（应用化学专业论文）QCM手性传感器的组装与手性识别.pdf

q c m 手性传感器的组装与手性识别 摘要 q c m 手性传感器的组装与手性识别 专业：应用化学申请者：罗妙丽导师：章伟光教授 石英晶体微天平( q c m ) 手性传感器对手性分子的识别具有潜在的重要的应用前景，已 经成为手性识别领域的一个研究热点。q c m 手性传感器因为它的简便，应用性广而成为一 个非常吸引人测试技术。利用q c m 对过程质量变化非常敏感的特性，具有n g 级的质量监测 能力，能够感知环糊精对不同的手性异构体的选择性吸附作用，从而能够在线定性识别不 同的手性异构体，例如对映异构体，几何异构体等。本论文致力于发展新型的1 3 一环糊精衍 生物膜q c m 手性传感器。 首先，我们合成了较高纯度的全苯基异氰酸酯取代1 3 一环糊精( p h c d ) ，对氯苯基异氰 酸酯取代1 3 一环糊精( c 1 一p h c d ) ，并将巯基键合到了全苯基异氰酸酯取代1 3 一环糊精上，得到 p h c d - s h 。并用红外光谱法、核磁共振法、元素分析和薄层层析色谱分析对合成的环糊精 衍生物进行了表征。 第二，我们组装了p h - c d 膜修饰的q c m 手性传感器，并在气相中对手性分子r ，s 一3 甲 氧基苯基乙胺( 简称r ，s m p e a ) 、r ，s 一四氢萘胺( 简称r ，s - t n a ) 、r ，s 一辛醇( 简称r ，s o t ) 、 r ，s 一乳酸甲酯( 简称r ，s - m e l ) 手性异构体进行了手性识别。q c m 手性传感器对这四对手性异 构体的手性识别能力较好，识别能力从大到小依次为：o t t n a m p e a m e l 。 第三，我们采用了紫外光谱法和荧光光谱法对识别机理进行了探讨，发现在水体系和 乙醇体系中，无论p h c d 还是1 3 - c o 和c l p h - c d 的紫外识别因子都是a 足s - t n a u r , s - m p e a 。 且p h - c d 、b - c o 、c i - p h - c d 对r ，s - t n a 的荧光识别因子也a g s - t n a a g s - m p e a 。这与r ，s - t n a 的q c m 手性识别因子大于r ，s - m p e a 相一致。紫外光谱法，荧光光谱法，q c m 手性传感器法 三种方法能够得到很好的相互印证。 关键词：环糊精；q c m ；手性传感器：手性识别 q c m 手性传感器的组装与手性识别 a s s e m b l ya n dc h i r a ir e c o g n i t i o no fq u a r t zc r y s t a lm i c r o b a l a n c e c h i r a ls e n s o r m a j o r ：a p p l i e dc h e m i s t y n a m e ：l u om i a o - l i s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gw e i g u a n g a b s t r a c t q u a r t zc r y s t a lm i c r o b a l a n c e ( q c m ) c h i r a ls e n s o rf o rc 蛐r a lr e c o g n i t i o nh a sp o t e n t i a la n d i m p o r t a n tp r o s p e c t s ，a n di so n eo ft h ep r o m i s i n gr e s e a r c hf i e l d si nr e c o g n i t i o ns c i e n c e s q c m t r a n s d u c e ri sa l la t t r a c t i v et e c h n i q u ef o rc h i r a lr e c o g n i t i o nm a i n l yd u et oi t ss i m p l i c i t yi nt h e d e s i g na n dw i d ea p p l i c a b i l i t y b ya p p l y i n gas p e c i f i c a l l yd e