手性等離激元納米結(jié)構(gòu)制備及其應(yīng)用

陳佳琪，鐘 婷，盧 茜，孫豐云，吳曉春

(1.成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610106；2.四川省粉末冶金工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610106；3.國(guó)家納米科學(xué)中心，北京 100190)

0 引 言

手性是非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的分支，手性結(jié)構(gòu)無(wú)法通過(guò)平移、旋轉(zhuǎn)等空間運(yùn)動(dòng)與它的鏡像重合(如圖1(a)所示)，具有與之鏡像結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為其手性對(duì)映體.手性在自然界物質(zhì)普遍存在(如圖1(b)所示)，小到納米級(jí)的氨基酸分子、糖類(lèi)，微米級(jí)的DNA、蛋白質(zhì)，植物、動(dòng)物(貝殼、蝸牛、甚至是人的雙手)，大到宇宙中的某些星系都體現(xiàn)出手性現(xiàn)象.手性幾乎是生命物質(zhì)的基本特征[1]，人們正是發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋手性結(jié)構(gòu)才解開(kāi)了生命遺傳信息復(fù)制和傳遞的秘密.因此，理解分子的手性及手性對(duì)映體的選擇性，對(duì)于理解生命生化反應(yīng)有著重要的意義.

圖1 手性的概念

手性等離激元納米結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生表面等離激元共振相關(guān)的偶極增強(qiáng)，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的等離激元圓二色(Plasmonic Circular Dichroism,PCD)信號(hào).多個(gè)納米粒子的組裝結(jié)構(gòu)也可能相互耦合共振，從而產(chǎn)生擴(kuò)展到整個(gè)組裝體的集體PCD模式.手性等離激元納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也非常豐富[2-3].目前，由于合成方法和檢測(cè)手段的局限，手性等離激元光子學(xué)的快速發(fā)展還面臨不少挑戰(zhàn),因此，對(duì)手性無(wú)機(jī)納米結(jié)構(gòu)的普遍構(gòu)筑方法進(jìn)行總結(jié)，對(duì)目前研究中存在的不足進(jìn)行分析，并討論可能的解決方案是很重要的.

1 手性基本概念

檢測(cè)手性光學(xué)活性的原理如圖2所示.

圖2 檢測(cè)手性光學(xué)活性的原理示意圖

光是一種電磁波，由相互垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)周期振動(dòng)傳播構(gòu)成.自然光中包括了各個(gè)方向上振動(dòng)的光，如圖2(a)所示，把一束光通過(guò)一個(gè)偏振片后，可以濾掉其他方向上振動(dòng)的多余光波，得到在一個(gè)方向上振動(dòng)的光，即線偏振光，由于其光矢量都在一個(gè)平面內(nèi)又被稱(chēng)為平面偏振光.線偏振光的電磁場(chǎng)振幅不變，振動(dòng)的方向也不隨傳播的距離發(fā)生變化.而圓偏振光是在振幅不變的情況下，振動(dòng)方向隨著時(shí)間發(fā)生旋轉(zhuǎn)，最大振幅軌道呈現(xiàn)圓形，如圖2(b)所示.迎著圓偏振光來(lái)的方向，電矢量順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的圓偏振光叫右旋圓偏振光，相反為左旋圓偏振光.圖2(c)中的波矢量代表線偏振光，可以看作是兩個(gè)振幅相同的左右旋圓偏振光的疊加，波矢量箭頭方向代表疊加線偏振光的振動(dòng)方向.檢測(cè)到疊加的線偏振光不僅在方向上發(fā)生變化，而且在不同的振動(dòng)方向上振幅不同，最大振幅軌跡呈現(xiàn)橢圓狀，這種性質(zhì)被稱(chēng)作物質(zhì)的圓二色性(circular dichroism,CD).

用橢圓偏振光的橢圓度θ表示物質(zhì)的圓二色性，如圖3所示.θ和左右旋圓偏振光的振幅EL和ER之間的關(guān)系可以用公式(1)表示，

圖3 右和左旋圓偏振光對(duì)橢圓偏振光的不均勻貢獻(xiàn)

(1)

式中，I表示檢測(cè)到的光強(qiáng),當(dāng)IL和IR相等時(shí)，θ為0，疊加是線偏振光;如果IL或IR其中任何一個(gè)為0，則θ最大為45°，為單一的圓偏振光.通常得到的IL和IR的差別很小，因此θ很小，單位用毫度(mdge)表示.根據(jù)左右旋光吸光度的差值△A=AR-AL,由公式(2)可近似求θ,

θ(mdeg)=32 982△A

(2)

另外，Kuhn定義了一個(gè)無(wú)量綱的量，不對(duì)稱(chēng)因子(g因子)，其不受樣品的濃度和光程影響，可用于不同系統(tǒng)間光學(xué)活性的定量比較，并可根據(jù)測(cè)量的吸光值和CD值計(jì)算.

