副標題：加州大學聖地牙哥分校熊偉課題組和頻振動光譜顯微鏡方向取得重大進展分子自組裝是指分子在不受人為幹預的情況下，自發組成有序結構的過程。
非線性光學，聽起來與化學幾乎毫無關聯。然而在
加州大學聖地牙哥分校（UCSD）
熊偉課題組，這兩者美妙地結合在了一起，並且揭示了水分子在自組裝系統中獨特的氫鍵動力學和其對自主裝系統的力學性質的影響。這個研究的最新成果於近期發表在PNAS 等期刊上。那麼，這兩個看似毫不相關的領域是如何擦出火花的呢？自組裝體系存在於生活和科技的方方面面，它們通常表現出與周圍環境不同的化學結構和性質，並且有可能表現出空間各異性（spatial heterogeneity）。因此，如果能夠在一個繁複動態的系統中，有選擇性地檢測自組裝系統，並且檢測它的化學結構、分子動力學以及在空間的形貌，這將有助於解析自組裝從分子層面至介觀層面的結構、動力學和性質的關係。近些年來，熊偉課題組致力於開發出更高維度的和頻振動光譜顯微鏡（Vibrational Sum Frequency Generation Microscopy, VSFGM），從而從自組裝系統中可以獲得更清晰的多維度分子信息，實現「升維打擊」。目前課題組已經開發出世界上首臺
全共線外差和頻振動光譜顯微鏡（Fully-Collinear Heterodyne-detected VSFGM）和首臺
瞬態和頻振動光譜顯微鏡（Transient VSFGM），並利用這兩臺全新的顯微鏡研究了一個分子自組裝體系，相關工作分別發表在ACS Photonics 和PNAS 上。該顯微鏡有望在未來用於更多分子自組裝體系、高分子體系和軟物質方面的研究。下面就此系列性研究成果做一簡單的回顧。
和頻光譜（Sum Frequency Generation，SFG）技術是一種相干的二階非線性光學過程，為加州大學伯克利分校的華人教授沈元壤於1987年首次報導。當兩束脈衝雷射同時照射到同一樣品時，會產生頻率等於兩束入射光之和的光信號，這就是和頻光譜信號。因為和頻光譜是一種二階的過程，只有具有非對稱中心的樣品才會給出信號。這樣的具有非對稱中心的樣品包括表面/界面，以及具有非對稱中心的生物樣品和自組裝結構等。當這兩束光中有一束是紅外光時，這個過程被稱作和頻振動光譜，可以給出處於非對稱中心環境的化學鍵振動光譜。比如用常規的光譜手段（紅外光譜或者拉曼光譜）來測量水的信號時，界面水的信號會完全被體相水的信號所掩蓋；但是若使用和頻振動光譜來研究水，則體相水處於具有對稱中心的環境中，從而不會產生信號，所以觀測到的信號來源於界面水。另外的一個例子是研究植物中的纖維素：在植物中，除了纖維素外，還有一種叫做半纖維素的物質。半纖維素與纖維素具有類似的構成，因此使用紅外或者拉曼是無法進行區分的。但是利用和頻振動光譜進行研究時，半纖維素因為具有隨機和非結晶性的結構從而基本沒有信號，從而可以實現對植物中纖維素的選擇性研究。通過將和頻振動光譜技術與顯微鏡技術結合，則可以觀測到具有非對稱中心環境的化學鍵在空間中的分布，並有利於識別微小信號。
熊偉課題組開發了一個全共線外差和頻振動光譜顯微鏡，並用它研究了一個自組裝體系。通常的光學檢測器只測量光強（I=E2），從而丟失了相位的信息。在SFG中，相位信息代表著分子的絕對取向。將外差法（Heterodyne-detection）引入到VSFGM，通過將信號與另一束頻率相同的已知光（被稱作局部振蕩器，Local Oscillator）一起送到檢測器中形成幹涉條紋，可以獲取相位信息，並判斷每個區域中分子的絕對取向。傳統的外差法採用的是麥可遜幹涉儀模式，對儀器的力學穩定性甚至樣品的平整度有很高要求，因此顯微圖像中的相位信息可重複性較差。為了解決這一問題，熊偉課題組搭建了第一臺全共線的外差和頻振動光譜顯微鏡。在這種全共線的模式下，該顯微鏡的相位穩定性，相較於麥可遜幹涉儀模式，提高了至少9倍，並且不受樣品平整度的影響。他們用這個顯微鏡研究了一個旋塗在金表面的分子自組裝體系——SDS@2β-CD（十二烷基硫酸鈉和β-環糊精）。這是一種可以用來模擬蛋白質組裝的晶格自組裝（crystalline lattice self-assembly）體系，而且根據前人的研究（Nat. Commun.,
2017, 8, 15856），它具有多種不同的形貌，並且每一種都在蛋白質自組裝中有所對應。
圖1. (a) 蛋白質可以自組裝形成各種不同形貌的結構；(b) SDS@2β-CD可以自組裝成具有類似形貌的結構。圖片來源：Nat. Commun.,
2017, 8, 15856通過外差法研究體系中的CH鍵的相位，熊偉課題組發現SDS@2β-CD超分子自組裝形成了20-100 μm2大小的區域，並且每個區域具有不同的取向。如果不使用顯微技術，則這些朝向相反區域的信號會彼此抵消。這個結果表示這個自組裝系統只在百平方微米級別是有序的，超出這個範圍，這個系統變得無序。熊偉課題組又從理論上分析了這個自主裝系統VSFG信號的來源：β-CD分子的手性在最後形成的聚集體中被保持，形成不對稱中心，從而產生VSFG信號。因此，該技術理論上可以用於具有手性的樣品的測試。這部分的工作發表在了ACS Photonics 上（ACS Photonics,
2017, 4, 1839）