s i g n e dl a y e ro f f u n c t i o n a lc o a t i n gt o t h eq u a r t zs u r f a c e ，q c mb e c o m e sa ne x t r e m e l ys e n s i t i v et e c h n i q u et h a tc a l ld e t e c tn a n o g r a m l e v e lo fm a s sc h a n g eo nt h es u r f a c e v a r y i n gt h ef u n c t i o n a l i t yp r e s e n ti nt h es u r f a c ec o a t i n g s ，t h e s p e c i f i c i t yo fq c m s e n s o r sc a nb er e a d i l yt u n e dt or e c o g n i z ea n db i n dav a r i e t yo fa n a l y t e so f i n t e r e s t ，s u c h 豁e n a n t i o m e r , g e o m e t r e m ，e r e i nt h i sp a p e r , an o v e lc h i r a l s e n s o rb a s e do nt h e s e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e ro fp h - - c d - s ho naq u a r t zc r y s t a lt r a n s d u c e rf o rc h i r a lr e c o g n i t i o nw a s s e t u p f i r s t l y , ( 6 a - a z i d o 6 a - d e o x y ) h e p t a k i s ( 2 ，3 d i o - p h e n y l c a r b a m o y l ) 6 b ，6 c ，6 d , 6 e ，6 f ， 6 g - h e x a - o - p h e n y l - c a r b a m o y l - f l - c y c l o d e x t r i n ( p h - c d ) ，( 6 a - a z i d o - 6 a - d e o x y ) h e p t a k i s ( 2 ，3 - d i o c 1 p h e n y l c a r b a m o y l ) 6 b ，6 c ，6 d ，6 e ，6 f ，6 g - h e x a - o - p h e n y l - c a r b a m o y l 卢c y c l o d e x t r i n ( c 1 p h - c d ) ，a n d ( 6 a - t 0 m e r c a p t o e t h y l u r - e a d o - 6 - d e o x y ) - h e p t a k i s 一( 2 ，3 - d i o - p h e n y l c a r b a m o y l ) 6 b ，6 c ，6 d , 6 e ，6 f ，6 g - h e x a - o - p h e n y l c a r b a m o y l - f l - c y c l o - d e x t r i n ( p h c d s h ) w e r e a l l s y n t h e s i z e d t h ep u r i f i e dp h - c d ，c i - p h - c d a n dp h - c d s hw e r ec h a r a c t e r i z e db yf t - i r ，1h n m r , e l e m e n ta n a l y s i sa n df o l i u ma n a l y s i s s e c o n d l y , w er e p o r tt h ed e v e l o p m e n to faq c m c h i r a ls e l l s o rw i t hf u n c t i o n a l i z e df l - c d s e