特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。研究背景
任何不能叠加在其镜像上的物体都被称为手征性的。对映体是手性分子，含有相同的原子和化学键，但表现出“手性”——它们以左手或右手镜像形式排列。在生物学、化学和药学研究的许多方面，表征分子手性并理解其效应是至关重要的任务。区分分子最常见的方法是使用圆二色性(CD)光谱，测量分子吸收圆偏振光(CPL)的方式差异。
关键问题
然而，用简单的光学仪器对极低浓度下的分子手性进行定量测定和原位监测仍存在以下问题：光(波长为几百纳米)和分子(通常只有几纳米宽)之间的尺度不匹配意味着CD效应非常小，因此通常需要在相对较高的浓度(至少103M)下研究分析物。2、即使放大CD信号，仍难以精确感知极低浓度下分子的手性CD信号可以通过使用一种称为局域表面等离子体共振(LSPR)的效应来改善，这种效应可以“挤压”CPL的电磁场，以增强光和物质之间的相互作用。即便如此，在极低的浓度下仍然很难感知分子的手性。传统的纳米光子方法主要依赖于光学螺旋密度，通过单个结构内的局部共振，如LSPRs或电介质Mie共振。然而局部共振模式倾向于对目标分子取向、振动和局部浓度的随机性产生误差。
新思路
有鉴于此，韩国首尔国立大学Ki Tae Nam等人确定了集合共振(CRs)的对映选择性特征，这些共振来自各向同性的432-对称手性金纳米粒子(螺旋面)的组装2D晶体。CRs在2D晶面上方的大体积上显示出强且均匀的手征近场，这是由每个螺旋面上的集体自旋、光学感应偶极子造成的。因此，根据分析物的旋向性，通过手性近场的分子反作用进行的能量重新分配使CRs向相反方向移动，从而最大化集体圆二色性(CD)的调制。作者总结了在2D螺旋晶体中发现的五个重要特征并通过数值模拟了2D螺旋晶体的电磁行为，解析了对映选择性传感理论。作者制作了具有高晶格保真度的大尺寸2D螺旋面晶体，证实了2D螺旋面晶体的长程和均匀有序性，通过CR和聚集CD优化将CD强度提高2.5倍。作者进行了对映选择性检测，利用集体CD光谱特征的显著变化，作者展示了一种比色传感器，能够直观地量化分子的手性。作者证明了手性传感器在miR-21以及可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感因子附着蛋白受体(SNARE)复合物中的多功能性，以及传感器监测由中性链亲和素(NTV)、囊泡蛋白(Ves)和可溶性VAMP2(sVAMP2)的组成蛋白的结合依次诱导的构象变化的可行性。作者团队开发了螺旋状的手性纳米粒子。这些直径约为180纳米的纳米粒子具有432对称性，这意味着纳米粒子的手性臂具有四重、三重和二重旋转对称性，但没有镜像对称性。使用左-或右- CPL在这样的非手性阵列中产生等效响应，并且不存在CD效应。而作者在聚合物表面以重复的六边形模式排列螺旋面时，发现特定波长的CPL并以精心选择的角度倾斜可以产生强烈的CD效应。将螺旋阵列集成到概念验证设备中，如偏振分辨比色手性传感器和流控芯片手性传感器。这些设备能够在非常低的浓度(10-12M)下对DNA-RNA杂交和膜蛋白折叠进行对映选择性监测。作者所开发的器件背后的基本理论原理可以为实现和解释纳米光子手性传感提供一种通用方法。这种方法通过监测膜蛋白二级结构和折叠的变化来研究膜蛋白将大有所为，在未来甚至可以实现检测细胞膜中单个蛋白质的折叠变化。
技术细节