(3)

2 手性等離激元納米結(jié)構(gòu)的分類(lèi)

近年來(lái)，手性等離激元光子學(xué)發(fā)展迅速[4-5].具有光學(xué)活性的等離激元納米結(jié)構(gòu)主要分為3種：1)具有手性形狀等離激元納米結(jié)構(gòu)；2)非手性的等離激元納米結(jié)構(gòu)組裝的手性納米結(jié)構(gòu);3)非手性的等離激元納米結(jié)構(gòu)與手性分子偶極—偶極相互作用.對(duì)于這些手性等離激元納米結(jié)構(gòu)，其光學(xué)活性主要表現(xiàn)在局域等離激元共振相關(guān)的圓二色信號(hào)，即等離激元圓二色性(PCD)，具體如圖4所示.

圖4 3種可能產(chǎn)生PCD的等離激元納米結(jié)構(gòu)

2.1 誘導(dǎo)的等離激元圓二色性

理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，手性分子吸附到等離激元納米結(jié)構(gòu)上會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)的PCD信號(hào)，從實(shí)驗(yàn)觀察到，在玻璃平面上的金納米半球表面吸附手性分子后，能在600 nm左右產(chǎn)生PCD信號(hào)[9]，更重要的是，該P(yáng)CD信號(hào)隨著金納米球表面的非手性隔層厚度的增加，手性分子和金納米球之間的距離加大而逐漸減弱直到消失.

2.2 手性形狀的等離激元納米結(jié)構(gòu)

有理論計(jì)算預(yù)測(cè)，即使有很小的螺旋凹槽或凸起出現(xiàn)在金納米球上，都會(huì)在金納米球的局域等離激元共振峰附近出現(xiàn)CD，即PCD信號(hào)[7-8].然而，實(shí)驗(yàn)上很難證實(shí)，因?yàn)楹茈y從形貌上判別這種微弱手性形狀的生成[9].

很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，制備具有手性形狀的等離激元納米結(jié)構(gòu)的方法是直接采用“自上而下”的加工方式[8]，如采用聚焦離子束、電子束光刻、掠射角沉積、多光子激光直接寫(xiě)技術(shù)以及全息光刻來(lái)構(gòu)筑具有手性形狀的納米結(jié)構(gòu)，如圖5所示.圖5采用“自上而下”的加工方法構(gòu)筑的手性形狀的等離激元納

圖5 手性形狀的等離激元納米顆粒類(lèi)型

米結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出了很強(qiáng)的手性光學(xué)活性，一般分為以下3種：1)平面的手性結(jié)構(gòu)[10]，如螺旋槳形狀的和卍字形結(jié)構(gòu)；2)三維的手性結(jié)構(gòu)[8,11]，如螺旋柱狀結(jié)構(gòu)，兩種或多種非手性的結(jié)構(gòu)螺旋堆疊的結(jié)構(gòu)等；3)手性等離激元陣列[12]，相對(duì)于前兩種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑過(guò)程最簡(jiǎn)單.

2.3 手性組裝體的等離激元納米結(jié)構(gòu)

