研究人员揭示了获得金属纳米螺钉的机制

在 Ikerbasque 教授 Luis Liz-Marzán 的带领下，CIC biomaGUNE 生物材料合作研究中心的研究人员开发了一种机制，通过该机制，金原子通过化学还原沉积在先前形成的金纳米棒上以产生准螺旋结构(粒子获得手性)。这种几何形状使这些“纳米螺钉”能够比任何其他已知物体更有效地与圆偏振光相互作用。这些特性可能导致以非常有选择性和非常敏感的方式检测生物分子。我们在这里拥有的是一种通用的、可重复的机制，可扩展用于制造具有强手性光学活性的纳米粒子。.

有许多领域利用光与物质之间的相互作用来检测物质。基本上，光照射在材料上并被非常明亮或非常有选择性地吸收或反射，这取决于粒子的大小和几何形状以及入射光的类型。由 Luis Liz-Marzán 领导的研究小组在被称为纳米等离子体的领域工作，使用贵金属纳米粒子，如金或银，“因为光以一种特殊的方式与这种类型和大小的粒子相互作用，”Liz 解释说-Marzán，CIC biomaGUNE 科学总监。“在这种情况下，我们研究了这些手性金纳米粒子与圆偏振光之间的相互作用。”

光通常不是偏振的，换句话说，波在光束内几乎以任何方向扩展。“当它被极化时，波只向一个方向传播;当它被圆极化时，波会顺时针或逆时针旋转，”研究人员补充道。“手性物质倾向于吸收具有特定圆偏振的光，而不是在相反方向偏振的光。”

手性是一种发生在所有尺度上的现象：手性物体不能有它的镜像叠加在它上面;例如，一只手是另一只手的镜像，它们是相同的，但是如果一只手叠加在另一只手上，则手指的位置不重合。同样的事情发生在“一些生物分子中;分子不能叠加在它的镜像上的事实导致了许多生物过程。例如，由于失去了对手性的两种形式之一的识别而导致的一些疾病负责特定行为的物质，”Liz-Marzán 说。

纳米物体上的三维制造

正如伊克巴斯克教授解释的那样，“我们所做的就是寻找一种机制来引导金原子的沉积到预先制成的棒状纳米粒子上，这样这些原子就会根据实际的螺旋结构(一种“纳米螺旋”)沉积。这样粒子本身就获得了手性几何形状。这种新策略基于超分子化学机制，换句话说，是通过分子相互结合而不形成化学键而获得的结构。” Liz-Marzán 断言，“这真的意味着能够在纳米尺度上控制材料的结构，但在同一个纳米粒子内部;换句话说，它涉及在纳米物体顶部进行三维制造。实际上事实上，这几乎就像决定一个原子一个原子的位置，以获得一个真正复杂的结构。”

为了使这些纳米粒子生长，“圆柱形粒子被肥皂分子包围，被表面活性剂包围。在普通肥皂分子的中间，我们放置了具有分子手性的添加剂，这样超分子相互作用使它们在表面组织起来。具有几乎螺旋结构的金属棒，反过来引导具有相同结构的金属的生长，从而赋予它我们正在寻求的手性。因此，我们实际上可以获得圆偏振光光谱检测中迄今为止最高的效率.”

Liz-Marzán 证实该过程可以推广到其他类型的材料：“我们已经看到，当应用相同的策略时，铂原子可以沉积在具有相同螺旋结构的金纳米棒上。因此打开了许多可能性其光学性质的应用和催化领域的其他应用(铂是一种非常有效的催化剂)。同时，它可能导致手性分子合成的巨大改进，这些分子将具有生物和治疗作用重要性。” 这种机制也可以应用于新的生物医学成像技术，用于制造传感器等。” 我们相信这项工作将为其他研究人员开辟许多道路，正是因为该机制的泛化可用于许多不同的分子。前面还有很多工作要做，”他说。

该研究由 CIC biomaGUNE 进行和协调，但他们有来自其他组织的研究小组的合作。其中包括马德里康普顿斯大学(计算机计算显示两种表面活性剂混合时螺旋结构的形成)、维哥大学和埃斯特雷马杜拉大学(粒子光学特性的理论计算)，以及安特卫普大学(获得三维电子显微镜图像和制造的粒子的动画重建)。

在三个维度上绘制纳米手性

了解这些复杂纳米粒子组件的行为的关键是深入了解它们的结构。在处理如此复杂的三维形态时，二维成像根本行不通。由安特卫普大学的 Sara Bals 教授领导的 EMAT 团队是世界领先的电子显微镜组，可对纳米粒子进行三维成像。通过拍摄在多个视角收集的一系列二维图像，可以将它们与专门设计的计算机代码相结合，以生成粒子的三维表示。这就是所谓的透射电子断层扫描方法，它是纳米科学中必不可少的工具，可帮助来自世界各地的研究人员可视化纳米粒子并了解它们的结构和形成方式。

EMAT 团队更进一步了解这些前所未有的纳米棒显示的手性特性的起源。通过在先前获得的断层扫描上使用 3-D 快速傅立叶变换开发一种方法来研究单个粒子的 3D 周期性，在结构中发现了重复的模式。“纳米颗粒似乎显示出长程手性结构，但我们如何以有意义的方式识别这一点以了解纳米颗粒的特性?” 巴尔斯教授问道。通过使用这种技术映射周期性结构，在 3-D FFT 模式中出现了一个特征 X 形状。科学家们以前见过这种特征指纹;在革命性的 X 射线衍射实验中，我们发现了最著名的手性结构——我们的 DNA。

使用该特征模式作为输入，识别出具有螺旋特征的重建区域。此外，“我们开发的技术不仅使我们能够识别手性结构，而且还可以告诉我们每个纳米颗粒的手性，”Bals 教授说。

这种复杂手性纳米粒子的制备和表征是实现关键科学里程碑的重要一步。曾经有人认为，生物上层建筑的复杂性是无法人工制备的。然而，随着对纳米结构设计和生长的了解越来越多，科学家们可以准备逐个原子设计的材料，为所需的应用量身定制，并以此不断推动材料设计的前沿。

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