韓布興

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納米螺旋結(jié)構(gòu)中的手性信息與激發(fā)態(tài)能量的多重傳遞

韓布興

(中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，膠體、界面與化學(xué)熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

作為三維物體的基本屬性之一，手性廣泛存在于自然界中。對(duì)于手性的研究不僅有助于我們加深對(duì)地球生命甚至宇宙起源的認(rèn)識(shí)，而且在生命科學(xué)、以及材料科學(xué)等領(lǐng)域也有著重要的作用。在手性科學(xué)研究中，除了分子層次的手性以外，分子以上層次尤其是納米尺度上的手性問(wèn)題研究正在引起人們的廣泛興趣1,2。生命體系中有機(jī)分子自下而上的多級(jí)次組裝是生命世界形成的主要形式之一。這種多級(jí)次組裝體系中的信號(hào)傳遞、能量轉(zhuǎn)移、手性信息的交互等決定著生理機(jī)能的運(yùn)行本質(zhì)3,4。因此，越來(lái)越多的研究都集中在模擬生命體系中各種信息的傳遞、轉(zhuǎn)移、遷移、轉(zhuǎn)換和交互的過(guò)程。在人工超分子自組裝體系的手性研究中，大部分工作都集中在單一手性信息通道的研究，將手性和能量信息通道結(jié)合起來(lái)研究并獲得放大的功能的報(bào)道很少。

最近，國(guó)家納米科學(xué)中心段鵬飛研究員課題組和中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所劉鳴華研究員課題組合作，成功地將手性信息和圓偏振發(fā)光能量集成構(gòu)筑在自組裝的納米螺旋纖維中，并研究了手性信息和能量信息在復(fù)合超分子納米螺旋纖維結(jié)構(gòu)中的傳遞和表達(dá)，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在上5。他們?cè)O(shè)計(jì)合成了一個(gè)含有手性谷氨酰胺衍生物的凝膠因子，分子內(nèi)核含有一個(gè)具有自組裝誘導(dǎo)的熒光增強(qiáng)特性的發(fā)光基團(tuán)。他們發(fā)現(xiàn)，這個(gè)分子具有很好的自組裝特性，在二甲基亞砜/水混合溶劑中可以形成非常穩(wěn)定的凝膠。詳細(xì)的形貌和手性光譜研究表明，在分子組裝形成納米螺旋結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，手性信息成功地從分子尺度傳遞到超分子層次上。當(dāng)將非手性的9,10-雙苯乙炔基蒽染料摻雜到凝膠體系中，染料和凝膠因子可以發(fā)生共組裝形成納米螺旋結(jié)構(gòu)。并且在共組裝的過(guò)程中，凝膠因子的手性在超分子層次上傳遞到原本非手性的染料分子上。從能量轉(zhuǎn)移的角度講，在共組裝的納米螺旋纖維中，凝膠因子可以通過(guò)熒光共振能量轉(zhuǎn)移的方式將能量傳遞給染料受體。這樣在自組裝的納米螺旋結(jié)構(gòu)中成功地構(gòu)筑了基于手性和能量的雙通道信息傳遞系統(tǒng)。進(jìn)一步研究組裝體系的圓偏振發(fā)光時(shí)發(fā)現(xiàn)，在凝膠因子受到光激發(fā)，再通過(guò)熒光共振能量轉(zhuǎn)移將能量傳遞給染料受體后，受體發(fā)射的圓偏振熒光的發(fā)光不對(duì)稱因子(lum)比直接激發(fā)受體所表現(xiàn)出的不對(duì)稱因子增強(qiáng)了2.5倍。因此，在復(fù)合體系中，非手性的受體分子可以同時(shí)捕獲給體的手性和能量，同時(shí)表現(xiàn)出超分子手性和能量轉(zhuǎn)移放大的圓偏振發(fā)光。

這一研究成果提出了自組裝體系中手性和能量傳遞的新思路，為研究和設(shè)計(jì)新的手性功能組裝材料提供了全新的啟示。

(1) Cornelissen, J.; Rowan, A. E.; Nolte, R. J. M.; Sommerdijk, N.2001,, 4039. doi: 10.1021/cr990126i.

(2) Liu, M. H.; Zhang, L.; Wang, T. Y.2015,, 7304. doi: 10.1021/cr500671p

(3) Beljonne, D.; Curutchet, C.; Scholes, G. D.; Silbey, R. J.2009,, 6583. doi: 10.1021/jp900708f

(4) Struempfer, J.; Sener, M. ; Schulten, K.2012,, 536. doi: 10.1021/jz201459c

(5) Yang, D.; Duan, P. F.; Zhang, L.; Liu, M. H.2017,, 15727. doi: 10.1038/ncomms15727

Hierarchical Transfer and Communication of Chiroptical Information and Excited Energy in Nanohelix

HAN Buxing

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10.3866/PKU.WHXB201706261