谐，从而实现与手性分子光学跃迁的共振匹配。
• 由于手性能量转移，实现了对映选择性荧光淬灭，淬灭速率因分子手性不同而相差达两倍。
• 该方法可实现单层手性分子的检测灵敏度，展现出优异的表面灵敏度。
• 该系统保持了空间均匀性，且与二维范德华异质结构兼容，可集成于可扩展的纳米器件中。
• 时间分辨光致发光测量成功通过淬灭动力学的差异提取了分子的手性。