CN112834379B - 一种半胱氨酸手性识别传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半胱氨酸手性识别传感器，属于手性识别技术领域。本发明利用经典稳定的Zr基MOFs材料UiO‑66‑NH2为母体，D‑酒石酸及L‑酒石酸为手性源，通过酒石酸与MOFs中的氨基原位缩合，在MOFs框架内引入了手性的酒石酰亚胺结构，获得了一对手性的MOFs对映体（UiO‑tart）。将UiO‑tart通过旋涂技术在Au表面沉积，制成UiO‑tart@Au质量传感器，在分析时，表面覆盖的手性UiO‑tart可以实现对半胱氨酸对映体的选择性吸附，从而实现了对半胱氨酸绝对构型的快速直观区分。
Description
技术领域
本发明属于手性识别技术领域，具体涉及一种半胱氨酸手性识别传感器。
背景技术
对于生物活性分子来说，其手性构型决定了其功能及用途，错误使用其对映异构体将可能导致严重的机体损伤，而直观准确的区分其绝对构型对于医药、生理等领域具有重要现实意义。氨基酸是蛋白质的基本构建单元，天然氨基酸共有20种，其中多数的绝对构型为S型，而半胱氨酸是其中的特例，天然L-半胱氨酸为R构型，且是天然氨基酸中唯一含有巯基的特例。半胱氨酸是人体的条件必需氨基酸和生糖氨基酸，在生物体内具有抱合作用等, 故对范围广泛的毒物具有解毒作用，并参与多项氧化还原型生理代谢过程，在机体功能调控过程中扮演重要角色。此外，半胱氨酸在医药、护肤品及食品工业也有广泛的应用。设计开发新型的手性传感器，直观快速的区分半胱氨酸的绝对构型具有迫切的市场应用需求及科学研究意义。
为实现这一目标，首先需要建立对半胱氨酸这一分子的选择性识别，将其与其它19种天然氨基酸区分；进一步地还需要具备对映选择性，能够识别区分半胱氨酸分子的绝对构型。半胱氨酸的裸露巯基是其区别于其它19种氨基酸的显著特征，也因此是目前开发半胱氨酸传感器的重要突破口。利用巯基与某些特定金属元素的高度亲和性（例如IB族元素的铜金银等），可以有效建立对半胱氨酸的选择性识别，将其与其它氨基酸进行区分，这也是目前半胱氨酸传感器研究的主要内容。然而，进一步地实现其对映异构传感则面临巨大挑战，需要引入手性组分以赋予传感器以手性识别位点，而功能、结构等方面均适宜的手性功能分子较为缺乏，使得手性半胱氨酸传感器的研究较为稀少，多集中在利用手性聚合物与金属纳米粒子的复合方面，制备过程复杂，目前仅有不到20例的相关研究报道。不仅如此，现有报道的手性半胱氨酸传感器的信号传导机制较为复杂，依赖于拉曼、圆二色谱、电化学等复杂的测试设备，测试要求严格过程繁琐，十分不利于半胱氨酸快速现场检测侧的直观需求，因此亟需开发新型的传感技术，以解决以上问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种半胱氨酸手性识别传感器，可实现对半胱氨酸绝对构型的快速直观区分。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种半胱氨酸手性识别传感器，是将手性识别材料旋涂在以Au电极修饰的石英晶体微天平晶片上后制得；
所述手性识别材料是将D-酒石酸或L-酒石酸与Zr基MOFs材料UiO-66-NH2原位缩合后得到。
进一步地，所述手性识别材料是将D-酒石酸与Zr基MOFs材料UiO-66-NH2原位缩合后得到，将其旋涂在以Au电极修饰的石英晶体微天平晶片上后，通过优先吸附D-半胱氨酸，从而实现对半胱氨酸绝对构型的识别区分。
