“非手性标记”的手性对映体识别——SERS新方法探索与机理研究

It is urgent to develop a quick and simple method to distinguish chirality of molecules with high sensitivity, since chiral discrimination is one of the fundamental researches in chiral analytical field. While, the conventional chiral discrimination methods need to induce the external “chiral source”, either circularly polarized lights or other chiral molecule, into the system as a prerequisite, which limits the application of chiral discrimination. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) spectroscopy, as a powerful technique, is capable of offering the effects of the chirality surrounding on the charge-transfer (CT) transition and the SERS spectrum pattern of the adsorbed molecules. It has the advantage of quick and simple enantiomeric discrimination. This study will explore the effect of the molecular chirality on the probe molecule in a special SERS discrimination system constructed of metal-semiconductor nano-marterials and probe molecule. After optimizing the kind and the structure of the achiral SERS probe molecule and the metal-semiconductor nano-material, a chiral-label-free enantiomeric discrimination method with high sensitivity by SERS spectroscopy will be presented based on the difference of CT process in the SERS discrimination system. This study is expected to investigate the distinguishing capability of the “chiral-label-free” chiral discrimination method, the specific SERS spectral signal with the structural information of the respective chiral target molecule, and the correlation between the CT process of the system and the chirality of the target molecule. This sensitive chiral discrimination method aims to avoid the usage of the “chiral source” as the conventional methods, and it will provide a new strategy and theoretical support for “chiral-label-free” chiral discrimination.

手性分子识别是分析科学最重要的基本问题，因而发展快速、简便、超灵敏的手性识别方法是十分亟需的。目前手性识别需在体系中引入圆偏振光或其他手性分子等“手性源”作为必要条件，限制了其应用。表面增强拉曼散射（SERS）光谱是一种强有力的分析手段，能够很好地反映出手性环境对吸附分子电荷转移过程及SERS光谱的影响，可为手性对映体分子的快速、高灵敏的识别提供帮助。本项目拟构建特殊的金属-半导体-响应分子SERS识别体系，研究响应分子受手性环境影响产生的电荷转移差异；优化响应分子与SERS基底，通过SERS光谱中电荷转移度的差异建立“非手性标记”的手性识别方法。通过本项目的研究将解决“非手性标记”SERS识别体系对手性分子的识别能力问题；响应分子对手性分子识别的特异性；SERS识别体系电荷转移与分子手性结构的关联规律。该高灵敏度、突破传统依赖“手性源”的方法将为手性识别提供新的研究思路和理论依据。

手性是自然界中广泛存在的一种基本属性，手性分子的两种对映体可能具有不同的理化性质，使其在生物、化学、制药工程等许多领域具有截然不同的表现。现有的手性识别方法或基于圆偏振光源对手性分子的响应进行识别，或基于一种特定的手性分子与目标手性分子之间立体作用的差异并结合其他分析技术进行间接识别检测。但是，这些方法或者识别灵敏度较低、耗时较长，或者需要复杂、繁琐的制备过程、无法鉴定目标手性分子的结构信息，这使得他们在实际应用领域受到掣肘。因此，发展一种基于表面增强拉曼散射（SERS）光谱电荷转移增强机制的高灵敏、普适、“非手性标记”的手性识别方法具有重要的意义。. 本项目的研究包括制备有序排布的Au纳米棒阵列及Ag-TiO2复合纳米结构，通过考察阵列与复合结构的SERS增强活性以及光谱重现性，确定适于用SERS光谱手性识别的基底材料。采用非手性的二元混合硫醇分子对基底材料表面功能化修饰，使其具有充足的分子间相互作用位点以及易于检测的拉曼信号，构筑基于SERS光谱的手性识别传感基底。对所构筑基底的手性识别能力进行考察，并比较两种手性对映体体系的SERS光谱的差异性，探究分子的不同手性与识别体系SERS光谱信号的关联规律，建立基于SERS电荷转移增强理论的手性识别传感机制。研究表明基底材料的硫醇功能化修饰是实现手性识别的前提，识别传感基底的电荷转移性能是获得高灵敏的、手性差异信号放大的识别的基础。通过改变基底材料的尺寸、结构，优化二元混合硫醇单分子层的种类、构成及制备条件，设计适用于手性芳香小分子且具有同步手性识别与分子结构鉴定的Au-MPBA/HT识别传感基底。进一步，引入半导体材料TiO2构筑具有优越电荷转移性能Ag-TiO2-CD/PATP手性识别传感体系，显著提高手性识别的灵敏度，将识别检测目标分子所需的分子浓度降低至0.1μM，实现了对氨基酸对映体高灵敏地识别。对氨基酸及芳香小分子的手性识别的研究结果进一步验证了所构建的识别机制的合理性、普适性。. 基于SERS电荷转移增强理论的高灵敏、“非手性标记”的手性识别方法的建立打破了传统手性识别技术需要采用圆偏振光源或特殊的手性分子作为识别剂的掣肘，有助于开启手性识别领域的新方向。此外，本项目的研究成果还证实了应用SERS光谱研究手性识别的优越性，也为拓展SERS光谱技术的应用范围提供了新的思路。