手性分子检测新方法—基于手性纳米结构金膜的表面增强拉曼手性各向异性

来源：材料科学前沿

原标题：车顺爱教授团队《Angew》：手性分子检测新方法—基于手性纳米结构金膜的表面增强拉曼手性各向异性

手性分子的定性和定量检测，在分析科学、化学生物学、药物和农药等领域具有重要意义。目前，常用的手性检测方法主要分为两种，色谱法和光谱法。色谱法主要利用色谱柱对手性分子的选择性吸附能力进行分离纯化及分析。但针对不同手性分子，色谱法需要选择不同的色谱柱、流动相，导致其普适性不高，操作难度大，分析成本高。手性光谱技术，如旋光性和圆二色性，基于对映体和圆极化电磁波之间的选择性相互作用来确定对映体的绝对构型和组成。然而，光谱法无法用于外消旋体和具有弱光学相互作用的对映体；而且，由于光谱法中圆偏振度的不确定性和系统复杂导致的设备昂贵，致使光谱法的使用受到限制。因此，寻找新的手性响应性理论以及检测技术仍然是一个挑战。

表面增强拉曼散射（surface-enhanced Raman scattering， SERS）光谱是一种高灵敏度的分析技术。由于分子与贵金属基底表面的局域电磁场之间具有强相互作用和强辐射增强，因此这项技术能通过痕量分析物的振动“指纹”提供超灵敏的结构信息。本文报道的方法是通过引入手性纳米结构金膜（chiral nanostructured Au films，CNAFs）作为SERS的基底来创建表面增强拉曼散射手性各向异性（surface-enhanced Raman scattering-chiral anisotropy， SERS-ChA），通过入射线性偏振光（或非圆偏振光）的SERS来区分对映体（图1）。SERS-ChA是手性等离子体金属表面对对映体分子的拉曼散射选择性增强性质，具有很高的对映体敏感性，克服了旋光系统和色谱法的缺点。此方法具有普适性，无需分离样品，无需提纯样品，不管分子大小，有无极性以及是否具有发色团，仅用一种基底，可以定性定量检测所有的手性分子。本文发表在Angew. Chem. Int. Ed.. 2020, doi:10.1002/anie.202006486.图1 SERS-ChA方法对映体识别原理图。a.手性基底用于常规拉曼散射仪。b.对映体分子的SERS-ChA和g因子。c. 从标准曲线可以得到未知样品的绝对构型和ee值。图2 R-CNAFs的形貌和结构。a. 垂直生长在硅片上的金纳米纤维的低倍扫描电镜图像。b. X射线衍射分析表明金晶体具有fcc结构，并沿<111>方向生长。c. 金纳米纤维的低倍透射电子显微图像，显示几乎所有纤维都具有扭曲的形貌。d 金纳米纤维的高倍透射电子显微（HRTEM）图像显示出多晶结构。e, f. 具有理想Boerdijk-Coxeter-Bernal (BCB)结构的金纳米纤维的HRTEM图像及相应的傅里叶衍射图（FDs）。g, h. 模拟HRTEM图像和响应的FDs与实验结果吻合。i. 右手性金纳米纤维结构示意图，显示共享孪晶面的四面体金纳米晶体的BCB螺旋结构。j. 通过连接堆叠四面体（黄线）的外边缘，显示出右手性三螺旋结构。图3 R-CNAFs的SERS-ChA效应。a1-d1. 四组对映体的拉曼光谱。a2-d2.最大SERS峰面积与ee值的相关性。a. 2-丁醇（分子量：74.1）。b. 环氧氯丙烷（分子量：92.5）。c. 柠檬烯（分子量：136.2）。d. 2,2-二甲基-α，α，α'，α'-四（1-萘基）-1,3-二氧烷-4,5-二甲醇（分子量:666.8）图4 CNAFs与对映体的选择性增强共振。a. CNAFs的透射圆二色（TCD）和漫反射圆二色（DRCD）光谱。b. R-CNAFs以及分别负载S-和R-2-丁醇的白底反射紫外可见吸收和白底DRCD光谱。c. 模拟L-和R-CNAFs的微分消光截面。d. 模拟实验条件的几何模型。本文的主要工作如下：（1）以氨基酸作为金膜生长过程中的对称性破坏剂，在硅片上生长CNAFs（图2）。金膜由长度约为500纳米，垂直生长在含硅基底表面的金纳米纤维构成。金纳米纤维晶体具有典型的面心立方结构，属于Fm3 ̅m空间群，且沿<111>方向择优取向生长。结构解析表明，金纳米纤维是由正四面体结构单元沿着特定方向通过共享孪晶面排列形成的BCB结构。（2）SERS-ChA通过将CNAFs装配在普通的拉曼散射仪上，利用线偏振光或非圆偏振光实现对映体的识别(图1)。定性定量检测未知化合物需要三个步骤：（I）以非手性纳米金膜作为SERS基底，测定样品的组成和浓度（也可以用其他方法）。（II）在特定浓度下建立拉曼强度和ee值关系SERS-ChA标准工作曲线。（III）将化合物调至SERS-ChA标准曲线使用的浓度，以测定手性等离子体基底上的拉曼强度从而得出其ee值。（3）对市售的100对手性分子进行识别，发现除了具有相同手性中心量的内消旋分子外，不管它们的电偶极构型、分子量大小和是否具有发色团，其他所有被测商用对映体都可以用CNAFs进行识别。且这些分子的各向异性因子（g factor）均大于1.2，说明SERS-ChA效应具有普适性和高灵敏度。图3示出四种典型的对映体分子的识别结果，这四组对映体至少具有以下特性之一：分子量很小或很大、极性很弱和没有发色团结构，具有这些特性的对映体很难用色谱或光谱法进行分析。通过优化负载量，当2.5×10-9到2.5×10-8 mol/mm2时，SERS强度以及选择性都能保持在较高的水平。此外，SERS-ChA效应的稳定性和重现性好，抗干扰能力强。SERS-ChA效应在不同膜上，不同pH值条件下以及在具有手性/非手性干扰物存在时都非常稳定。（4）通过理论模拟，发现SERS-ChA效应的产生是由于对映体分子诱导的电偶极子和磁偶极子与CNAFs等离子体模的选择性共振耦合（图4）。对于R-CNAFs而言，由于R-CNAF和S-对映体的共振比R-对映体更强烈，导致局域手性电磁场的选择性增强。R-CNAFs的局域手性电磁场进一步增强了对映体的拉曼光谱，导致SERS-ChA效应。总结：本研究通过将一种具有手性的表面增强拉曼散射基底装载在普通的拉曼散射仪上，创建了一种普适性手性分子识别方法。SERS-ChA是首个将纯无机材料的手性响应性用于测定手性分子绝对构型和对映体过量的效应。该体系具有普适性，几乎涵盖了所有对映体，无论其极性大小、分子量大小和发色团数量如何。这种效应为手性理论、手性光谱、不对称催化、手性生物反应以及光学、电学和机械设备制造等领域也提供了巨大的挑战和机遇。