物理化学学报  2017, Vol. 33 Issue (12): 2325-2326   (88 KB)    
纳米螺旋结构中的手性信息与激发态能量的多重传递
韩布兴    
中国科学院化学研究所, 胶体、界面与化学热力学实验室, 北京 100190


作为三维物体的基本属性之一,手性广泛存在于自然界中。对于手性的研究不仅有助于我们加深对地球生命甚至宇宙起源的认识,而且在生命科学、以及材料科学等领域也有着重要的作用。在手性科学研究中,除了分子层次的手性以外,分子以上层次尤其是纳米尺度上的手性问题研究正在引起人们的广泛兴趣1, 2。生命体系中有机分子自下而上的多级次组装是生命世界形成的主要形式之一。这种多级次组装体系中的信号传递、能量转移、手性信息的交互等决定着生理机能的运行本质3, 4。因此,越来越多的研究都集中在模拟生命体系中各种信息的传递、转移、迁移、转换和交互的过程。在人工超分子自组装体系的手性研究中,大部分工作都集中在单一手性信息通道的研究,将手性和能量信息通道结合起来研究并获得放大的功能的报道很少。

最近,国家纳米科学中心段鹏飞研究员课题组和中国科学院化学研究所刘鸣华研究员课题组合作,成功地将手性信息和圆偏振发光能量集成构筑在自组装的纳米螺旋纤维中,并研究了手性信息和能量信息在复合超分子纳米螺旋纤维结构中的传递和表达,相关结果发表在Nature Communications5。他们设计合成了一个含有手性谷氨酰胺衍生物的凝胶因子,分子内核含有一个具有自组装诱导的荧光增强特性的发光基团。他们发现,这个分子具有很好的自组装特性,在二甲基亚砜/水混合溶剂中可以形成非常稳定的凝胶。详细的形貌和手性光谱研究表明,在分子组装形成纳米螺旋结构的过程中,手性信息成功地从分子尺度传递到超分子层次上。当将非手性的9, 10-双苯乙炔基蒽染料掺杂到凝胶体系中,染料和凝胶因子可以发生共组装形成纳米螺旋结构。并且在共组装的过程中,凝胶因子的手性在超分子层次上传递到原本非手性的染料分子上。从能量转移的角度讲,在共组装的纳米螺旋纤维中,凝胶因子可以通过荧光共振能量转移的方式将能量传递给染料受体。这样在自组装的纳米螺旋结构中成功地构筑了基于手性和能量的双通道信息传递系统。进一步研究组装体系的圆偏振发光时发现,在凝胶因子受到光激发,再通过荧光共振能量转移将能量传递给染料受体后,受体发射的圆偏振荧光的发光不对称因子(glum)比直接激发受体所表现出的不对称因子增强了2.5倍。因此,在复合体系中,非手性的受体分子可以同时捕获给体的手性和能量,同时表现出超分子手性和能量转移放大的圆偏振发光。

这一研究成果提出了自组装体系中手性和能量传递的新思路,为研究和设计新的手性功能组装材料提供了全新的启示。

参考文献
(1) Cornelissen, J.; Rowan, A. E.; Nolte, R. J. M.; Sommerdijk, N. Chem. Rev. 2001, 101, 4039. doi: 10.1021/cr990126i
(2) Liu, M. H.; Zhang, L.; Wang, T. Y. Chem. Rev. 2015, 115, 7304. doi: 10.1021/cr500671p
(3) Beljonne, D.; Curutchet, C.; Scholes, G. D.; Silbey, R. J. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 6583. doi: 10.1021/jp900708f
(4) Struempfer, J.; Sener, M.; Schulten, K. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 536. doi: 10.1021/jz201459c
(5) Yang, D.; Duan, P. F.; Zhang, L.; Liu, M. H. Nat. Commun. 2017, 8, 15727. doi: 10.1038/ncomms15727