基于蛋白质及氨基酸衍生物的电化学手性传感器研究

基于蛋白质及氨基酸衍生物的电化学手性传感器研究

高仰哲

安徽红杉生物医药科技有限公司安徽234000

摘要：手性物质在生命科学、医药学、食品科学、环境以及材料和信息科学等研究领域中具有重要的研究与应用价值。在手性药物中，不同空间构型的药物在药理活性、毒性、代谢速率以及代谢机制和过程等方面存在明显的差异。因此，发展简单、快速、可靠、低成本的识别手性药物的方法具有重要的实际意义。手性识别方法中，电化学方法因其操作简便、响应速度快、反应灵敏、成本低等优点被广泛应用于分析化学领域。

关键词：蛋白质；氨基酸衍生物；电化学；手性传感器

1手性、手性识别和手性药物及其研究意义

1.1手性和手性识别

手性是旋光性分子的三维结构特征，在分子的三维结构中，四面体碳原子与四个互不相同的基团相连形成两种具有基本相同的物理和化学性质的分子结构，但是，在空间上不论怎样旋转，这两种结构的分子都像人的左右手一样无法重合，像这样的两种分子具有手性，称之为手性分子。

手性广泛存在于自然界中，是多种学科的一种重要特点，从天文学到地球科学，从化学到生物学，几乎处处都有手性的身影。太阳系的所有天体（包括小行星）都是按照右旋方向旋转，植物学中大部分攀缘植物是向右缠绕的，贝类中较普遍的旋转方向为右旋，DNA和RNA的脱氧核糖和核糖均为D型，组成蛋白质的20种天然氨基酸（除甘氨酸）均为L型等等。由此可见，我们所生存的大环境是不对称的，这就为整个生命系统提供了一个大的手性环境基础，而生物系统的多种代谢以及调控过程也都是在手性环境中进行的。当对映异构体处在非对称的环境中时，例如在偏振光中或者是在生物系统中与酶或者受体作用时，这些都会导致生物活性的差异，我们将这种现象称为手性识别。手性识别保证了生化反应的专属性和唯一性以及各种生命活动的顺利完成，从而确保了复杂生命过程的有序性和连续性。

1.2手性药物及其研究意义

严格来说，手性药物是指分子结构中存在手性因素如：手性中心、手性轴或手性面的药物。但通常来说，手性药物是指由具有药理活性的手性化合物组成的只含有效对映体或者以含有效对映体为主的药物。手性药物对映体之间，除了使偏振光发生偏转的程度相同方向相反之外，其他理化性质相同。

2手性识别方法

手性识别是手性分析研究的重要内容之一，主要是通过手性选择剂与目标手性化合物之间的立体选择性作用，用一定的方法与手段检测它们之间选择性结合的信号，从而达到手性分析的目的。目前，有所发展并取得一定研究成果的手性分析方法主要有色谱法、光谱法和电化学方法。

2.1色谱法

色谱法是传统的分析方法，由于其操作条件温和，易于实现对手性化合物的分离而被广泛应用。色谱法一般可分为直接法和间接法两种形式：直接法是指直接采用手性固定相或者手性添加剂，通过手性化合物与手性固定相形成的非对映配合物之间的能量或稳定性的差异实现对手性物质的分离，或者是通过手性化合物与手性添加剂之间所形成的非对映化合物的溶解性和稳定性等方面的差异来实现手性化合物的分离；间接法是指通过手性衍生剂与手性化合物形成的非对映异构体在固定相和流动相中的迁移速率的差异而实现的在非手性固定相上的分离。相比之下，直接法较简单又可避免不必要的实验误差。

2.2光谱法

光谱法手性识别是基于手性选择剂与对映异构体之间可以形成非对映异构体或者手性选择剂对对映异构体具有不同的吸附效应而引起其混合物的光谱发生变化，通过检测光信号的变化从而达到手性识别的目的。用于手性识别的光谱法主要有圆二色谱法（CD）、紫外-可见光谱法（UV-vis）、红外光谱法（IR）、荧光法（FL）、核磁共振（NMR）和质谱法（MS）等。