l f - a s s e m b l ym o n o l a y e r 勰c h i _ r a lc o a t i n g t oa c h i e v eo n - l i n ec h i r a ld i s c r i m i n a t i o nt o w a r d s ( 冠j s ) - ( 士) ( 3 m e t h o x y p h e n y l ) e t h y l a m i n e ( 足s - m p e a ) ，r , s t e t r a h y d r o n a p ht h y l a m i n e ( r , s - t n a ) ， r , s 2 - o c t a n o l ( r , s o t ) a n dr , s - m e t h y ll a c t a t e ( r , s m e l ) i nt h eg a sp h a s e t h er e c o g n i t i o n i t q c m 手性传感器的组装与手性识别 a b i l i t y o r d e rf o r q c m e h i r a ls e n s o rt o w a r d st h ef o u r e n a n t i o m e r i c s i st h a t ： o t t n a m p e a m e l t h i r d l yu v m e t h o da n df lm e t h o dw e r eu s e dt oi n v e s t i g a t et h em e c h a n i s mf o rh o s t - g u e s t i n t e r a c t i o n sb e t w e e nf l - c d ，p h c d ，c 1 p h - c da n dm p e a ，t n a ，o t ，m e l n 地r e s u l t si n d i c a t e dt h a t , b o t hi nt h ew a t e ra n de t h a n o ls y s t e m ，t h eu vo rf ld i s c r i m i n a t i o n f a c t o ri sa r s - v s a o t r , $ - m p e af o rp h - c d ，i b - c d 、c 1 一p h c d ，w h i c ha g r e e d 谢t ht h eq c m d i s c r i m i n a t i o nr e s u l t s 1 1 1 eu vm e t h o d , f lm e t h o d ，a n dt h eq c mm e t h o dh a dt h es a m er e s u l t s k e y w o r d s ：c y c l o d e x t r i n ；q c m ；c h i r a ls e n s o r ；c h i r a lr e c o g n i t i o n i i i 华南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到此声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：罗幼功 e t 期：姗c 7 年1 5 月侈e t 学位论文使用授权声明 本人完全了解华南师范大学有关收集、保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南师 范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年后解密适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 论文作者签名：罗幼硝a e t 期：p 口a 7 年6 月8 日 导师签 日期： 6 月孑曰 q c m 手性传感嚣的组装与手性识别 第一章绪论 手性( 英文名c h i r a l i t y 源自希腊文c b e i r ，手或者h a n d e d n e s s ) 是用来表达化合物 分子由于原子的三维捧列引起的结构不对称性的术语。早在1 9 0 4 年l o r d k e l v i 就阐明了 手性的定义，即分子或化合物和其镜像不能重台的现象称为手性“1 。