重磅！时隔两月再发《Science》：手性纳米颗粒为何如此诱人？

　　谈到手性，我们不得不谈到2019年度国家科技奖上，获得中国科学价值最高的自然科学奖一等奖的创新型研究-南开大学周其林院士团队“高效手性螺环催化剂的发现”。

　　手性，自然界鬼斧神工之作

　　手性究竟具有怎样的特征，研究者又如何利用手性构筑复杂精细结构？手性的学术定义：互成镜像，但相互不能重叠。

　　周其林院士谈到，“手性”是自然界的一种现象。大到我们的宇宙星云，小到比如蜗牛、牵牛花，仔细观察，都有特定的方向。像蜗牛的壳，都是右手螺旋；牵牛花的藤，生长时也总是以右手螺旋方向缠绕。在更小尺度的微观分子层面，也有类似现象。比如组成我们生命的一些基本物质，氨基酸分子都是左旋的，糖分子都是右旋的，这些现象被称为手性现象。

　　微观手性分子能组成宏观手性物体，但组成宏观手性物体并不一定需要微观手性物质。也就是说，“非手性的微观物质，如非手性分子也能组装成宏观手性物体”。

　　图例：蜗牛的壳以及牵牛花的藤，右手螺旋（摘自网络）。

　　手性，与生活密切相关

　　比如咖啡和冷饮里面用到的“健康糖”，这个东西其实不是糖，而是两个氨基酸组成的肽，是一种甜味剂，吃了不会发胖，并且比糖甜200倍，2毫克就相当于原来一大包糖。组成“健康糖”的两个氨基酸分子都是单一手性的。如果是另一种手性，则味道是苦的。

　　另一个例子则让部分家庭陷入悲痛之中，同时也为药剂公司和药物研发者们敲响警钟，即上世纪50年代的“ 反应停”事件。这是一种药物，学名叫沙利度胺，其分子是手性的，其中， 右旋分子有镇静功效，而左旋分子却会导致胎儿畸形。当时人们将右旋分子和左旋分子的混合物一同入药，用于治疗孕妇在孕早期的妊娠呕吐，结果导致大批畸形婴儿的出生。

　　手性纳米颗粒的构筑

　　当我们了解手性后，我们如何利用这种独特的现象来构筑具有手性特征的纳米颗粒呢？同时，手性纳米颗粒又具有怎样的特殊性质呢？目前大多数研究是设计具有手性的高分子，利用手性分子的特点，在溶液中通过自组装的方法构筑具有手性的组装体 (Moebius strips of chiral block copolymers.doi.org/10.1038/s41467-019-11991-3). 同时，也可利用手性分子作为模板，通过手性分子的诱导促进具有手性的纳米颗粒的形成，如利用好半胱氨酸等，在两个月前《Science》上报道了半胱氨作用下，Au纳米颗粒形成含有两级手性结构的复杂纳米颗粒 ，并且表现出特殊的光学性质，即对左、右旋光产生不对称散射 ( )。仅仅时隔两个月！《Science》再次报道了关于手性纳米颗粒的相关研究。西班牙皇家科学院院士、欧洲科学院院士、英国皇家化学会会士Luis M. Liz-Marzán教授团队报道了通过表面活性剂形成的手性胶束作为模板，制备了具有高手性活性的各向异性纳米金，并且改变纳米颗粒表面的手性尺寸可对其手性光学性质进行调节，该方法也适用于其他体系。该研究以题为 “Micelle-directed chiral seeded growth on anisotropic gold nanocrystals” 发表在国际顶级期刊《Science》上。

　　通过不对称共表面活性剂形成的手性胶束为模板来制备具有高手性活性的各向异性纳米金。混合胶束以明显的形态和光学手性将定向生长到纳米棒上。金纳米棒上尖锐的手性褶皱导致了具有高度不对称因子（约0.20）的手性等离子体子模式。通过改变手性褶皱的尺寸，可以在可见光和近红外电磁光谱范围内调节手性光学性质。胶束诱导机制可扩展到其他体系，例如在金纳米棒上生长手性铂壳。该方法为制备具有高手性光学活性的纳米颗粒提供了一种可重复、简单、可大尺度制备的方法。

　　前言导读

　　手性是自然界的一个重要特征，它可以跨越长度尺度，从亚原子粒子到分子和生物系统，到星系。由于手性材料与生物体的相互作用，可在其他领域提供重要的优势。例如，贵金属纳米晶体中手性等离子体模式引起了超材料领域和对映选择性传感探针设计的兴趣。因此，等离子体纳米结构的制备已成为一个活跃的研究领域。然而，生长出不对称形态的贵金属晶体依旧具有较大挑战。形成手性等离子体纳米材料的制备通常是通过将非手性等离子金和银纳米粒子（NPs）与DNA、蛋白质或聚合物纤维等分子模板组装而成。近几十年来，贵金属纳米粒子的胶体合成技术取得了很大的进展，为制备包括手性纳米颗粒在内的多种形态的等离子体基元提供了现实的前景。例如加入含有手性的化学试剂，在生长过程中手性氨基酸的存在可诱导NCs的形成，并具有明显的利手性。最突出的例子是半胱氨酸和谷胱甘肽辅助合成螺旋状纳米结构。

　　最近，添加诸如芳香族分子、脂肪酸或长链烷基醇等助表面活性剂可进一步改善胶体金纳米粒子的质量，尤其是纳米棒的质量。共表面活性剂嵌入CTAX表面活性剂聚集体的能力被认为是为了增加胶束的刚性，诱导相变，或两者兼而有之。助表面活性剂对表面活性剂分子聚集行为的影响也可以扩展到手性胶束的形成。例如，1,1′-bi（2-萘酚）[BINOL]，一种具有轴向手性（即反异构体）的助表面活性剂，可以诱导形成具有手性活性的巨型蠕虫状胶束。

