CN103940871A

CN103940871A - 一种氨基酸对映体的光电催化手性识别方法

Info

Publication number: CN103940871A
Application number: CN201410161159.1A
Authority: CN
Inventors: 赵国华; 陈成; 史慧杰
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2014-04-22
Filing date: 2014-04-22
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2034-04-22
Also published as: CN103940871B

Abstract

本发明涉及一种氨基酸对映体的光电催化手性识别方法，该方法通过在水热过程中添加模板分子即氨基酸对映体，构筑了具有手性氨基酸识别能力的单晶ZnO，并采用该修饰电极作为光阳极，用于苯丙氨酸对映体的高选择性灵敏快速的光电催化识别检测。与现有技术相比，本发明利用高灵敏的光电催化氧化技术与具有手性氨基酸择形识别位点的单晶ZnO光阳极结合用于识别检测氨基酸对映体，该方法简单易行、成本低、稳定性及重现性好，检测限可达到10^-12 mol·L^-1数量级，在获得高灵敏度的同时，该光阳极也有很好的选择性，在50倍浓度另一对映体的干扰下仍然能够特异性地识别目标氨基酸对映体。

Description

一种氨基酸对映体的光电催化手性识别方法

技术领域

本发明涉及纳米材料、光电化学分析与手性生物分子识别技术领域，尤其是涉及一种氨基酸对映体的光电催化手性识别方法。

背景技术

手性是自然界的本质属性之一，自然界中许多构成生命体的生物分子，如氨基酸、蛋白质、多糖、核酸和酶等，大多是手性的。很多化学物质包括一些人工合成的氨基酸、药物和农药也都具有手性结构，而且往往以外消旋体形式出现。在非手性环境中，手性对映体的物理化学性质几乎相同，可以看作是同一物质。但是在手性环境中，特别是手性化合物相互作用时，手性对映异构体往往表现出不同的特性，有时甚至表现出截然相反的性质，可以认为是两种不同化学性质的物质。

在众多的手性物质中，氨基酸是最常见也最基础的手性对映体。在生命体系中， L-氨基酸是构成蛋白质的一种基本单元，而D-氨基酸很少参与蛋白质的构成，甚至会对生命体系产生一些副作用。不仅手性物质的生物效应，如致畸、致癌、致突变、内分泌干扰活性等会呈现出手性选择性，事实上，手性选择性在生命过程和自然界演变中普遍存在，如氨基酸的一种异构体可能会优先被生物摄取吸收并在生物体内代谢转化。因此，进行氨基酸手性识别及其对映体选择性检测的研究，在生命、环境、农药、材料等领域中均具有重要的理论和实际研究意义。

光电化学方法由于具有简单、快速、准确、易于实时在线检测等特点，特别是采用TiO₂、ZnO等各种氧化物半导体作为催化剂的光电检测方法，一直备受青睐。光电催化氧化方法主要是通过电极表面产生具有强氧化能力的羟基自由基将底物进行氧化降解，具有快速高效、氧化较彻底等优点。但是，也正是因为如此，反应的选择性差，往往较难实现混合体系中不同底物的选择性光电催化氧化以及进一步的选择性光电检测。因此，如何实现有机物的选择性催化氧化也是目前光电催化研究领域中一个重要的前沿问题和技术难点。近年来众多科学家们尝试通过对催化剂表面进行修饰或改性以攻克光电催化氧化技术缺乏选择性这一难题。例如，结合分子印迹技术，通过在印迹材料制备过程中添加目标物质作为模板分子可以获得对目标分子具有选择性识别能力的识别位点；将它和光电催化氧化相结合，可以有效改善光电催化的选择性氧化的能力。除了采用传统的有机聚合物作为印迹材料外，更多的人致力于研究直接在无机光催化剂上构筑印迹位点。但是常见的无机光催化剂（TiO₂、ZnO）通常以无序纳米膜或颗粒的形式存在，表面往往凹凸不平，三维起伏；而且TiO₂光催化剂往往为锐钛矿和金红石混合晶型、多晶结构生长。在其表面直接制备目标污染物的识别位点对于印迹表达的重现性可能会造成一定影响。而且，手性污染物的对映体分子量和大小完全相同，仅存在空间结构的差异，这对于构筑具有手性识别功能的选择性光电催化剂是一个很大的挑战。我们认为，如果从这两方面对无机光催化剂进行改善，能够很大地提高其选择性，有望实现手性氨基酸的光电识别和选择性检测。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，通过直接在单晶ZnO表面构筑手性氨基酸的印迹位点来提供一种简单易行、选择性好，检测灵敏度高、重现性好、适用范围广的氨基酸对映体的光电催化手性识别方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