这如同我们的左右手， 看上去非常相似，却不能重叠，物质的这种特性称为手性( 或手征性) 。人的手是不对称的， 左手和右手相互不能叠合，彼此是实物和镜像的关系，如图卜1 。这种关系在化学中称为 “对映关系”，具有对映关系的两个物体互为“对映体”。当不存在外部手性影响时，对映 体有着相同的物理性质，如熔点、沸点、密度等。然而一对对映体有一种物理性质彼此不 同，那就是它们旋转平面偏振光的方向。这种性质称为圆二色性( 又称旋光性或旋光异常 色散) 。由此看来，手性是化合物分子具有旋光性和对映异构现象的必要条件。 1 1 手性识别 考雾： 图l - 1 一对手性分子的立体化学结构1 】 1 1 1 手性识别及其重要性 手性是自然界的普遍现象，自然界以及生命体中蕴藏着大量的手性分子，手性识别的 研究在生命科学、制药以及材料科学中起着重要的作用。自然界的手性分子是如何产生的 或者手性是如何起源的问题一直是困扰人 门的一个关键科学问题，它甚至与生命的起源密 切相关，在手性的形成过程中，可能有一个从非手性到手性的选择过程：另一方面，当分 子通过分子间相互作用进行有序组装，形成有序组装体时，是否要求分子本身都必须具有 手性，或者非手性分子能否形成手性聚集体同样也是分子组装体手性研究中的关键科学问 题，有可能为手性的起源问题提供重要启示。所以无论在化学还是生物化学领域，手性识 别都是个重要的研究题。随着科学进步和经济发展，尤其在制药工业中，手性识别得到 一1 一 q c m 手性传感器的组装与手性识别 了快速发展。 具有手性的药物，两个对映体的药理及毒性存在着显著的差异。严格的说，手性药物 是对分子结构中存在手性因素的药物而言。但是通常，手性药物是指具有药理活性的手性 化合物组成的药物，其中只含有效对映体或者以含有效的对映体为主。就物理化学性质而 言，手性药物对映体之间的区别仅仅是旋光性的不同，其他均无区别，故而对映体也称作 光学对映体。药物的药理作用是通过与体内的大分子间严格的手性识别和配对而实现的。 在许多情况下，对映体在生物体内的药理活性、代谢过程、代谢速率及毒性等均存在显著 的差异口，羽，例如沙丁胺醇1 ，和特布他林2 是两个支气管扩张药物，它们的r 一构型药效 分别比s 一构型强8 0 2 0 0 倍。又比如，l 一多巴4 是治疗帕金森病的药物。它实际是一种前 药，进入体内后在酶的作用下进行脱酸成为起作用的多巴胺。体内酶的作用是专一性的， 只对左旋体发生脱羧作用，而对右旋体是无作用的。又如两个对映体中一个有活性，另一 个不但没有活性，反而有毒副作用。最出名的例子当属t h a l i d o m i d e5 悲剧。在2 0 世纪 6 0 年代，镇静药物肽胺哌啶酮( 反应停t h a l i d o m i d e5 ) 是以两个对映体的混合物( 消旋 体) 用作缓解妊娠反映药物的。但后来发现在欧洲曾有服用此药物的孕妇产下四肢呈海豚 状的畸形儿，成为震惊国际医药界的悲惨事件。随后的研究表明，肽胺哌啶酮的两个对映 体中只有( r ) 一对映体具有镇静作用，而( s ) 一对映体是一种强力致畸剂，会导致胎儿畸 形；近期研究还表明，问题还涉及体内消旋化等复杂问题。这样的例子还有很多，例如 e t h a m b u t o l9 的一种构型用于治疗结核病，而另一种构型却是致盲的，对于这种情况尤应 特别谨慎。 所以，有选择地识别并分离出单一的左旋或右旋体，将对人类的健康生活具有重大意 义。在目前市场销售的化学药物中，约有7 0 是消旋药物。其中大部分对映体的疗效及药 物动力学的差别远未被认识和深入研究。而许多手性药物各对映体的生物活性差别显著， 并可能产生严重的后果口1 。1 9 9 0 年美国食品药物管理局做出政策性规定：今后凡研制具有 不对称中心的药物，必须对其各个对映体进行分别测定和评价h 1 。对于已上市的消旋体药 物，如果制药公司能够使得其单一对映体药物上市，则可使该药的专有权延长几年。可见， 新的规定和条款对新药研究与开发中单一手性化合物的分离提出了迫切的要求啼1 。 1 1 2 手性识别研究进展及其现状 手性识别最近几年发展尤其迅速。按照研究体系的不同可以大致划分为五 一2 一 q c m 手性传感器的组装与手性识别 类。分别是第一种，主客体体系( h o s t - g u e s t ) 。