談到手性，我們不得不談到2019年度國(guó)家科技獎(jiǎng)上，獲得中國(guó)科學(xué)價(jià)值最高的自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)的創(chuàng)新型研究-南開大學(xué)周其林院士團(tuán)隊(duì)“高效手性螺環(huán)催化劑的發(fā)現(xiàn)”。
手性，自然界鬼斧神工之作
手性究竟具有怎樣的特征，研究者又如何利用手性構(gòu)筑復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)？手性的學(xué)術(shù)定義：互成鏡像，但相互不能重疊。
周其林院士談到，“手性”是自然界的一種現(xiàn)象。大到我們的宇宙星云，小到比如蝸牛、牽?；?，仔細(xì)觀察，都有特定的方向。像蝸牛的殼，都是右手螺旋；牽?；ǖ奶?，生長(zhǎng)時(shí)也總是以右手螺旋方向纏繞。在更小尺度的微觀分子層面，也有類似現(xiàn)象。比如組成我們生命的一些基本物質(zhì)，氨基酸分子都是左旋的，糖分子都是右旋的，這些現(xiàn)象被稱為手性現(xiàn)象。
微觀手性分子能組成宏觀手性物體，但組成宏觀手性物體并不一定需要微觀手性物質(zhì)。也就是說，“非手性的微觀物質(zhì)，如非手性分子也能組裝成宏觀手性物體”。
手性，與生活密切相關(guān)
比如咖啡和冷飲里面用到的“健康糖”，這個(gè)東西其實(shí)不是糖，而是兩個(gè)氨基酸組成的肽，是一種甜味劑，吃了不會(huì)發(fā)胖，并且比糖甜200倍，2毫克就相當(dāng)于原來一大包糖。組成“健康糖”的兩個(gè)氨基酸分子都是單一手性的。如果是另一種手性，則味道是苦的。
另一個(gè)例子則讓部分家庭陷入悲痛之中，同時(shí)也為藥劑公司和藥物研發(fā)者們敲響警鐘，即上世紀(jì)50年代的“反應(yīng)?！笔录?/span>。這是一種藥物，學(xué)名叫沙利度胺，其分子是手性的，其中，右旋分子有鎮(zhèn)靜功效，而左旋分子卻會(huì)導(dǎo)致胎兒畸形。當(dāng)時(shí)人們將右旋分子和左旋分子的混合物一同入藥，用于治療孕婦在孕早期的妊娠嘔吐，結(jié)果導(dǎo)致大批畸形嬰兒的出生。
手性納米顆粒的構(gòu)筑
當(dāng)我們了解手性后，我們?nèi)绾卫眠@種獨(dú)特的現(xiàn)象來構(gòu)筑具有手性特征的納米顆粒呢？同時(shí)，手性納米顆粒又具有怎樣的特殊性質(zhì)呢？目前大多數(shù)研究是設(shè)計(jì)具有手性的高分子，利用手性分子的特點(diǎn)，在溶液中通過自組裝的方法構(gòu)筑具有手性的組裝體?(Moebius strips of chiral block copolymers.doi.org/10.1038/s41467-019-11991-3). 同時(shí)，也可利用手性分子作為模板，通過手性分子的誘導(dǎo)促進(jìn)具有手性的納米顆粒的形成，如利用好半胱氨酸等，在兩個(gè)月前《Science》上報(bào)道了半胱氨作用下，Au納米顆粒形成含有兩級(jí)手性結(jié)構(gòu)的復(fù)雜納米顆粒?，并且表現(xiàn)出特殊的光學(xué)性質(zhì)，即對(duì)左、右旋光產(chǎn)生不對(duì)稱散射?(?超越自然！《Science》：人工制備高度復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)取得重要進(jìn)展)。僅僅時(shí)隔兩個(gè)月！《Science》再次報(bào)道了關(guān)于手性納米顆粒的相關(guān)研究。西班牙皇家科學(xué)院院士、歐洲科學(xué)院院士、英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士Luis M. Liz-Marzán教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了通過表面活性劑形成的手性膠束作為模板，制備了具有高手性活性的各向異性納米金，并且改變納米顆粒表面的手性尺寸可對(duì)其手性光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，該方法也適用于其他體系。該研究以題為?“Micelle-directed chiral seeded growth on anisotropic gold nanocrystals”?發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Science》上。
通過不對(duì)稱共表面活性劑形成的手性膠束為模板來制備具有高手性活性的各向異性納米金。混合膠束以明顯的形態(tài)和光學(xué)手性將定向生長(zhǎng)到納米棒上。金納米棒上尖銳的手性褶皺導(dǎo)致了具有高度不對(duì)稱因子（約0.20）的手性等離子體子模式。通過改變手性褶皺的尺寸，可以在可見光和近紅外電磁光譜范圍內(nèi)調(diào)節(jié)手性光學(xué)性質(zhì)。膠束誘導(dǎo)機(jī)制可擴(kuò)展到其他體系，例如在金納米棒上生長(zhǎng)手性鉑殼。該方法為制備具有高手性光學(xué)活性的納米顆粒提供了一種可重復(fù)、簡(jiǎn)單、可大尺度制備的方法。
