Nature封面：金纳米颗粒获得手性，要靠氨基酸和肽“使劲”

“手性”并不是有机化学中的专有名词，在自然界中“不能与自己的镜像重合”的手性现象普遍存在，除了人类的左右手，植物中的藤蔓，海洋里的海螺，也都可观察到手性。生物体内的蛋白质几乎都是由左旋氨基酸构成，而糖类大多右旋，著名的DNA双螺旋结构也永远都是右手螺旋。在生物化学、有机化学、催化、药学等领域，手性都有着非常重要的意义。此外，最近几年发展起来的手性超材料（chiral metamaterials）让手性物质又多了一个用武之地，这些手性超材料拥有优异光操控能力，例如偏振控制、负折射率和手性传感等，应用前景极其光明。

“手性”海螺壳。图片来源于网络

其实，从Robert Whetten课题组1998年合成光学活性的金纳米团簇以来，^[1] 手性无机纳米颗粒的制备技术一直在发展。目前比较常见的制备方法有光刻、自组装、手性分子诱导等纳米制造工艺，^[2] 但是大规模且简便地制造三维手性结构仍然是一个严峻的挑战。在这方面，手性转移（chirality transfer）被认为是一种控制手性形态的有效方法，一些研究已经报道了可以将分子手性转移到微米尺寸的螺旋陶瓷晶体中。不过，该技术尚无法成功地用于尺寸为数百纳米的金属纳米颗粒之上。

手性纳米颗粒&手性团簇。来源：Chem. Rev. ^[2]

近日，韩国首尔大学的Ki Tae Nam和浦项工科大学（POSTECH）的Junsuk Rho等研究者报道了一种新的手性纳米材料生产工艺。他们用氨基酸和多肽来控制金纳米颗粒的光学活性、手性和手性等离激元共振。这项研究表明使用氨基酸或多肽来控制纳米结构手性的制造工艺可以实现三维手性纳米结构的设计和制造，方法简单易行。相关工作发表在Nature 杂志上，并被选为封面文章。

当期封面。图片来源：Nature

该方法中，手性金纳米颗粒的合成分为两步在溶液中完成。首先，利用已有的晶种介导生长法合成尺寸均匀的低指数晶面暴露金纳米颗粒。随后，在生长液中加入具有手性构象的半胱氨酸（cysteine）或基于半胱氨酸的肽，随着金离子（Au⁺）的还原，低指数晶面暴露金纳米颗粒生长成为高指数晶面暴露金纳米颗粒，从而获得手性和光学活性。圆二色性和扫描电子显微镜（SEM）分析证实了手性等离激元纳米颗粒的合成（下图a-c）。有意思的是，合成时所用氨基酸和肽的构象决定了纳米颗粒产物的手性。当纳米颗粒生长过程中加入L-半胱氨酸（下图b）或D-半胱氨酸（下图c）时，所合成的纳米颗粒具有相反的手性。而两种情况下合成的纳米颗粒的形貌都是立方体状，边长约为150 nm。

手性半胱氨酸诱导手性金纳米颗粒生长。图片来源：Nature

研究者认为，手性半胱氨酸和肽之所以可以诱导出光学活性的金纳米颗粒，是因为它们可以在纳米颗粒表面与手性氨基酸和肽的界面引起对映选择性相互作用，使得不同手性的高指数晶面具有不同的生长速率，并最终发展出手性形貌。随后他们通过晶种介导法生长制备了八面体金纳米颗粒并尝试用手性半胱氨酸诱导，结果发现合成得到的颗粒光学活性更强。

分子对映选择性与不对称生长的手性演化机制。图片来源：Nature

除了深入了解金纳米颗粒获得手性的机理，研究者还发掘了这种具有光学活性的纳米颗粒的应用。具有不同手性的金纳米颗粒与圆偏振光的相互作用不同，可以呈现出广泛的颜色调制能力。因此，基于这种手性金纳米颗粒通过控制光偏振就可以实现颜色的变化，这在下一代彩色显示屏的设计及开发中具有光明的应用前景。这种使用手性氨基酸和肽来控制和诱导无机手性三维纳米结构的构建的方法，在未来光学领域如显示器、全息图像，以及手性传感、负折射率材料制备等领域都有借鉴和指导意义。

手性调节偏振光颜色变化。图片来源：Nature

“基于我们对多肽和无机材料界面的理解，我们建立了一种新的平台技术来控制晶体学不对称性。这一发现将会对光学器件产生直接的影响，并在不久的将来进一步应用于对映选择性仿生催化剂的开发上。”Ki Tae Nam教授说。^[3]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Amino-acid- and peptide-directed synthesis of chiral plasmonic gold nanoparticles

Nature, 2018, 556, 360–365, DOI: 10.1038/s41586-018-0034-1

参考文献：

1. Isolation and Selected Properties of a 10.4 kDa Gold:Glutathione Cluster Compound. J. Phys. Chem. B, 1998, 102, 10643–10646, DOI: 10.1021/jp9830528

2. Chiral Inorganic Nanostructures. Chem. Rev., 2017, 117, 8041-8093, DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00755

3.http://www.useoul.edu/research/highlights?bbsidx=125193