用于功能手性分子識別的傳感器研究.pdf

1、分子識別是自然界一切生命現(xiàn)象的共同基礎(chǔ)。其中，手性識別是一種特殊的分子識別，它不僅是生物體內(nèi)分子識別的基本模式，也是生物和化學(xué)領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)。對于手性識別有更充分的認(rèn)識和了解，不僅可以幫助我們了解許多重要的生命過程，手性藥物和生物酶的作用機(jī)理，而且對于不對稱合成、對映體的拆分和檢測、新藥研發(fā)等均具有十分重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 本文主要針對氨基酸手性識別的新方法進(jìn)行了研究，建立了幾種有效的識別體系，并從定性和定量的角度對

2、不同的體系進(jìn)行了一系列具有原始創(chuàng)新性的研究工作，并取得了比較有意義的研究成果。全文分四章，主要內(nèi)容為： 第一章對手性識別的重要性及其在手性識別研究中已報(bào)道的體系進(jìn)行了較為全面和系統(tǒng)的綜述。文獻(xiàn)檢索表明，在自然界以及生命體中蘊(yùn)藏著大量的手性分子，手性的研究在生命科學(xué)、制藥以及材料科學(xué)中起著重要的作用。自從人們認(rèn)識到手性識別的重要性，就已經(jīng)開始對其進(jìn)行探索。手性識別按照所研究的體系不同，可以大致分為五種：(1)主客體體系。這些主客體

3、體系的研究主要包括一些大環(huán)狀和籠狀分子(如環(huán)糊精、杯芳烴、冠醚、多糖、胍鹽類受體、甾族類受體等，通常被人們稱為手性選擇劑)與小分子之間的弱相互作用、抗原抗體的特異性識別、人工受體與底物之間的相互作用。在此對環(huán)糊精類、杯芳烴類、冠醚類、卟啉類等人工受體對氨基酸的手性識別研究進(jìn)行了詳細(xì)的綜述，并對分子印跡聚合物用于手性識別也作了較為詳細(xì)的論述。(2)超分子體系用于手性的識別與放大。在這一部分中介紹了兩種用于手性識別的受體，一種是誘導(dǎo)類型的受

4、體，它沒有手性，但是易變形，結(jié)合特異性的手性客體以后，手性就會傳到受體上。另一種固有手性受體，這種受體的對映體的混合物在手性客體存在的情況下，以對映體混合物存在的平衡狀態(tài)會被打破，而形成以一種對映態(tài)為主的非對映異構(gòu)體。(3)聚合物用于手性識別與放大。介紹了螺旋聚合物在該領(lǐng)域的最新動態(tài)。(4)利用金屬復(fù)合物進(jìn)行手性識別與分離。介紹了鑭系金屬復(fù)合物和過渡金屬復(fù)合物用于手性識別的情況。(5)表面手性。通過在金屬表面吸附手性或非手性分子和特殊的

5、金屬表面處理而獲得手性表面，應(yīng)用高級的顯微技術(shù)及相關(guān)的表面分析技術(shù)來表達(dá)。 第二章建立了基于氨基酸一Cu自組裝膜的電化學(xué)手性識別新方法。通過金表面自組裝N．乙?；?L-半胱氨酸，在該自組裝膜上與Cu2+形成三元配合物，然后利用配體交換對手性組氨酸、色氨酸、苯丙氨酸和青霉胺進(jìn)行了識別，識別過程中使用方波伏安、交流阻抗、圓二色譜、核磁共振、X-ray光電子能譜和量子化學(xué)計(jì)算等多種方法對研究內(nèi)容進(jìn)行測定、表征和驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在這

6、些氨基酸的識別過程中，N．乙?；?L-半胱氨酸在電極上與Cu2+形成的三元復(fù)合物對側(cè)鏈為鏈狀的氨基酸沒有識別作用，所以在識別過程中Cu-Tr弱相互作用起著重要的作用。在進(jìn)行苯丙氨酸識別的過程中，在電極上形成混合的三元復(fù)合物一非對映異構(gòu)體以后，非對映異構(gòu)體表現(xiàn)在方波伏安上的電位差異為32mV。同時(shí)我們使用量子化學(xué)中UB3LYP方法計(jì)算了手性底物與表面自組裝膜發(fā)生配體交換的立體效應(yīng)，用該方法獲得的兩者理論能量差異值為3．5KJ／mol，該能

7、量值與我們實(shí)驗(yàn)所測量得到的電位差所對應(yīng)的能量差相當(dāng)。因此該方法為設(shè)計(jì)新型電化學(xué)手性探針提供了理論依據(jù)。此外，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用青霉胺組裝在電極上對含有苯環(huán)的氨基酸進(jìn)行識別時(shí)，沒有發(fā)現(xiàn)手性識別作用，所以N．乙?；?L-半胱氨酸分子中的乙?；谧R別過程中也起著一定的作用。因此，在利用金屬配合物的性質(zhì)進(jìn)行手性識別時(shí)，分子間或分子內(nèi)的弱相互作用是進(jìn)行識別的一個(gè)必要條件。 第三章通過制備手性聚苯胺膜傳感器對苯丙氨酸進(jìn)行了手性識別，并研制了基于

8、不同構(gòu)型的兩種苯丙氨酸手性傳感器。首先用電化學(xué)和化學(xué)兩種合成方法合成了光學(xué)活性的聚苯胺，并對合成的聚苯胺進(jìn)行了透射電鏡和圓二色譜的表征。鑒于電化學(xué)合成法速度較慢，故使用化學(xué)合成法合成的光學(xué)活性的聚苯胺修飾玻碳電極。研究發(fā)現(xiàn)，(一)聚苯胺傳感器可以有效地識別L一苯丙氨酸，表現(xiàn)為它對L．苯丙氨酸的響應(yīng)斜率為59mV／dec，對D．苯丙氨酸的響應(yīng)斜率為35mV／dec；(+)聚苯胺傳感器可以有效的識別D一苯丙氨酸表現(xiàn)在它對D．苯丙氨酸的響應(yīng)斜

9、率為61mV／dec，對L一苯丙氨酸的響應(yīng)斜率為31mV／dec。以(一)聚苯胺傳感器為例，對該傳感器的其它性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。該傳感器的線性范圍為2．0×10。至1．8×10-2M，檢測限為5．0×10-6M，對映選擇性系數(shù)為0．23。對苯丙氨酸異構(gòu)體混合物響應(yīng)斜率則介于35～59mV／dec之間，這些斜率與對映體的混合物的比例之間的關(guān)系，可以作為對映體混合物純度的一個(gè)定性分析指數(shù)。本章還研究了溶液pH、介質(zhì)、電極表面覆蓋度等因素對

10、該傳感器的影響以及傳感器的選擇性和穩(wěn)定性等。 第四章采用自組裝的方法將牛血清白蛋白(BSA)固定在電極上，使用電位階躍通過測定膜電容直接檢測氨基酸。雖然電位階躍法相對比較靈敏，而且測試速度也比較快，然而氨基酸這樣的小分子結(jié)合在BSA上以后相對于BSA這樣的大分子而言，它對膜的厚度的影響是微不足道的，因此也不會使膜電容有很大的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種方法直接用來識別氨基酸是不可取的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)失敗的原因提出了兩個(gè)解決問題的方案：一是