前言導(dǎo)讀
手性是自然界的一個(gè)重要特征，它可以跨越長(zhǎng)度尺度，從亞原子粒子到分子和生物系統(tǒng)，到星系。由于手性材料與生物體的相互作用，可在其他領(lǐng)域提供重要的優(yōu)勢(shì)。例如，貴金屬納米晶體中手性等離子體模式引起了超材料領(lǐng)域和對(duì)映選擇性傳感探針設(shè)計(jì)的興趣。因此，等離子體納米結(jié)構(gòu)的制備已成為一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。
然而，生長(zhǎng)出不對(duì)稱形態(tài)的貴金屬晶體依舊具有較大挑戰(zhàn)。形成手性等離子體納米材料的制備通常是通過將非手性等離子金和銀納米粒子（NPs）與DNA、蛋白質(zhì)或聚合物纖維等分子模板組裝而成。近幾十年來，貴金屬納米粒子的膠體合成技術(shù)取得了很大的進(jìn)展，為制備包括手性納米顆粒在內(nèi)的多種形態(tài)的等離子體基元提供了現(xiàn)實(shí)的前景。例如加入含有手性的化學(xué)試劑，在生長(zhǎng)過程中手性氨基酸的存在可誘導(dǎo)NCs的形成，并具有明顯的利手性。最突出的例子是半胱氨酸和谷胱甘肽輔助合成螺旋狀納米結(jié)構(gòu)。
最近，添加諸如芳香族分子、脂肪酸或長(zhǎng)鏈烷基醇等助表面活性劑可進(jìn)一步改善膠體金納米粒子的質(zhì)量，尤其是納米棒的質(zhì)量。共表面活性劑嵌入CTAX表面活性劑聚集體的能力被認(rèn)為是為了增加膠束的剛性，誘導(dǎo)相變，或兩者兼而有之。
助表面活性劑對(duì)表面活性劑分子聚集行為的影響也可以擴(kuò)展到手性膠束的形成。例如，1,1′-bi（2-萘酚）[BINOL]，一種具有軸向手性（即反異構(gòu)體）的助表面活性劑，可以誘導(dǎo)形成具有手性活性的巨型蠕蟲狀膠束。
分子動(dòng)力學(xué)模擬膠束的組裝
分子動(dòng)力學(xué)模擬證實(shí)，在BINOL作為助表面活性劑存在的情況下，CTAC可以形成巨大圓柱形膠束（即，最長(zhǎng)60 nm；圖1A）?？紤]到它們的手性性質(zhì)，研究者觀察到局部膠束中心和膠束主軸之間的單位矢量呈螺旋分布，其手性取決于助表面活性劑立體異構(gòu)體的選擇。一個(gè)非螺旋線并沒有向特定方向盤繞的趨勢(shì)，所以這些向量之間形成的角平均值為零。在研究者的模擬中，平均角度不僅是有限的，而且呈正弦相關(guān)，顯示出明確的手性（圖1B）。由于苯環(huán)具有明顯的阿托品異構(gòu)體，研究者認(rèn)為它可以誘導(dǎo)螺旋手性到表面聚集物上，手性分子直接作用于任何手性分子或原子。在這種情況下，吸附的手性膠束將協(xié)助手性轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步將金屬原子沉積到納米棒表面。
在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了手性納米棒的生長(zhǎng)。(R)-BINOL與膠束溶液作為模板，用于金納米棒的生長(zhǎng)。通過CD光譜的初步表征揭示了中度手性表面等離子體共振帶的出現(xiàn)。HAADF-STEM對(duì)生長(zhǎng)在(R)-BINOL和表面活性劑混合物中的NPs進(jìn)行分析顯示，納米棒表面存在復(fù)雜的形貌即褶皺。研究者認(rèn)為是較強(qiáng)的穩(wěn)定劑的存在誘導(dǎo)金納米棒表面褶皺的形成。同時(shí)，研究者發(fā)現(xiàn)(R)- BINAMINE具有螺旋單位的矢量，這也側(cè)面驗(yàn)證了作者的猜想。研究人員通過斷層掃面技術(shù)對(duì)金納米棒表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，表面存在著復(fù)雜的褶皺。同時(shí)隨著金納米棒尺寸的增加，使用130×29nm金納米棒并用HAADF-STEM對(duì)其進(jìn)行表征。生長(zhǎng)程度最小的納米棒的電子斷層重建，即165nm長(zhǎng)，73nm厚，結(jié)果顯示，在垂直于垂直方向的垂直方向上出現(xiàn)了皺紋，并顯示了相對(duì)于短軸的0°到45°的角度（圖2D）。內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析表明，褶皺從金納米棒種子表面以高達(dá)約15至20 nm的準(zhǔn)徑向方向生長(zhǎng)，且持續(xù)3至4nm。平均晶間距為2nm到3nm（圖2E），得到的蠕蟲狀膠束寬度為3.75nm。這一發(fā)現(xiàn)可以說明正如最初假設(shè)的那樣，金納米棒的膠束定向手性生長(zhǎng)。