这种主客体体系主要包括一些大环状和 笼状分子( 如环糊精、杯芳烃、冠醚、多糖、肌盐类受体、幽族类受体等，通常被人们称 为手性选择剂) 与小分子之间的弱相互作用、抗原抗体的特异性识别、人工受体 ( a r t i f i c i a l r e e e p t o r ) 与客体之间的相互作用。第二种是超分子体系用于手性识别与手 性放大。第三种是螺旋聚合物用于手性识别与放大。与主客体体系和超分子体系相比而言， 手性在聚合物中放大相对较容易一些。非手性分子和外消旋超分子体系的手性传递己经引 起了人们的极大关注。这主要是因为手性传递现象在很大范围内不但可以识别手性分子的 手性，而且还可以用来制备手性光学器件和发展手性材料作为手性识别的吸附剂和催化剂 并且展现出高度的特异性和对映选择性。第四种是利用金属配合物进行手性识别 ( m e t a l c o m p l e x e s ) 。金属配合物作为催化剂在结构和应用方面由于它的种类多样性己经引 起了人们的极大关注。同时其在手性识别方面也发挥着重要的作用。第五种是手性表面 ( s u r f a c e c h i r a li t y ) 现象体系的研究。近年来，随着新型表面实验技术的发展，表面手性 现象因其在立体选择性合成、立体选择性异相催化机理和手性物质拆分等方面的重要应 用，引起了人们的广泛关注。 1 1 3 手性识别的一般性原理 二q - r a a f ：q s 图卜5 三点作用模型图啪 三点作用模式的识别机理分三种模式，分别为 3 3 型、 3 - 2 型和 2 - 2 型，如图1 6 3 一 q c m 手性传感器的组装与手性识别 所示。 3 3 型是指拆分剂中3 个作用点来自于同一个手性中心原子所连的四个基团中的 三个基团( 原子) ，被拆分的对映体中三个作用点也来自于手性中心原子相连的三个不同基 团。 3 2 型是指拆分剂中三个作用点来自于同一个手性中心原子所连的四个基团中的三 个基团，而被拆分对映体中三个作用点来自于手性中心相连的两个基团，其中一个基团能 提供两个作用点：或者相反，拆分剂中的三个作用点来自手性中心的两个基团，而被拆分 对映体的三个作用点来自于手性中心原子相连的三个不同基团。 2 - 2 型是指拆分剂中三 个作用点来自于同一个手性中心原子所连的四个基团中的两个基团，而被拆分对映体的三 个作用点也来自于手性中心相连的两个基团。上述三种手性识别机理， 3 2 型机理中三 个作用点中由分子立体结构决定的作用点的稳定性，往往受到构象的影响，使相邻碳原子 上的基团构象不重叠，这种作用力较稳定：而 3 3 型识别机理要求太严格( 缺少构象柔韧 性) 较难满足，因此，可认为 3 2 型更普遍， 2 2 型相互作用的稳定性存在不足。 三护 【3 3 】型示意图 一- - - ， ，。 一 。 ， ， - ， ， 【3 - 2 型示意图 【2 2 】型示意图 图卜6 三点作用机理图 1 2 环糊精在手性识别方面的研究进展 1 8 9 1 年，v i l li e r 发现了环糊精( ( c y c l o d e x t r i n ，简称c d ) 并将其命名为 c e l l u l o s i n e 。1 9 0 3 年s c h a r d i n g e r 用分离的菌株消化淀粉得到了两种晶体化合物，为 了区别，把与碘一碘化钾反应生成蓝一灰色的晶体叫做q 一环糊精( q - c y c l o d e x t r i n ) ，生 成红棕色的晶体的叫做b 一环糊精( b - c y c l o d e x t r i n ) 。早期环糊精化学只涉及到催化高选 一4 一 q c m 手性传感器的组装与手性识别 择反应、酶类催化反应和不对称催化反应。随着科学技术的不断发展，各种研究手段的不 断推陈出新，近期环糊精成为构筑超分子的重要主体，以及认识各种有机、无机客体被环 糊精或修饰环糊精包合的性质和控制超分子互相作用的因素。可以预见，未来环糊精化学 以传统的物理方法与现代技术相结合，建立和完善时间分辩光谱仪、高分辨率电子显微镜 和隧道电子显微镜以及计算机化学等研究方法，将有助于在更深层次上认识由环糊精、修 饰环糊精及其类似物所进行的识别与结合的本质。 1 2 1c d s 结构及影响环糊精包结复合物形成和稳定的因素 环糊精又名s c h a r d i n g e r 糊精、环聚葡萄糖，是由环糊精葡萄糖残基转移酶 ( c y c l o d e x t r i ng l y c o s y lt r a n s f e r a s e ，c g t a s e ) 作用于淀粉、糖原、麦芽寡聚糖等葡萄 糖聚合物，而形成的由6 1 3 个d 一毗喃葡萄糖基以a 一1 ，4 一葡萄糖苷键连接而成的环状低聚 糖。