目前，最常見(jiàn)的策略就是采用一個(gè)大的手性模板，將非手性的等離激元納米結(jié)構(gòu)組裝成一個(gè)手性超結(jié)構(gòu)，等離激元納米結(jié)構(gòu)之間耦合而產(chǎn)生PCD響應(yīng)，具體如圖6所示.利用各種各樣的手性模板，借助共價(jià)或非共價(jià)相互作用，將等離激元納米結(jié)構(gòu)吸附到模板上形成手性排列.第一個(gè)觀察到PCD響應(yīng)的手性組裝結(jié)構(gòu)是雙鏈的DNA模板上吸附銀納米顆粒的結(jié)構(gòu)[13]，隨后，DNA就被廣泛用作手性組裝的模板[14-15].在D-和L-二苯基丙氨酸肽吸附的納米管上吸附的等離激元納米粒子團(tuán)簇，也顯示出了鏡像對(duì)稱(chēng)的PCD信號(hào)[16].在進(jìn)一步的發(fā)展中，Guerrero-Martínez 等[17]將蒽醌基草酰酰胺制成的手性超分子纖維用于組裝各向異性的金納米棒，得到了不那么完美的螺旋組裝結(jié)構(gòu)，卻產(chǎn)生了很強(qiáng)的PCD信號(hào);此后，許多其他類(lèi)型的模板，包括氨基酸[18]、磷脂[19]、納米晶[20]都被用于了組裝.最近，Oda等[21]將手性二氧化硅用于組裝納米顆粒，通過(guò)改變模板的螺距和螺旋度以及納米顆粒的大小，實(shí)現(xiàn)了PCD信號(hào)的調(diào)制.Kumacr等[22]用蛋白纖維作為模板的等離激元納米結(jié)構(gòu)組裝結(jié)構(gòu)，可用于檢測(cè)帕金森氏病和朊病毒病.

圖6 組裝的手性空間結(jié)構(gòu)的模板種類(lèi)[20-28]

可以看出，目前使用的模板很大一部分是由生物分子構(gòu)成的，因此這種技術(shù)可以在生物檢測(cè)、傳感和治療中得到廣泛的應(yīng)用[2].

3 應(yīng)用前景

近年來(lái)，手性等離激元納米結(jié)構(gòu)的合成和機(jī)理研究取得了一定的進(jìn)展，研究人員正致力于尋找這些材料的合理應(yīng)用.盡管手性等離激元納米結(jié)構(gòu)在許多領(lǐng)域都有潛在應(yīng)用，但仍面臨諸多挑戰(zhàn).

3.1 手性檢測(cè)

手性等離激元納米結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的旋光性，可用于某些疾病的檢測(cè)和治療.通過(guò)組裝納米結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步增強(qiáng)光學(xué)響應(yīng)，從而提高潛在檢測(cè)平臺(tái)的靈敏度.在這個(gè)方向上，胥傳來(lái)等已經(jīng)將手性等離激元納米結(jié)構(gòu)用于DNA[24]、microRNA[25]、癌癥生物標(biāo)志物[26]和某些糖蛋白的檢測(cè)[27].

Kumar等[22]將金納米棒的手性組裝結(jié)構(gòu)應(yīng)用到了帕金森病的淀粉樣原纖維檢測(cè)中.基于金納米棒與穩(wěn)定的單體蛋白和感染的纖維蛋白之間存在不同的相互作用，金納米棒組裝體的PCD信號(hào)可以用來(lái)區(qū)分單體的和纖維狀態(tài)的蛋白質(zhì)如圖7所示.此傳感技術(shù)還應(yīng)用于人類(lèi)大腦勻漿的檢測(cè)，顯示在可見(jiàn)和近紅外光譜范圍內(nèi)的PCD信號(hào)，為區(qū)分帕金森患者和健康大腦樣本提供了可能，證實(shí)了其作為檢測(cè)平臺(tái)應(yīng)用于神經(jīng)退化性疾病的廣泛潛力.

圖7 手性納米結(jié)構(gòu)在疾病檢測(cè)以及催化方面的應(yīng)用

3.2 手性催化

實(shí)際上，手性對(duì)映異構(gòu)化合物的富集和純化是通過(guò)同手性催化劑介導(dǎo)的對(duì)映體分化或拆分反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的[28-29]，包括小的同手性分子，以及高分子和超分子手性催化劑.另一方面，手性無(wú)機(jī)晶體表面為區(qū)分不同的對(duì)映異構(gòu)體提供了途徑[30].最近，四川大學(xué)楊成團(tuán)隊(duì)，南方科技大學(xué)王陽(yáng)剛團(tuán)隊(duì)和香港浸會(huì)大學(xué)黃陟峰團(tuán)隊(duì)合作，首次通過(guò)分步傳遞的方式，將宏觀旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)的螺旋信息轉(zhuǎn)化為分子手性偏向，實(shí)現(xiàn)了2-蒽羧酸(AC)的選擇性手性光化學(xué)環(huán)二聚(光手性)反應(yīng)，如圖7(b)所示[23].

3.3 生物醫(yī)學(xué)方面

手性等離激元納米材料另一個(gè)備受關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域是生物醫(yī)學(xué).

