单链水平点击化学聚合物手性起源的解构：从分子到超分子组装的多尺度研究

本研究通过开发声学机械抑制红外纳米光谱技术(AMS AFM-IR)，实现了对点击化学合成的手性硫氟交换(SuFEx)聚合物从单体到单链再到超分子组装体的多尺度解析。研究人员设计"相同连接性-不同手性"模型体系，结合圆二色谱(CD)、红外光谱(FTIR)和原子力显微镜(AFM)，首次在非金属表面实现了200 kDa级单链聚合物的化学指纹检测，发现CH3振动是分子中心手性的标志，而C=O基团(1656 cm-1)的增强吸收与聚合物主链螺旋结构相关，1723 cm-1新峰则揭示外消旋聚合物通过π-π堆叠形成超分子有序结构。该研究为手性功能材料的理性设计提供了分子层面的观测窗口。

　　

在自然界和合成材料中，手性(chirality)如同生命的密码，决定着蛋白质、核酸等生物大分子的结构和功能。从药物分子的立体选择性到液晶显示器的光学特性，手性现象无处不在。然而，科学家们长期面临一个根本性挑战：手性特征如何从单个分子的立体中心(chiral center)逐级传递，最终形成聚合物主链的螺旋构象(backbone chirality)乃至超分子组装体(supramolecular assembly)的有序结构？这个跨越多个尺度的"手性传递"机制，由于缺乏纳米级化学表征手段而始终蒙着神秘面纱。

针对这一科学难题，来自荷兰瓦赫宁根大学(Wageningen University & Research)和中国科学院的研究团队在《Nature Communications》发表了突破性成果。他们创新性地将声学机械抑制技术(acoustical-mechanical suppression, AMS)与原子力显微镜-红外光谱(AFM-IR)结合，开发出灵敏度达亚埃级(sub-?ngstr?m)的AMS AFM-IR系统，首次实现了非金属表面200 kDa级单链聚合物的化学指纹检测。

研究采用多模态技术路线：通过手性高效液相色谱(Chiral-HPLC)和圆二色谱(CD)验证样品的手性纯度；利用衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)识别分子振动特征；采用相位控制AFM实现?级分辨率成像；最后通过自研的AMS AFM-IR获取单链化学信息。研究对象为通过硫氟交换点击化学(SuFEx click chemistry)合成的模型聚合物，其设计精髓在于保持相同分子连接性的前提下，仅改变中心手性构型(R/S)，形成外消旋(rac-)和手性纯(χ-)两大体系。

多尺度手性分析
通过主成分分析(PCA)发现：在3020-2800 cm^-1区域，外消旋重复单元比手性纯样品表现出更强的芳香族CH₃振动，这归因于RS/SR构型增强了分子平面性。而在聚合物阶段，手性纯样品在1656 cm^-1出现显著的C=O吸收增强，对应α-螺旋特征；外消旋体系则出现1723 cm^-1新峰，紫外可见光谱(UV-Vis)证实这是π-π堆叠导致的超分子相互作用。

单链拓扑结构
?级分辨率AFM揭示：手性纯聚合物呈现40 nm周期的螺旋结构，分子量分布(PDI=1.36)与体积排阻色谱(GPC)结果一致；而外消旋聚合物自发组装成高度多分散(PDI=1.68)的超分子结构，最小组装单元显示15 nm的横向周期性，对应单链宽度。

单链化学指纹
AMS AFM-IR技术突破性地实现了HOPG表面单链检测：手性纯单链在1273 cm^-1处显示明确的S=O振动信号；对外消旋组装体的统计分析发现，随着尺寸增大，1723 cm^-1峰逐渐蓝移至1730 cm^-1，PCA证实这是链间π-π作用增强的直接证据。

这项研究建立了"分子振动指纹-单链构象-超分子有序"的关联图谱：CH振动反映中心手性构型，主链C=O特征对应螺旋构象，而新出现的C=O峰则成为超分子组装的标志。该工作不仅为理解生物大分子手性起源提供了新范式，其发展的AMS AFM-IR技术更开辟了单分子化学分析的新纪元。通过"相同连接性-不同手性"的设计理念，研究展示了如何通过精确控制分子手性来编程材料的多级结构，为手性光电材料、生物相容性聚合物和靶向药物的设计提供了分子工具箱。正如作者指出，这种研究方法可推广至蛋白质二级结构研究，为理性设计功能蛋白开辟新途径。