q - c d ，b c d ，y - c d 结构表达式如图i - 7 所示。 图1 7 环糊精的分子结果【6 】 在环糊精的分子结构中，由于葡萄糖的2 位和3 位仲羟基位于截锥体的下面端口和外 部，6 位的伯羟基位于截锥体的上面开口，使环糊精分子外部亲水：同时6 位的- c h 2 - 和葡 萄糖结合的氧原子排列在空隙的内部，呈疏水性。这种性质与表面活性剂相似，故可起乳 化剂的作用。环糊精的主要特性是其疏水空洞内可嵌入各种有机化合物，从而形成稳定的 络合物。q ，b ，y 三种环糊精均为白色结晶粉末，无一定熔点，加热到约2 0 0 。c 开始分解。 三种环糊精的结构相似，但三者间的水溶解度、穴洞大小等差别很大( 见表1 1 ) 表1 1 环糊精的物理和化学性质1 6 】 a c y c l o d e x t r i ni b - c y c l o d e x t r i ny - c y c l o d e x t r i n d 吡喃葡萄糖的 数目 化学式 分子质量 6 c 3 6 h 6 0 0 3 0 78 c 4 2 h 7 0 0 3 5 1 1 3 4 9 9 5 一 c 4 8 h 8 0 0 4 0 1 2 9 7 1 2 q c m 手性传感器的组装与手性识别 大约空容( r i m 3 1 外径0 1 n 1 ) 洞穴直径( n m ) 深度( r i m l 溶解度( g i o o m l w a t e r , 2 5 0 c 1 17 4 14 6 0 0 4 0 4 铷5 3 0 7 9 士0 1 0 1 45 2 6 2 l + 5 4 - 00 4 0 6 0 - 0 6 5 0 7 9 i 0 1 0 18 5 4 2 7 l7 5 士00 4 07 5 08 3 07 9 0 1 0 2 3 ，2 环糊精特殊的“内疏水，外亲水”的分子结构使得c d 能作为“宿主”，通过分子间相 互作用包络不同“客体”化合物，形成包络物( i n c l u s i o n c o m p l e x ) ，完成彼此间的识别过程。 c d s 包结复合物能否形成受内在因素和外在条件的影响，内在因素取决于c d s 和其客 体的摹本性质。归纳起来主要有以下三个方面： ( 1 ) 主客体之间有疏水亲醋相互作用。由于c o s 空腔是疏水性的，极性越小的分子越 易与c d s 的疏水空腔作用，具有疏水链的客体分子易与之形成稳定配合物，若底物由亲水 和憎水两部分组成，则憎水部分最大程度地与c d s 内腔作用，亲水部分尽可能远离内腔而 与极性溶剂和c d s 两端的羟基作用； ( 2 ) 主一客体符合空间匹配效应。c d s 空腔孔径大小不同，它们分别可选择容纳体积大 小与其空腔匹配的客体分子，这样形成的包结复合物比较稳定。客体分子尺寸太大，不易 进入空腔中，而尺寸太小又不稳定： ( 3 ) 氢键与释放高能水。一些客体分子与c d s 的羟基可形成氢键，增加了包结物的稳 定性。即客体的疏水部分进入c d s 空腔取代c d s 高能水有利于c d s 包结物的形成。因为极 性的水分子在非极性空腔欠稳定，易被极性较低的分子取代( 见图卜8 ) 。 一- 图i - 8 环糊精包结物的形成过程 7 1 - 6 - q c m 手性传感器的组装与手性识别 上述三个因素不但影响着c d s 包结复合物能否形成，而且还直接影响着所形成包结物 的稳定性。即包结物的稳定性也取决于客体分子基团的性质、空腔尺寸、分子大小以及空 间构型等。a g e n e sb u v a r i - b a r c z a 阳1 课题组讨论了客体性质、1 3 - c d 取代度对包结物形成 的影响，认为包结物的稳定性依赖于客体分子的空间匹配性，即客体的尺寸和形状。 另外，包结复合物的形成还受反应时间、反应温度、搅拌( 或超声波震荡) 时间、反应 物浓度等外在条件的影响。一般延长反应时间、搅拌时间、提高c d s 浓度都有利于包结复 合物的形成。 1 2 2 环糊精包结客体分子的机理和步骤 相对非极性的客体分子和一个没有完全溶剂化的c d s 空腔的互相作用，是一个在能量 上适宜、熵与焓都起作用的过程，早期关于c d s 包结客体分子的机理和步骤的概念至今仍 被沿用口1 幻： ( 1 ) 被结合的极性水分子与非极性空腔间的相互作用，以及在体相水溶液中，极性水分子 与非极性客体分子间的互相作用从能量上讲都是不适宜的。