进一步地，所述手性识别材料是将L-酒石酸与Zr基MOFs材料UiO-66-NH2原位缩合后得到，将其旋涂在以Au电极修饰的石英晶体微天平晶片上后，通过优先吸附L-半胱氨酸，从而实现对半胱氨酸绝对构型的识别区分。
本发明利用经典稳定的Zr基MOFs材料UiO-66-NH2为母体，D-酒石酸及L-酒石酸为手性源，通过酒石酸与MOFs中的氨基原位缩合，在MOFs框架内引入了手性的酒石酰亚胺结构，获得了一对手性的MOFs对映体（UiO-tart）。随后，将UiO-tart通过旋涂技术在Au表面沉积，获得了UiO-tart@Au质量传感器。其中的Au基底被表面的MOF层覆盖，不能直接接触到外部环境。其过程如图1所示。在分析时，表面覆盖的手性UiO-tart可以实现对半胱氨酸对映体的选择性吸附，被吸附的半胱氨酸对映体则可以进一步接触到底部的Au基底，并通过巯基与Au反应固定到Au表面，造成整个体系的质量显著增加，从而实现了对半胱氨酸绝对构型的快速直观区分。
附图说明
图1为本发明中半胱氨酸手性识别过程示意图。
图2 为实施例1中样品的扫描电子显微镜照片，从左到右分别为：L构型的UiO-tart、D构型的UiO-tart以及未修饰的UiO-66-NH2。
图3为实施例1中样品的粉末衍射谱图对比，图内小图是其局部放大对比。
图4为实施例1中样品的红外光谱对比图。
图5 为UiO-66-NH2分解提取产物的核磁共振图谱。
图6 为UiO-tart分解提取产物的核磁共振图谱。
图7为UiO-tart@Au晶片的结构图。
图8为L-UiO-tart@Au对半胱氨酸对映体的吸附曲线。
图9为 D-UiO-tart@Au对半胱氨酸对映体的吸附曲线。
图10为空白Au晶片对半胱氨酸对映体的吸附曲线。
图11 为外消旋传感器race-UiO-tart@Au对半胱氨酸对映体的吸附曲线。
图12为L构型UiO-tart分别与L-半胱氨酸和D-半胱氨酸作用时的红外光谱对比。
图13为D构型UiO-tart分别与L-半胱氨酸和D-半胱氨酸作用时的红外光谱对比。
图14为DFT计算优化的L构型UiO-tart与L-半胱氨酸形成的复合物氢键结构示意图。
图15 为DFT计算优化的L构型UiO-tart与D-半胱氨酸形成的复合物氢键结构示意图。
图16 为DFT计算优化的D构型UiO-tart与L-半胱氨酸形成的复合物氢键结构示意图。
图17为 DFT计算优化的D构型UiO-tart与D-半胱氨酸形成的复合物氢键结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。实施例中未注明具体条件的实验方法及未说明配方的试剂均为按照本领域常规条件。
实施例1
一、UiO-tart的合成及表征
1、UiO-tart的合成
将0.28 g的UiO-66-NH2（1mmol）与0.18 g的L-酒石酸（1.2 mmol）在二甲苯中回流反应48小时，并利用分水器不断将产生的水分离出体系。待反应结束，冷却至室温，过滤，滤饼用乙醇洗涤，经干燥后可得到L构型的UiO-tart约0.3 g，产率为78%。
将L-酒石酸替换为D-酒石酸，根据相同的合成条件，可得到D构型的UiO-tart，产率为76%。
2、UiO-tart样品表征分析
SEM图片表明，利用两种构型的酒石酸所合成的UiO-tart材料均良好保持了原有的纳米形貌，与未修饰的UiO-66-NH2保持一致（图2所示）。