圆二色谱法测定分子不对称结构的原理是基于对映异构体不同的圆偏振光吸收程度与波长之间呈现对称的关系，但其灵敏度较低。紫外-可见光谱法、红外光谱法和荧光法通过检测手性选择剂与对映异构体的混合溶液光强度的差异来实现手性分析，主要用作辅助分析，也常常和其它光谱技术联用用于对手性化合物的分析，具有简便、可靠、快速等优点。质谱法主要通过两种方式进行手性识别：①直接利用手性选择剂与手性化合物形成非对映异构体，在谱图上直接表现出来，从而达到手性识别的目的；②手性衍生化：通过手性衍生化试剂与对映异构体作用后形成非对映异构体，用于质谱法手性识别。由于仪器昂贵、试剂的毒性、操作复杂、样品前处理繁杂等特点，限制了光谱法在行手性识中的应用范围。

2.3电化学方法

电化学传感器因其操作简便、响应速度快、灵敏度高、仪器易于微型化和自动化、成本低以及实时和在线等优点备受研究者的关注和青睐，将手性识别与电化学传感器结合，不仅具有电化学的优点又可用于对手性化合物的识别。电化学手性识别原理是基于手性选择剂与对映异构体作用时，由于空间立体结构的影响使得手性选择剂与对映异构体之间的作用有所差异，将这种差异通过氧化还原探针转化为电信号，从而达到识别的目的。根据传感器信号的不同，将电化学手性传感器分为电位型、电流型和电容型手性传感器。

①电位型手性传感器：基于手性选择剂与对映异构体作用前后吉布斯自由能的变化而引起的电位信号的变化，实现了对手性分子的识别与检测。ScholzF.等以二茂铁癸烷为氧化还原探针，利用方波伏安法研究了阴离子状态下的D/L-色氨酸在D/L-薄荷醇中的吉布斯自由能的变化，实验结果表明，在L-薄荷醇中D-色氨酸的吉布斯自由能变化较大，而在D-薄荷醇中L-色氨酸的吉布斯自由能变化较大；徐岚课题组[38]通过将手性席夫碱的Co(Ⅱ)配合物修饰到自组装了三乙氧基硅烷的导电玻璃上，用于研究扁桃酸对映异构体的能斯特（Nernstian）响应。实验结果显示，在1.0×10-5mol•L-1到1.0×10-2mol•L-1浓度范围内D-扁桃酸具有良好的能斯特响应，该传感器对D/L-扁桃酸的选择性系数为2.71，可用于扁桃酸对映异构体的识别与检测。

②电流型手性传感器：手性选择剂与手性化合物的对映异构体相互作用后，由于立体选择性的作用使得修饰电极表面的性质发生了不同的变化，从而引起电子在扫描底液与修饰电极表面之间的传递速率发生不同程度的变化，通过电流响应信号的差异达到手性识别的目的。

3基于蛋白质及氨基酸衍生物的电化学手性传感器研究

手性识别得以实现的关键在于手性选择剂与手性分子能够形成非对映异构体复合物，基于非对映异构体复合物之间的吉布斯自由能的差异达到识别的目的。即手性识别是手性选择剂与手性分子对映体之间在空间上的相互作用，从识别、趋近、定锚到结合是分子的相互诱导、适配与契合的过程，最终手性分子有若干个原子或基团结合于手性选择剂的互补位点上。结合点越多，相互作用越强，呈现的活性越高。一般手性识别的产生与实现要求手性选择剂有三个或更多个结合位点，它们在空间呈手性排布。

结语

手性药物对映体在效力、毒理性以及在生物系统内的作用机制都有所不同，美国FDA规定，今后所研发的具有不对称手性中心的药物，必须要给出其手性拆分的结果以及测定每个药物的对映异构体的组成，同时还要提供每个对映体的药理学活性的相关资料。因此，手性药物的识别具有重要意义。

参考文献

[1]牛小慧,莫尊理,高虎虎,柴雅琼.部分手性识别材料在手性电化学传感器中的应用[J].化工新型材料,2017,45(11):228-231.