因而自发地被非极性客体分子 和疏水空腔的非极性相互作用与由空腔内释放的水分子和溶液中水之间的极性相互作用 所代替。应当指出，这个过程的实现，前提条件是要求客体分子几何形状、尺寸、极性以 及c d s 空腔的尺寸和性质匹配： ( 2 ) c d s 空腔结合水分子具有的张力，在客体进入时释放： ( 3 ) 客体分子或其结合位脱去水壳，水结构沿客体分子的暴露部分重新形成并与c d s 的水 壳一体化： ( 4 ) 客体分子进入空腔，借助范德华力、氢键、偶极相互作用稳定。但是自身仍保留移动 和旋转自由度，其速度与分子大小有关。进入的客体分子，其体积与几何形状在空腔内填 充的紧密程度将影响c d s 环的旋转： ( 5 ) 被客体取代释放出的水分子由“气态 凝结为液态，引起熵、焓的变化，释放的水分 子部分地补偿了由于c d s 与客体分子结合而引起的熵失。 1 2 3 环糊精的分子识别作用常用研究方法 1 2 2 1 紫外一可见( u v - v i s ) 吸收光谱 利用c d s 诱导客体分子t n - v i s 吸收光谱的变化，研究包结物结构和相互作用的性质， 能得到许多有价值的分子识别信息。其前提条件是主、客体分子结构内至少有一方含发色 一7 一 q c m 手性传感器的组装与手性识别 团，如果两者均无发色团，可借助向体系中添加有发色团的竞争剂来测定。简单的u v v i s 吸收光谱测得的是平衡状态下游离主体或客体和包结物光谱的加和。如果发现变化c d s 浓 度得到的光谱图有不只一个或更多等吸收点，可推测只生成一种包结比的包结物：如果没 有等吸收点或包结常数随着选定波长的不同而相异时，表明在溶液中存在多个平衡。c d s 的包结影响客体分子的u v v i s 吸收光谱的本质在于c d s 空腔内的高电子密度诱导客体分 子电子发生移动。诱导光谱变化可归纳为两种类型：( 1 ) 最大吸收波长没有位移，吸光度随 着c d s 浓度的增加呈规律性的增强或减弱：( 2 ) 不仅吸光度发生变化，最大波长也有位移发 生。 1 2 2 2 圆二色性( c i r c u l a r - d i c h r o i s m ，c o ) 色谱 c d 谱是一种常用的物理化学方法。c d s 分子存在着不对称场，会对非手性客体分子诱 导出c d 信号。客体分子处于c d s 空腔内会产生c o t t o n 效应，并且诱导所产生的c o t t o n 效应的符号及强度对客体分子的取向及刚性非常敏感，利用扇形规则汇n 3 1 分析c d s 包结客 体分子诱导的c d ( 如图卜9 所示) ，判断空腔内客体分子的取向和电跃迁极化作用，适合于 研究c d s 与客体分子的包结方式。 c 7 p l - 2 _ t o c ， b 冀t o - 图卜8 ( a ) 手性分子的假想双椎体环境( b ) 手性分子的各向异性示意图n 司 c d s 诱导c d 的形状和信号与包结结构的关系可归纳出三个一般性规律：( 1 ) 非手性芳香 碳氢化合物被c d s 包结诱导出光学活性，其c d 最大波长位置与u v v i s 吸收光谱中最大吸 收波长一致：( 2 ) 如果芳香碳氢化合物电跃迁方向已知，且落在c d s 空腔的假想锥体内则诱 导出正的c o t t o n 效应，反之将得到负c o t t o n 效应。跃迁矩和扇面间夹角与诱导c d 强度 一8 一 q c m 手性传感器的组装与手性识别 成正比。c o t t o n 效应的大小与发色团跃迁矩的大小相关，与距离平方成反比，并依赖于发 色团跃迁矩间相互作用的角度。跃迁矩间的相互作用将引起c o t t o n 效应分裂，如果这两 个跃迁矩间角度大于9 0 。时得到的是正分裂c o t t o n 效应，而当此角度小于9 0 。时诱导的 是负c o t t o n 效应：( 3 ) 适宜的紧密包结将增强c d 信号强度，松弛的填充常常只产生单信号 c o t t o n 效应。c d s 边缘的修饰对决定内腔空间和双分子包结状态下两个发色团间夹角有重 要影响。 1 2 2 3 荧光光谱 荧光光谱与其它光谱法比较具有很高的灵敏度，荧光强度的增强或减弱与荧光基团所 处的环境直接相关：一般情况下，c d s 的加入可减少分子移动自由度，避免去活碰撞，保持 适宜的微环境以及保护激发态不与体相水分子或碎灭剂接触，因此增加发射速度常数，引 起荧光增强。