氨基酸对映体的光电催化手性识别方法，选用手性对映体L-苯丙氨酸和D-苯丙氨酸作为识别对象，配置一定浓度的L-苯丙氨酸和D-苯丙氨酸对映体溶液，分别加入0.1M Na₂SO₄电解液中，搅拌10分钟，静置，并采用i-t曲线的方法，在0.5mW紫外光照射下，施加偏压0.6V，测定光电流的响应，并用模板对映体L和干扰对映体D-苯丙氨酸的光电流增加率的比值来说明该电极在单一体系中对其目标手性物质的选择性；同时地，采用该电极检测在加入模板对映体L后再加入D-苯丙氨酸引起的干扰光电流，以说明该电极在混合体系中对手性对映体的识别能力。

所述的光阳极在混合体系中手性光电催化识别是在分别加入的不同浓度的L-苯丙氨酸到电解液中，测得相应的光电流响应，再分别加入0.5、1、10、20、50、100倍数的干扰对映体D-苯丙氨酸到电解液中检测其引起的干扰光电流响应。

采用手性印迹功能化的光阳极的光电检测方法，分别将配制的不同浓度的待测物质L和D-苯丙氨酸的标准溶液，依次分别加入到电解池中作为电解液，搅拌10分钟后，静置后测定光电流，根据光电流与标准溶液浓度的线性关系绘制工作曲线。

本发明提出的氨基酸对映体的光电催化手性识别方法，以苯丙氨酸对映体作为模板分子，通过晶种诱导水热法构筑表面具有手性苯丙氨酸印迹位点的单晶ZnO光阳极，将所述单晶ZnO光阳极的分子择形能力和光电技术进行结合，能够高灵敏地识别左右旋苯丙氨酸；具体步骤如下：

（1）将2~10mmol/L Zn（CH₃COO）₂的乙醇溶液旋涂于阳极氧化法制备的TiO₂ NTs基板上，在空气气氛中350℃热解半小时，获得致密且均匀的ZnO晶种层；

（2）将步骤（1）得到的基板浸入Zn²⁺前驱体溶液中，分别以L-苯丙氨酸和D-苯丙氨酸作为模板分子，用水热法分别制成有L-苯丙氨酸印迹位点和D-苯丙氨酸印迹位点的单晶ZnO电极；

（3）将步骤(2)得到的有L-苯丙氨酸印迹位点和D-苯丙氨酸印迹位点的单晶ZnO电极分别在500℃下热解半小时，去除模板分子苯丙氨酸对映体，得到具有左右旋苯丙氨酸分子印迹位点的L-光阳极和D-光阳极；

（4）以5mW的紫外灯为光源，控制电极距离光源不变，采用标准三电极体系，以步骤(3)制备得到的L-光阳极或D-光阳极为工作电极，铂片电极为对电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，在光照条件下采用电流-时间（i-t）方法，在0.1M Na₂SO₄溶液中外加0.6V偏压下测量开灯和关灯时电极上产生的电流；选用D-光阳极或L-光阳极的方法相同；当选用L-光阳极为工作电极时，分别在加入等量的L-苯丙氨酸和干扰物D-苯丙氨酸到电解液后，搅拌10min，静置后，检测其光电流变化；另外，在加入不同浓度的L-苯丙氨酸后测定其光电流响应，再测定加入不同倍数的干扰对映体D-苯丙氨酸后的光电流的变化；

