劉冬生

（清華大學(xué)化學(xué)系,北京 100084）

手性結(jié)構(gòu)及其調(diào)控與生命現(xiàn)象密切相關(guān)，是當(dāng)今化學(xué)、物理、材料、生物等眾多學(xué)科中重要的研究方向［1～3］.人體中存在多層次的手性結(jié)構(gòu)，從手性氨基酸小分子，到手性細(xì)胞、血管、韌帶、肌肉纖維，再到器官和肢體［4］.同時(shí)，很多重大疾病也伴隨著具有手性結(jié)構(gòu)物質(zhì)的生成，如阿爾茲海默癥中的Aβ淀粉樣纖維和2型糖尿病及胰腺癌的重要生物標(biāo)志物人胰島淀粉樣多肽（hIAPP）纖維，都具有左手螺旋結(jié)構(gòu)［5］.在體內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測這些螺旋纖維的生成過程及藥物對其消解作用，對此類疾病的早期檢測和治療具有重要的意義［6］.但這些淀粉樣螺旋纖維的手性信號極弱［各向異性因子（g-factor）只有10-5～-3］，且難以與體內(nèi)其它手性分子區(qū)分（均在波長為200～280 nm的深紫外區(qū)）［7］.

表面等離子體納米粒子可與可見光和近紅外光發(fā)生共振，具有高極化性，有助于手性信號的轉(zhuǎn)移和增強(qiáng)［7～9］.表面等離子納米粒子與手性生物分子相結(jié)合，為手性材料的制備及在生命醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用帶來了新的機(jī)遇.但目前仍缺少獲得精準(zhǔn)手性結(jié)構(gòu)高效和普適的方法及預(yù)測手性結(jié)構(gòu)與g-factor 之間構(gòu)效關(guān)系的理論，這嚴(yán)重制約了手性材料的發(fā)展和應(yīng)用.

吉林大學(xué)劉堃等與美國密西根大學(xué)Nicholas A.Kotov 等和巴西圣卡洛斯聯(lián)邦大學(xué)Andre Farias de Moura等聯(lián)合發(fā)表了關(guān)于通過超分子相互作用構(gòu)筑長程有序表面等離子體手性組裝結(jié)構(gòu)，從而提高了光學(xué)不對稱性的工作［10］.與通常認(rèn)為的蛋白質(zhì)或多肽在納米粒子表面會發(fā)生變性不同［11］，金納米棒與所吸附的hIAPP之間的超分子作用可使其從高能態(tài)的無規(guī)線團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軕B(tài)的折疊結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)加速其纖維化過程，并且表面吸附hIAPP的金納米棒可進(jìn)一步與溶液中的hIAPP精準(zhǔn)地共組裝，構(gòu)筑長達(dá)幾十或上百微米、具有類似于手性液晶（Smectic C*）的長程有序的納米螺旋纖維（圖1），其螺距為160 nm，由3個(gè)長為50 nm的納米棒盤旋而成3-Helix的結(jié)構(gòu).

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，單一液晶分子的g-factor 通常極小（＜10-4），但通過長程有序排列可使g-factor 增加到0.01或達(dá)到最大值1.與手性液晶的這一現(xiàn)象類似，劉堃等［10］利用超分子相互作用，通過精準(zhǔn)組裝形成的長程有序納米螺旋纖維的g-factor 可高達(dá)0.12，與未組裝的hIAPP 修飾的金納米棒相比增強(qiáng)了4600倍.他們進(jìn)一步通過理論模擬計(jì)算證明，長程有序的結(jié)構(gòu)對獲得高g-factor起到關(guān)鍵作用，這樣的結(jié)構(gòu)可將分別對應(yīng)左、右旋圓偏振光的2種表面等離子振動能級差最大化，實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為CD光譜中波峰間距Δλ的最大化，并由此提出了g-factor與Δλ呈現(xiàn)出負(fù)指數(shù)關(guān)系，即.該理論闡釋了手性納米結(jié)構(gòu)與g-factor之間的構(gòu)效關(guān)系，可為設(shè)計(jì)手性納米結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo).

高g-factor 使得hIAPP-金納米棒螺旋纖維具有液晶般的旋光能力，可在兩片互相垂直的偏振片間選擇性地透過深紅光和近紅外光，而透過光的強(qiáng)弱與所形成螺旋纖維的濃度呈正相關(guān).與傳統(tǒng)的依靠吸收或者熒光光譜的檢測技術(shù)相比，利用深紅光和近紅外光旋光性來檢測可以有效克服復(fù)雜生物介質(zhì)的背景干擾，增加光信號的維度（即左旋和右旋性），只需簡易的檢測設(shè)備（兩片偏振片）即可實(shí)現(xiàn)對淀粉樣纖維的生成過程和藥物消解作用的裸眼檢測.該技術(shù)為手性納米材料在復(fù)雜生物介質(zhì)中的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).