超分子作用构筑具有高光学不对称性的表面等离子纳米粒子手性组装体

刘冬生

（清华大学化学系,北京 100084）

手性结构及其调控与生命现象密切相关，是当今化学、物理、材料、生物等众多学科中重要的研究方向［1～3］.人体中存在多层次的手性结构，从手性氨基酸小分子，到手性细胞、血管、韧带、肌肉纤维，再到器官和肢体［4］.同时，很多重大疾病也伴随着具有手性结构物质的生成，如阿尔兹海默症中的Aβ淀粉样纤维和2型糖尿病及胰腺癌的重要生物标志物人胰岛淀粉样多肽（hIAPP）纤维，都具有左手螺旋结构［5］.在体内实时监测这些螺旋纤维的生成过程及药物对其消解作用，对此类疾病的早期检测和治疗具有重要的意义［6］.但这些淀粉样螺旋纤维的手性信号极弱［各向异性因子（g-factor）只有10-5～-3］，且难以与体内其它手性分子区分（均在波长为200～280 nm的深紫外区）［7］.

表面等离子体纳米粒子可与可见光和近红外光发生共振，具有高极化性，有助于手性信号的转移和增强［7～9］.表面等离子纳米粒子与手性生物分子相结合，为手性材料的制备及在生命医学中的应用带来了新的机遇.但目前仍缺少获得精准手性结构高效和普适的方法及预测手性结构与g-factor 之间构效关系的理论，这严重制约了手性材料的发展和应用.

吉林大学刘堃等与美国密西根大学Nicholas A.Kotov 等和巴西圣卡洛斯联邦大学Andre Farias de Moura等联合发表了关于通过超分子相互作用构筑长程有序表面等离子体手性组装结构，从而提高了光学不对称性的工作［10］.与通常认为的蛋白质或多肽在纳米粒子表面会发生变性不同［11］，金纳米棒与所吸附的hIAPP之间的超分子作用可使其从高能态的无规线团转变为低能态的折叠结构，从而促进加速其纤维化过程，并且表面吸附hIAPP的金纳米棒可进一步与溶液中的hIAPP精准地共组装，构筑长达几十或上百微米、具有类似于手性液晶（Smectic C*）的长程有序的纳米螺旋纤维（图1），其螺距为160 nm，由3个长为50 nm的纳米棒盘旋而成3-Helix的结构.

Fig.1 Assembly of hIAPPs with NRs producing LC-like helices with long-range order(A―G) and accelerated drug screening using high-g assemblies(H―J)[10]

在手性液晶中，单一液晶分子的g-factor 通常极小（＜10-4），但通过长程有序排列可使g-factor 增加到0.01或达到最大值1.与手性液晶的这一现象类似，刘堃等［10］利用超分子相互作用，通过精准组装形成的长程有序纳米螺旋纤维的g-factor 可高达0.12，与未组装的hIAPP 修饰的金纳米棒相比增强了4600倍.他们进一步通过理论模拟计算证明，长程有序的结构对获得高g-factor起到关键作用，这样的结构可将分别对应左、右旋圆偏振光的2种表面等离子振动能级差最大化，实验中表现为CD光谱中波峰间距Δλ的最大化，并由此提出了g-factor与Δλ呈现出负指数关系，即.该理论阐释了手性纳米结构与g-factor之间的构效关系，可为设计手性纳米结构提供指导.

高g-factor 使得hIAPP-金纳米棒螺旋纤维具有液晶般的旋光能力，可在两片互相垂直的偏振片间选择性地透过深红光和近红外光，而透过光的强弱与所形成螺旋纤维的浓度呈正相关.与传统的依靠吸收或者荧光光谱的检测技术相比，利用深红光和近红外光旋光性来检测可以有效克服复杂生物介质的背景干扰，增加光信号的维度（即左旋和右旋性），只需简易的检测设备（两片偏振片）即可实现对淀粉样纤维的生成过程和药物消解作用的裸眼检测.该技术为手性纳米材料在复杂生物介质中的生物医学应用奠定了基础.