圖2. (a) 相較於傳統的麥可遜幹涉儀模式，全共線模式的相位穩定性提高了9倍。小圖：全共線模式在2小時內都保持著出色的穩定性。(b) 每種顏色代表一種譜線。其中最常見的兩種在 (d) 中顯示：它們正好具有相反的符號，代表取向相反的兩種結構。(c) 青色譜線是將 (b) 中青色區域內的譜線進行平均，來模擬如果不使用顯微技術將會得到的結果：由於不同取向的譜線進行抵消，將會幾乎不可見。(d) 最常見的兩種譜線。在縱軸方向它們進行了移動以使得能更好的觀察它們。圖片來源：ACS Photonics,
2017, 4, 1839之後，熊偉課題組繼續在研究來自於自組裝體系本身和其中水分子的羥基，以及水分子與自組裝系統之間的氫鍵作用動力學。這個自組裝體系在OH區域有三個峰，分別在~3050、~3280和~3400 cm-1——為與自組裝有強氫鍵作用的水分子，以及β-CD的二級羥基、一級羥基的信號。結合3050 cm-1峰的位置相較於一般的水的OH峰明顯紅移，這說明樣品中的強結合水與β-CD形成了很強的氫鍵，從而使得這些強結合水整體跟從β-CD形成了具有非中心對稱性的結構。這意味著，水分子和β-CD的氫鍵作用足夠強具有手性，以至於聚集體SDS@2β-CD手性通過氫鍵作用傳遞給了水分子。這一部分的工作發表在了JPCB上（J. Phys. Chem. B,
2019, 123, 6212-6221）。以上工作的令熊偉課題組對這個體系產生了更多的好奇：是否有氫鍵的直接證據？還有這些結合水是如何在自組裝中分布的呢？水分子對這些自組裝系統的性質起著什麼樣的作用？於是他們搭建了世界首臺瞬態和頻振動顯微鏡。對於瞬態過程，先用一束高能量的被稱為泵浦（pump）的光來激發樣品，隨後測量有和沒有泵浦時VSFG信號的差值，通過調節泵浦光與VSFG信號之間的延遲時間完成對動力學的測量。通過對不同區域的動力學進行測量，他們發現3150 cm-1有一個正的信號。由於這個信號相對於~3050 cm-1的結合水峰發生了藍移。這個信號來源於結合水與二級羥基之間氫鍵的破壞與恢復。這項研究最有趣的顯現是熊偉課題組發現不同區域的這個~3150 cm-1的動力學過程略有不同。在有的區域，可以用一個指數衰變函數來擬合，而在其他的區域則是先上升後下降的過程，需要用兩個指數函數來擬合（其壽命分別稱之為t1和t2）。此外，在不同區域的t1和t2會不同，而在同一個區域中不同的位置，它們是相同的。氘代實驗證實t1對應的是O…O距離的波動，而t2則對應的是氫鍵通過福斯特共振能量轉移過程（FRET）進行恢復。因為FRET的速率與供體-受體距離以及受體的數目有關，所以t2可以用來描述不同區域水合程度的指標。根據熊偉課題組的模型，這些自組裝區域中的水合程度十分不同：有的自組裝區域平均每一個β-CD只有兩個水分子，而在離其不遠的其他區域則會有六個水分子結合在β-CD（這裡的水合程度指的是與β-CD二級羥基形成強氫鍵的結合水）。以往對SDS@2β-CD的研究表明這個自組裝體系中同時具有柔性和剛性。熊偉課題組的研究表明，這些與自組裝體系有強氫鍵作用的水可能對系統的力學作用起著很大的作用。因為水合程度的不同，各自組裝區域的超快的氫鍵動力學有所不同，而這些氫鍵可以影響自組裝體系的柔性。在另一方面，同一個自組裝區域中的氫鍵動力學是高度一致性，這反映了這個系統的剛性。因此控制水合對未來類似體系的設計可能起到很大的作用。這部分的工作發表在了PNAS 上（PNAS,
2020, 117, 23385-23392）。
圖3. (a) 通過譜線擬合，我們發現這個自組裝體系在OH區域有三個峰，分別為與自組裝有強氫鍵作用的水分子, 以及β-CD的二級羥基,一級羥基的信號。(b & c) 兩個不同區域的瞬態動力學。(d & e) 這兩個瞬態動力學正信號分別的積分結果。圖片來源：PNAS,
2020, 117, 23385-23392
熊偉教授，本科畢業於北京大學化學與分子工程學院，博士畢業於美國威斯康辛麥迪遜大學。2014年任職於美國加州大學聖地牙哥分校至今，研究領域為非線性光學，包括和頻振動光譜顯微鏡（Vibrational Sum Frequency Generation Microscopy，VSFGM）、二維和頻振動光譜（2-Dimensional Vibrational Sum Frequency Generation，2D-VSFG）、二維紅外（2-Dimensional IR，2D-IR）和瞬態X光（Transient X-ray）等，已有多篇文章發表於Science、PNAS、JACS、Science Advances和ACS Photonics等雜誌。熊教授已獲得多個學術獎項，包括Sloan Fellowship, NSF CAREER Award, AFOSR Young Investigator Program Award, DARPA Young Faculty Award, Journal of Physical Chemistry C Lectureship 和NIH Maximizing Investigators』 Research Award 等。
https://www.x-mol.com/university/faculty/1153
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