納米粒子細(xì)胞內(nèi)化的監(jiān)測(cè)新技術(shù)是若干研究小組正在進(jìn)行的一個(gè)活躍的研究課題.胥傳來(lái)和Kotov等利用DNA橋接的納米顆粒二聚體的手性信號(hào)(PCD信號(hào))，可以跟蹤哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)納米粒子的內(nèi)化過(guò)程[31].當(dāng)二聚體從組織液進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中時(shí)，納米粒子之間的靜電斥力會(huì)發(fā)生很大的變化.這些組合平衡構(gòu)象的改變會(huì)導(dǎo)致連接納米粒子的DNA自發(fā)扭轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致PCD信號(hào)的反轉(zhuǎn)，PCD信號(hào)在跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中由負(fù)向正的反轉(zhuǎn)被用來(lái)識(shí)別內(nèi)化.如圖8所示.

圖8 手性等離激光納米材料在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

光動(dòng)力療法(PDT)是一種有效、無(wú)創(chuàng)、定點(diǎn)選擇性的光學(xué)療法，用于腫瘤細(xì)胞的局部消融.Gao等[32]制造了以DNA為基礎(chǔ)的納米顆粒組裝體作為手性光敏劑，如圖9所示.此等離激元納米結(jié)構(gòu)通過(guò)在金納米顆粒表面偶聯(lián)半胱氨酸分子，在可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出較強(qiáng)的手性信號(hào)，在右旋圓偏振光照射下，手性納米組裝體在單線態(tài)氧產(chǎn)生方面表現(xiàn)出了較高的效率，其產(chǎn)率為1.09.相對(duì)低劑量的此手性光敏劑即可達(dá)到PDT細(xì)胞內(nèi)活性氧閾值，與傳統(tǒng)藥物相比，在體外表現(xiàn)出超凡的效率.

圖9 采用衛(wèi)星手性等離激元結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)治療方案示意圖

4 結(jié)論和展望

綜述了3種不同類(lèi)型的手性等離激元納米結(jié)構(gòu)在近年來(lái)的制備方法和光學(xué)特性.第1類(lèi)是誘導(dǎo)的手性等離激元體系，手性分子可以在非手性等離激元納米顆粒的等離激元共振吸收峰附近誘導(dǎo)產(chǎn)生手性等離激元圓二色信號(hào)，但這種信號(hào)一般比較弱.第2類(lèi)是具有手性形狀的等離激元納米結(jié)構(gòu)，一方面，先進(jìn)的納米微加工技術(shù)使得這種手性形狀(螺旋、羅盤(pán)狀)的納米顆粒得以制備，這種納米顆粒具有較強(qiáng)的手性光學(xué)響應(yīng)，可以通過(guò)操縱它們的形狀來(lái)調(diào)節(jié)其光學(xué)響應(yīng)大小和區(qū)域;另一方面，利用手性小分子調(diào)控具有手性形狀的等離激元納米顆?！白韵露稀钡纳L(zhǎng)方法，一直是科學(xué)工作者探索的方向，目前為止，僅有幾個(gè)先導(dǎo)性的工作實(shí)現(xiàn)了此類(lèi)結(jié)構(gòu)的濕化學(xué)可控合成，由于檢測(cè)方法的局限，從分子和原子相互作用層面上，理解這些納米顆粒的手性生長(zhǎng)起源仍然是個(gè)難題.第3類(lèi)是將非手性的等離激元納米顆粒組裝而成的手性空間結(jié)構(gòu)，一種合成方法是將金屬顆粒附著在手性主體上，如多肽、纖維素、表面活性劑混合物等手性模板，但此類(lèi)方法受限于模板，從而對(duì)結(jié)構(gòu)幾何形狀的控制有限，還需進(jìn)行更多的努力來(lái)獲得良好控制的結(jié)構(gòu)形態(tài)；另一方面，利用DNA自組裝技術(shù)可實(shí)現(xiàn)金屬納米顆粒在手性框架中的精確定位，提供了一種對(duì)手性結(jié)構(gòu)幾何形狀精確控制的組裝方法，特別是利用這種結(jié)構(gòu)可通過(guò)對(duì)大量刺激物觸發(fā)幾何重構(gòu)，為動(dòng)態(tài)傳感提供了新途徑.手性等離激元納米結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的物理、化學(xué)和生物特性，未來(lái)在手性光學(xué)器件、多種疾病生物標(biāo)志物的超靈敏檢測(cè)、對(duì)映體選擇性催化以及跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)和細(xì)胞內(nèi)代謝的光學(xué)監(jiān)測(cè)中都具有巨大應(yīng)用潛力.