手性金納米棒的生長(zhǎng)
理想螺旋結(jié)構(gòu)的衍射峰為x形模式。研究人員將快速傅里葉變換用于三維重構(gòu)，通過快速傅里葉變換對(duì)手性的存在特征及逆行了可視化研究如圖3。從三維重構(gòu)圖中可明顯看出金納米棒表面的螺旋結(jié)構(gòu)，并且在金棒兩側(cè)的手性結(jié)構(gòu)比兩端更為明顯。作者認(rèn)為是金棒側(cè)面和兩端曲率不同所致，因此通過金球做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)金納米球表面僅僅得到并無(wú)明顯手性結(jié)構(gòu)的紋路，這一結(jié)果與研究人員的猜測(cè)一致。
手性金納米棒的量化分析
通過對(duì)金納米棒表面的手性結(jié)構(gòu)及逆行調(diào)控后，研究人員進(jìn)一步研究了手性金納米棒的尺寸對(duì)其光學(xué)活性的影響。當(dāng)納米棒尺寸從165×73增大到270×175nm時(shí)，正帶發(fā)生紅移，負(fù)帶最大值從1100向1350nm以上偏移。通過近紅外光譜進(jìn)一步分析擴(kuò)展，達(dá)到CD光譜儀（1600 nm）的極限，研究人員記錄到了更高的不對(duì)稱因子0.25到0.28。然而，1400-1500納米范圍內(nèi)的噪聲無(wú)法獲得更具說服力的證據(jù)來確認(rèn)精確值。當(dāng)使用不同尺寸和程度的各向同性金納米棒進(jìn)行手性生長(zhǎng)時(shí)，觀察到類似的光學(xué)活性變化趨勢(shì)。
手性金納米棒的光學(xué)活性
實(shí)驗(yàn)表明，金納米棒在表面活性劑混合物中的種子生長(zhǎng)可以很容易地獲得手性金納米結(jié)構(gòu)，而納米粒子膠體的響應(yīng)則是用二胺表面活性劑混合溶液得到的。穩(wěn)定的光譜特性來源于手性褶皺的形成。這些發(fā)現(xiàn)指出了混合膠束的雙重作用：（i）模板化褶皺的生長(zhǎng)（ii）形態(tài)特征的穩(wěn)定。
本文所描述的手性等離激元各向異性NCs的合成方法簡(jiǎn)單，重復(fù)性好，具有很大的潛力作為大規(guī)模制備膠體的化學(xué)方法。與基于小分子添加劑在納米顆粒表面直接化學(xué)吸附來誘導(dǎo)手性生長(zhǎng)相比，膠束定向生長(zhǎng)方法依賴于手性助表面活性劑引導(dǎo)螺旋膠束形成的能力。這種超分子組裝體與納米顆粒有足夠的作用位點(diǎn)，在生長(zhǎng)過程中通過多價(jià)效應(yīng)有效地將手性傳遞給納米顆粒。
作者介紹：
Luis M. Liz-Marzán?博士，西班牙國(guó)籍，1965年12月出生，工作于CIC bioma GUNE，為西班牙皇家科學(xué)院院士，歐洲科學(xué)院院士，英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士，并擔(dān)任西班牙皇家化學(xué)會(huì)膠體與界面分會(huì)主席。擔(dān)任SCIENCE期刊的評(píng)審編輯。Liz-Marzán教授致力于納米材料科學(xué)領(lǐng)域研究，多次獲得重要獎(jiǎng)項(xiàng)，包括Physical Chemistry Award of the Spanish Royal Society of Chemistry (2009)，Humboldt Research Award (2010)，Dupont Prize for Science (2010)，Burdinola Award (2011)以及the Inaugural ACS Nano Lectureship Award (2012)。Liz-Marzán教授目前擔(dān)任ACS Omega co-editor，并擔(dān)任包括Accounts of Chemical Research , Advanced Optical , Journal of Materials Chemistry B ,Journal of Physical Chemistry (A,B,C,Lett.) , Journal of Materials Chemistry , Nano Today、ACS Nano、Chem Mater, Theranostics 等在內(nèi)的多個(gè)權(quán)威期刊的編委。在Liz-Marzán教授20多年的學(xué)術(shù)生涯中，他已經(jīng)在如Science，Nature Materials，JACS, PNAS等國(guó)際主流期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文400余篇，文章被引次數(shù)超過30000次，h-index (WOS) = 91, 連續(xù)五年被Thomsom Reuters評(píng)為全球高被引學(xué)者。
課題組主頁(yè)：http://www.bionanoplasmonics.com/