（5）以5mW的紫外灯为光源，控制电极距离光源不变，采用标准三电极体系，以步骤(3)制备得到的L-光阳极或D-光阳极为工作电极，铂片电极为对电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，配制一系列浓度为1ｘ10^-7mol/L~1ｘ10^-12mol/L的待测物质苯丙氨酸对映体的标准溶液；将标准溶液依次分别加入到电解池中作为电解液，搅拌10分钟后，静置；采用电流-时间（i-t）的方法，测定不同浓度的标准溶液的光电流响应，根据光电流与标准溶液浓度的线性关系绘制工作曲线。

本发明中，步骤(4)中光阳极在混合体系中手性光电催化识别是在分别加入的不同浓度的L-苯丙氨酸到电解液中，测得相应的光电流响应，再分别加入0.5、1、10、20、50、100倍数的干扰对映体D-苯丙氨酸到电解液中检测其引起的干扰光电流响应。

本发明的特点在于：测试过程简单灵敏，识别性强，选择性高，并且电极表面稳定，使用寿命长，可重复使用多次，并获得稳定的光电化学信号。

与现有技术相比，本发明具有以下的优点：

（1）本发明直接在单晶ZnO光催化剂上构筑手性氨基酸印迹位点，不仅克服了传统有机聚合物印迹膜遮光、易降解而且机械强度不够的缺点；而且避免了无机光催化剂凹凸不平和三维起伏的表面以及混合晶型不利于印迹位点表达的问题，很大程度地提高了光电催化技术的选择性氧化能力；

（2）构筑手性氨基酸印迹功能化的单晶ZnO电极，并首次应用于手性氨基酸的光电识别和检测中。通过对L-苯丙氨酸印迹位点在刚性表面的建立，使得该电极对该目标对映体的光电流响应是干扰物D-苯丙氨酸的4.8倍，而且在不同浓度的待测物L-苯丙氨酸中，50倍于待测物（L-苯丙氨酸）浓度的干扰对映体在电极上引起的光电流影响不超过15%，显示了良好的选择性；

（3）本发明直接在单晶ZnO无机光催化表面构筑手性氨基酸印迹位点，更加有利于印迹的表达和重建，表面分子印迹位点具有良好的可接近性，便于模板分子氨基酸对映体的脱除与再结合，充分保证印迹位点的分子识别功能和选择性光电催化反应的快速进行。同时，单晶ZnO纳米棒的低缺陷率可以很好地减少光生电子-空穴的复合位点，快速地导走光生电子，有利于电子-空穴更好的分离，从而进一步提高该光阳极的手性选择性光催化能力，提高其检测的灵敏度；

（4）本发明的光电化学检测方法实现了手性对映体苯丙氨酸的光电识别和检测，采用的仪器廉价便携，方法简单易行，并具有较高的灵敏度，检测限达到10^-12mol/L。适用于环境监测中的在场分析，所以对实现环境手性污染物的选择性光电识别和检测提供了新的思路和研究基础。

附图说明

图1 L-苯丙氨酸的浓度与L-光阳极上的光电流响应的线性关系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明中使用的电极基底TiO₂NTs是参照了Maggie Paulose等在文献（Anodic Growth of Highly Ordered TiO₂ Nanotube Arrays to 134 nm in Length, Maggie Paulose, Karthik Shankar et al, J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 16179-16184）中报道的阳极氧化方法制备所得，并进行了相应的改善，具体是以打磨抛光且清洗后的Ti板为阳极，Pt片为阴极，电极间距维持在1cm，电压为20V，在含有0.5%HF的水溶液中进行预氧化1h。然后在相同的体系中，改用0.25wt%NH₄F，1wt%H₂O₂的聚乙二醇溶液为电解液，继续进行阳极氧化，时间为2h。将阳极氧化得到的TiO₂NTs在500℃氧气气氛下进行烧结，升温速率为1℃ /min。