粉末衍射（PXRD）分析表明，UiO-tart具有与UiO-66-NH2基本一致的衍射峰，充分说明其晶体结构在修饰过程中没有发生变化。深入分析表明部分衍射峰出现了十分细微的位移，平均向低衍射角度位移了约0.22度，表明这些衍射角对应的晶面间距在经过修饰后变大，这是由于酒石酰亚胺大基团在UiO-MOF的孔道内被成功合成撑大了晶面间距所导致的（图3所示，发生位移的衍射峰对应的晶面指数已标出，图内小图是其局部放大对比）。
红外光谱表明，在UiO-tart中出现了新的振动吸收峰，分别对应于酒石酰亚胺上的羰基伸缩振动（1753 cm-1）、碳氮键伸缩振动（1198 cm-1）以及脂肪族的碳碳键伸缩振动（1126 cm-1）。此外，母体材料UiO-66-NH2中原有的游离氨基的N-H键伸缩振动（3373 cm-1）消失，以上变化说明成功在UiO-MOF框架内通过后修饰技术引入了酒石酰亚胺结构（图4所示）。
进一步将UiO-tart破坏提取并进行核磁共振测试表明，化学位移4.38-4.36之间出现了酒石酰亚胺五元环上的特征氢磁共振信号，在7.21处出现了由于分子间氢键作用而向低场位移的羟基氢宽峰。此外，配体上的芳香氢全部向低场移动，未发现原有氢的信号残留，充分说明了经过酒石酸处理之后生成了酒石酰亚胺结构，且转化率接近100% （图5、图6所示）。
二、UiO-tart@Au的合成
称取L-构型的UiO-tart约20 mg，加入5 mL的异丙醇，超声震荡3小时，得到均一的分散液。以频率为5 MHz、1英寸Au电极修饰的石英晶体微天平晶片为基底旋涂制备薄膜器件。旋涂转动频率为10 Hz，取配置的UiO-tart分散液100 μL，小心旋涂到Au电极表面。然后将晶片真空50 oC干燥3小时，即可得L-构型的UiO-tart@Au传感器（图7）。
类似的，使用D-构型的UiO-tart遵循相同的步骤即可得到D-构型的UiO-tart@Au传感器；将等量的L-和D-构型的UiO-tart混合并根据上述步骤旋涂，即可得消旋的传感器race-UiO-tart@Au。
三、UiO-tart@Au对半胱氨酸的手性识别
将L构型的UiO-tart@Au传感器（L-UiO-tart@Au）装备到石英晶体微天平的固定相测试池并连接到仪器，待其信号稳定后，分别以浓度为0.1 mM的L-半胱氨酸及D-半胱氨酸为测试对象，测试UiO-tart@Au对半胱氨酸对映体的吸附能力，记录质量变化曲线。待信号平稳不再显著变化后停止测试，并以最终的吸附量为计算依据，测算其对映选择指标（ef）。
同样的，分别以D构型的UiO-tart@Au传感器（D-UiO-tart@Au），消旋的race-UiO-tart@Au以及空白的Au晶片为传感器，在相同条件下分别测试其对0.1 mM的L-半胱氨酸及D-半胱氨酸的吸附能力，并计算其对映选择指标（ef）。
ef的计算依据以下公式：
其中efL和efD分别为传感器对L-半胱氨酸和D-半胱氨酸的对映选择指标，而mL和mD分别代表传感器对L-半胱氨酸和D-半胱氨酸的吸附量。
对映选择性指标（ef）是评价一个手性传感器的手性区分能力，体现了其对两种构型的对映体分子的区分程度。本传感器对半胱氨酸对映异构体的吸附量不同，通过质量变化体现手性选择性，ef的计算也依据最终平衡吸附量。通过测试，不同传感器对半胱氨酸对映体的吸附量列于表1。
表1 不同传感器对半胱氨酸吸附量及其对映选择指标
可以看出，本发明所合成的手性传感器表现出良好的对映异构选择性，L构型的传感器优先吸附L-半胱氨酸，D构型的传感器优先吸附D-半胱氨酸，而外消旋的传感器以及空白的Au晶片的ef值均趋近于1，说明其对两种半胱氨酸异构体的吸附量基本相等，且不具备对映异构选择性。