　　分子动力学模拟胶束的组装

　　分子动力学模拟证实，在BINOL作为助表面活性剂存在的情况下，CTAC可以形成巨大圆柱形胶束（即，最长60 nm；图1A）。考虑到它们的手性性质，研究者观察到局部胶束中心和胶束主轴之间的单位矢量呈螺旋分布，其手性取决于助表面活性剂立体异构体的选择。一个非螺旋线并没有向特定方向盘绕的趋势，所以这些向量之间形成的角平均值为零。在研究者的模拟中，平均角度不仅是有限的，而且呈正弦相关，显示出明确的手性（图1B）。由于苯环具有明显的阿托品异构体，研究者认为它可以诱导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。在这种情况下，吸附的手性胶束将协助手性转移，进一步将金属原子沉积到纳米棒表面。

　　图1.分子动力学模拟胶束结构以及胶束在金纳米棒上的组装行为。

　　在模拟结果的基础上，实验实现了手性纳米棒的生长。(R)-BINOL与胶束溶液作为模板，用于金纳米棒的生长。通过CD光谱的初步表征揭示了中度手性表面等离子体共振带的出现。HAADF-STEM对生长在(R)-BINOL和表面活性剂混合物中的NPs进行分析显示，纳米棒表面存在复杂的形貌即褶皱。研究者认为是较强的稳定剂的存在诱导金纳米棒表面褶皱的形成。同时，研究者发现(R)- BINAMINE具有螺旋单位的矢量，这也侧面验证了作者的猜想。研究人员通过断层扫面技术对金纳米棒表面结构进行分析，表面存在着复杂的褶皱。同时随着金纳米棒尺寸的增加，使用130×29nm金纳米棒并用HAADF-STEM对其进行表征。生长程度最小的纳米棒的电子断层重建，即165nm长，73nm厚，结果显示，在垂直于垂直方向的垂直方向上出现了皱纹，并显示了相对于短轴的0°到45°的角度（图2D）。内部结构的详细分析表明，褶皱从金纳米棒种子表面以高达约15至20 nm的准径向方向生长，且持续3至4nm。平均晶间距为2nm到3nm（图2E），得到的蠕虫状胶束宽度为3.75nm。这一发现可以说明正如最初假设的那样，金纳米棒的胶束定向手性生长。

　　手性金纳米棒的生长

　　图2. 金纳米棒在胶束体系中的手性生长以及形貌和尺寸的影响。

　　理想螺旋结构的衍射峰为x形模式。研究人员将快速傅里叶变换用于三维重构，通过快速傅里叶变换对手性的存在特征及逆行了可视化研究如图3。从三维重构图中可明显看出金纳米棒表面的螺旋结构，并且在金棒两侧的手性结构比两端更为明显。作者认为是金棒侧面和两端曲率不同所致，因此通过金球做对比，发现金纳米球表面仅仅得到并无明显手性结构的纹路，这一结果与研究人员的猜测一致。

　　手性金纳米棒的量化分析

　　图3. 手性特征的量化分析。

　　通过对金纳米棒表面的手性结构及逆行调控后，研究人员进一步研究了手性金纳米棒的尺寸对其光学活性的影响。当纳米棒尺寸从165×73增大到270×175nm时，正带发生红移，负带最大值从1100向1350nm以上偏移。通过近红外光谱进一步分析扩展，达到CD光谱仪（1600 nm）的极限，研究人员记录到了更高的不对称因子0.25到0.28。然而，1400-1500纳米范围内的噪声无法获得更具说服力的证据来确认精确值。当使用不同尺寸和程度的各向同性金纳米棒进行手性生长时，观察到类似的光学活性变化趋势。

　　手性金纳米棒的光学活性

　　图4. 金纳米棒的维度对手性等离子体活性的影响。

　　实验表明，金纳米棒在表面活性剂混合物中的种子生长可以很容易地获得手性金纳米结构，而纳米粒子胶体的响应则是用二胺表面活性剂混合溶液得到的。稳定的光谱特性来源于手性褶皱的形成。这些发现指出了混合胶束的双重作用：（i）模板化褶皱的生长（ii）形态特征的稳定。

　　本文所描述的手性等离激元各向异性NCs的合成方法简单，重复性好，具有很大的潜力作为大规模制备胶体的化学方法。与基于小分子添加剂在纳米颗粒表面直接化学吸附来诱导手性生长相比，胶束定向生长方法依赖于手性助表面活性剂引导螺旋胶束形成的能力。这种超分子组装体与纳米颗粒有足够的作用位点，在生长过程中通过多价效应有效地将手性传递给纳米颗粒。

　　作者介绍：

　　Luis M. Liz-Marzán 博士，西班牙国籍，1965年12月出生，工作于CIC bioma GUNE，为西班牙皇家科学院院士，欧洲科学院院士，英国皇家化学会会士，并担任西班牙皇家化学会胶体与界面分会主席。担任SCIENCE期刊的评审编辑。Liz-Marzán教授致力于纳米材料科学领域研究，多次获得重要奖项，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教授目前担任ACS Omega co-editor，并担任包括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 等在内的多个权威期刊的编委。在Liz-Marzán教授20多年的学术生涯中，他已经在如Science，Nature Materials，JACS, PNAS等国际主流期刊上发表学术论文400余篇，文章被引次数超过30000次，h-index (WOS) = 91, 连续五年被Thomsom Reuters评为全球高被引学者。

　　课题组主页：www.bionanoplasmonics.com

　　来源：高分子科学前沿