作者总结了在2D螺旋晶体中发现的五个重要特征并展示在图中：（1）螺旋面独特的3D手征特性可以在波长为965 nm的CR模式下实现TE和TM偏振表面波模式的强烈混合；(2)2D晶体中每个螺旋面的光感偶极矩可以共同沿着轨迹旋转；(3)在晶体中集体自旋的p提供了散射电磁场，其具有相同旋向性的光学螺旋度密度的均匀分布；(4)诱导的两种对映体对CR表现出不同的反作用，产生不同的CR频率移动。(5)集体CD光谱具有对映选择性。这种机制使得对手性分子分析物具有极高的灵敏度，能够抵抗随机分子变化。作者数值模拟了2D螺旋晶体的电磁行为，证明了旋转的p导致2D螺旋面晶体表面的集体旋转Esca。进一步地，作者证明了光学螺旋度均匀性的量度均匀的重要性以及手征能量偏移的决定因素。为了在实验上实现集体CD，作者制作了具有高晶格保真度的大尺寸2D螺旋面晶体。SEM和DFOM图像显示了在2 cm × 3 cm的大面积上均匀组装的2D螺旋晶体，证实了2D螺旋面晶体的长程和均匀有序性。作者比较了来自不同大小螺旋面的集体CD的光谱，通过调整晶种浓度合成了具有相似手性反应的各种大小的螺旋体，并将它们组装成PDMS。CD响应根据螺旋面的大小而显著变化。在制造的2D螺旋面晶体中，180纳米螺旋面显示出最大的集体CD。与随机分布的螺旋面悬浮液相比，CR和聚集CD的优化产生可以将CD强度提高2.5倍。此外，作者通过实验确定了诱导集体CD的最佳入射光的波矢。为了进行对映选择性检测，在含有L-脯氨酸或D-脯氨酸的光程长度为8.9 mm的比色皿中装有2D螺旋晶体。集体CD的光谱位置和强度相对于分子的手性不对称地变化，显示出D-脯氨酸比L-脯氨酸有更大的红移和强度变化。作者同样证实了使用集体CD可以同时分析L:D比率和对映体溶液的浓度，通过经验关系的构建实现了精确地量化分子的旋向性和浓度。利用集体CD光谱特征的显著变化，作者展示了一种比色传感器，能够直观地量化分子的手性。作者用PDMS制造了厚度为150微米、体积为15 μl的分析物室，并在其中封装了2D螺旋晶体，实现了集合CD的更清晰的对映选择性响应，D-脯氨酸的检测限高达10-4 M。作者选择了microRNA-21 (miR-21)以及可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感因子附着蛋白受体(SNARE)复合物以展示作为对映选择性生物分子传感器平台的多功能性，最终达到了114 pM的检测限(LoD ),高于先前报道的RNA传感器的检测限。同样证实了传感器监测由中性链亲和素(NTV)、囊泡蛋白(Ves)和可溶性VAMP2(sVAMP2)的组成蛋白的结合依次诱导的构象变化的可行性。核苷酸和陷阱复合物的构象变化被非常灵敏地捕，甚至可以检测螺旋面之间的分析物。对映选择性CR也可以在反射模式中清楚地显示，它的变化可以在全内反射条件下精确地检测。
展望
总之，作者提出了一种概念上新的纳米光子模式——2D螺旋面晶体的集体CD——可以极大地促进对映选择性传感。本工作的核心是通过旋转电偶极子的集体激发和由此产生的集体CD，在2D平面上均匀增强手征光-物质相互作用。预计本工作手性传感在未来将有更多变革性的应用，例如，以分子分辨率原位监测构象变化。与其他光学传感系统如SPR系统兼容，手性传感的大规模和快速原型可以被认为是集体CD的一个同样重要的方向。但是，这些传感器中的集体CD取决于特定的激发条件，包括CPL的波长和倾斜入射。为了将其扩展到需要不同光学性质的其他应用，可能需要开发一种通用的模拟算法来实现更好的对映选择性灵敏度。doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-03632-5Ryeong Myeong Kim, et al. Enantioselective sensing by collective circular dichroism. Nature 612, 470–476 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05353-1.