以上述方法制备的TiO₂NTs为基底，然后将5mmol/L Zn（CH₃COO）₂的乙醇溶液旋涂于TiO₂NTs板上，在空气气氛下，以350℃热解半小时，获得致密且均匀的ZnO晶种层。将等摩尔的Zn（NO₃）₂及(CH₂)₆N₄溶解在去离子水中，得到Zn²⁺浓度为0.02mol/L的溶液。然后，将基底浸入前驱体溶液中，正面朝下放置于特氟龙内衬的不锈钢高压反应釜中，于90℃反应5h，取出电极，用去离子水冲洗，去除表面残留物，在室温下干燥，得到一维单晶ZnO/TiO₂NTs电极，用SC-ZnO 表示。对于具有目标物质L-苯丙氨酸分子印迹识别位点的单晶ZnO电极的制备，仅需在水热反应液中添加1.00mmol/L的模板物质，该电极用L(MI,SC) ZnO表示。最后在500℃下热解半小时，去除模板分子L-苯丙氨酸，记作L-光阳极和D-光阳极。

实施例2

采用电化学工作站（CHI660C，上海辰华），以光强为5mW的紫外灯为光源且控制每次实验时电极距离光源3cm。采用标准三电极体系，以各制备得到的电极为工作电极，铂片电极为对电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，控制电极的光照几何面积为13×15mm²。在光照条件下采用电流-时间（i-t）方法,在0.1M Na₂SO₄溶液中进行，外加0.6V偏压下测量开灯和关灯时电极所对应产生的电流。以L-光阳极电极为例，分别在加入1ｘ10^-8M的L-苯丙氨酸和干扰物D-苯丙氨酸到电解液后，搅拌10min，静置后，检测其光电流变化，采用得到的比值S_PEC来说明印迹电极在单一体系中对目标手性对映体的识别能力；另外，在加入一定浓度的L-苯丙氨酸后测定其光电流响应，再测定加入不同倍数（0.5、1、10、20、50、100）的干扰对映体D-苯丙氨酸后的光电流的变化，并以L-苯丙氨酸中加入D-苯丙氨酸后光电流的增加率S_interfere来衡量分子印迹电极在混合体系中对手性分子的选择性光电识别能力(共测定六组浓度：1ｘ10^-7、1ｘ10^-8、1ｘ10^-9、1ｘ10^-10、1ｘ10^-11和1ｘ10^-12M)。结果表明在单一体系中，该光阳极对目标对映体的光电流响应是其干扰手性分子的4.8倍；在混合体系中，在1ｘ10^-8到1ｘ10^-10M这个浓度范围内，当干扰对映体浓度是待测物的50倍时所引起的光电流影响也不超过15%，也就说明该范围该光阳极的识别能力是最佳的。

实施例3

配制一系列不同浓度的待测物质苯丙氨酸对映体的标准溶液；将标准溶液依次分别加入到电解池中作为电解液，搅拌10分钟后，静置；采用i-t曲线的方法，光源为5mW的紫外灯，而且控制电极距离光源3cm，施加偏压0.6V，测定光电流，根据光电流与标准溶液浓度的线性关系绘制工作曲线，得到的L-光阳极对L-苯丙氨酸检测的线性拟合方程△I/I=1.7664+3.38268log（C×10¹²L·mol^-1），相关系数为R²=0.99962，检测范围为4×10^-12~ 4.18 × 10^-6mol/L，检测限为4×10^-12mol/L,。然后，采用该电极去检测已知浓度的目标对映体溶液的光电流响应，得到其检测回收率，其中L-印迹单晶电极对1×10^-7、1×10^-8和1×10^-9M L-苯丙氨酸的检测回收率分别为98.37%、100.30%、103.17%，说明该光阳极对其模板对映体的检测有较好的准确性和灵敏度。每次测定后将电解池中的工作电极置于500℃下煅烧，以去除模板分子，实现电极表面的再生和更新。

Claims

1.一种氨基酸对映体的光电催化手性识别方法，其特征在于，以苯丙氨酸对映体作为模板分子，通过晶种诱导水热法构筑表面具有手性苯丙氨酸印迹位点的单晶ZnO光阳极，将所述单晶ZnO光阳极的分子择形能力和光电技术进行结合，能够高灵敏地识别左右旋苯丙氨酸；具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的氨基酸对映体的光电催化手性识别方法，其特征在于步骤(4)中光阳极在混合体系中手性光电催化识别是在分别加入的不同浓度的L-苯丙氨酸到电解液中，测得相应的光电流响应，再分别加入0.5、1、10、20、50、100倍数的干扰对映体D-苯丙氨酸到电解液中检测其引起的干扰光电流响应。