四、对映异构选择性吸附原理
经过酒石酸修饰后，在原有的MOF框架内引入了酒石酰亚胺结构，该结构有两个手性的裸露羟基位点，可以与底物发生氢键作用而产生吸附。红外测试表明，手性的UiO-tart与酒石酸之间基于分子构型不同而产生不同的氢键作用，从而导致羟基上的O-H伸缩振动峰向低波数位移，而位移量与氢键的结合程度正相关。测试表明，对于L构型的UiO-tart，与L-半胱氨酸结合时O-H的伸缩振动位移量更大；而对于D构型的UiO-tart，与D-半胱氨酸结合时O-H的伸缩振动位移量更大，红外吸收数据列于表2。
表2 UiO-tart与半胱氨酸对映体结合前后O-H伸缩振动峰数据（波数cm-1）
DFT计算表明，不同构型的UiO-tart与半胱氨酸结合时，所产生的氢键位点不同。其中同构型的UiO-tart与半胱氨酸结合时，利用两个手性羟基分别与半胱氨酸的氨基和羧基发生强烈氢键作用；当异种构型的UiO-tart与半胱氨酸结合时，只有一个手性羟基位点以及一个非手性的羰基位点参与氢键作用，分别与半胱氨酸的氨基和羧基产生氢键作用（图14-17）。可以看出，异种构型的UiO-tart与半胱氨酸结合时，其手性识别位点没有被充分利用，因此难以获得较好的对映选择性。
进一步计算还表明，该氢键结合反应的反应焓也强烈依赖于分子构型，其中同种构型的UiO-tart与半胱氨酸结合时所对应的摩尔反应焓更大，意味更加高的热力学反应优先级（表3）。
表3 UiO-tart与半胱氨酸对映体之间氢键识别反应的摩尔反应焓(KJ.mol-1)
DFT计算表明，UiO-tart与同种构型的半胱氨酸直接的氢键结合反应能够更加有效充分利用其手性位点，且其摩尔反应焓更大，具有更高的热力学优先级，因此当面对消旋的半胱氨酸时，与UiO-tart同种构型的半胱氨酸被优先通过氢键作用结合，另一构型的半胱氨酸则仍处于游离态，从而实现手性区分的目标。
Claims (3)
1.一种半胱氨酸手性识别传感器，其特征在于：所述传感器是将手性识别材料旋涂在以Au电极修饰的石英晶体微天平晶片上后制得；
所述手性识别材料是将D-酒石酸或L-酒石酸与Zr基MOFs材料UiO-66-NH2原位缩合后得到，其制备方法如下：
将1 mmol的UiO-66-NH2与1.2 mmol的L-酒石酸在二甲苯中回流反应48 h，并利用分水器不断将产生的水分离出体系，待反应结束，冷却至室温，过滤，滤饼用乙醇洗涤，经干燥后得到；
或者，将1 mmol的UiO-66-NH2与1.2 mmol的D-酒石酸在二甲苯中回流反应48 h，并利用分水器不断将产生的水分离出体系，待反应结束，冷却至室温，过滤，滤饼用乙醇洗涤，经干燥后得到。
2.根据权利要求1所述的一种半胱氨酸手性识别传感器，其特征在于：所述手性识别材料是将D-酒石酸与Zr基MOFs材料UiO-66-NH2原位缩合后得到，将其旋涂在以Au电极修饰的石英晶体微天平晶片上后，通过对D-半胱氨酸的优先吸附，从而实现对D-半胱氨酸和L-半胱氨酸的识别区分。
3.根据权利要求1所述的一种半胱氨酸手性识别传感器，其特征在于：所述手性识别材料是将L-酒石酸与Zr基MOFs材料UiO-66-NH2原位缩合后得到，将其旋涂在以Au电极修饰的石英晶体微天平晶片上后，通过对L-半胱氨酸的优先吸附，从而实现对D-半胱氨酸和L-半胱氨酸的识别区分。
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