荧光增强因子的大小依赖于c d s 浓度，这是因为c d s 包结荧光分子后形成复 合物的过程是一种动态平衡，荧光强度随着c d s 浓度增加而增强并达到一个极限值平台， 但此极限值大小与c d s 和生成包结物的溶解度有关。不同类型的c d s 荧光的增强效果不同， 可以认为是在分子尺寸、几何形状上的差异引起不同的结合效果。 1 2 2 4 核磁共振波谱( n m r ) 一 在所有光谱方法中，n m r 对于c d s 包结物结构的几何学、客体在空腔内的方位、以及 包结物在溶剂中的生成和解离动态都能提供有价值的信息：特别是对于那些不含发色团和 荧光基团体系的分子识别和定性、定量研究是一个重要的手段。1 hn m r 是确认溶液中是否 形成包结复合物的最简单方法。h 一3 和h - 5 是构成c d s 空腔内壁的原子，当客体分子进入 空腔后，c d s 疏水空腔内的h 一3 、h 一5 和客体分子包结部位质子的化学位移将发生变化：根 据n m r 提供的数据，可以定性判断包结物结构和计算稳定常数，并可以确定大分子客体的 结合部位n 4 1 。 1 2 4 环糊精在手性识别中的应用 手性是自然界存在的一种普遍现象，在药物化学领域尤为重要，在已知的药物化合物 之中3 0 4 0 的分子都具有手性。手性也是生物化学体系的一个基本特征n6 1 。手性识别是 生物体内分子识别的基本模式，也是化学领域中的热门研究课题n 钔。 c r a m e r 和d i c t s c h e 是世界上第一个利用c d s 进行手性识别研究的科学家n 7 1 ，随后很 多科学家开展了提高c d s 手性识别能力的研究n 蝴3 。但是，以往的研究表明天然c d s ，如 q 一，b 一，y - c d 对大多数手性客体分子，如a 一氨基酸乜卜2 们，亚膦酸酯化合物汹3 ，硫酰化 合物啪3 ，q 一松萜口7 1 ，苦杏仁酸，卜苯基乙醇，以及与它们的衍生物等的识别能力都 一9 一 q c m 手性传感器的组装与手性识别 比较弱。天然c d s 本身的这些局限性一方面来源于c d s 内部的几何对称性：另一方面，虽 然理论上包结复合物的形成是c d s 疏水的空腔与客体疏水部分相互作用而形成，但是c d s 的手性中心却很少与客体的手性中心相互作用，这是天然c d s 手性识别作用不强的又l 重 要原因。 因此，通过化学修饰c d s 可望提高c d s 的不对称度，使c d s 的手性部分与客体的手性部 分能更好地作用，以提高手性识别的程度和应用范围。刘育教授科研小组研究了化学修饰 环糊精2 ，6 一双甲基一c d 、单一 6 一脱氧一6 一( 2 一氨基乙基胺) - c d 及单一 6 - 脱氧- 6 - ( 6 一氨基已胺) - c d 对萘衍生物的分子识别研究，发现修饰b - c o 的取代基 团大大地影响了8 - c d 的分子识别能力和对手性客体分子的拆分能力附3 羽。 m a n g e l i n g s 等口3 1 在毛细管电色谱方法中，用羟丙基b 一环糊精作为手性选择剂加入到 移动相中来拆分氯噻酮，并对这一拆分系统的参数进行优化，对手性识别剂浓度和有机添 加剂含量( o r g a n i cm o d i f i e r ) 进行建模优化，得到了较好的手性拆分效果。 王永辉等人合成了一种新的环糊精衍生物单一6 一氧一( 对硝基苯甲酰基) 一b 一环糊精 ( n b c d ) 结果表明，在b 一环糊精的6 位引进对硝基苯甲酰基能够显著增强其包合能力，使 n b c d 能够与萘的衍生物形成稳定的主一客体包合物。 i k e d a 口钔等合成t n - 丹磺酰- d l 一亮氨酸修饰b - c d ( 1 ，2 ) 和n 一丹磺酰- d l - 亮氨酸修饰 y - c d ( 3 ，4 ) ，当加入不同客体时，荧光强度将发生变化，修饰性b - c o 荧光强度降低，而对于 修饰性y c d ，加入小客体时荧光增强，加入大客体时荧光减弱。这主要是由于丹磺酰一亮氨 酸基团由疏水的内腔被逐出至极性的水相所致。芘、萘在c d 腔内易形成激态缔合物 ( e x c i m e r ) ，当客体加入时，其发射强度发生变化，从而对客体进行了分子识别，u e n 等口目研 究了双芘修饰b - c d 的分子识别能力，同时考察了类固醇、十二烷基硫酸钠的加入对荧光强 度的影响，并报道了d m a b 修饰性环糊精表现出非极性平面( n o n p o l a p l a n a r ，n p ) 和分子内扭 转电荷( t i c t ) 激发态二重荧光发射m 1 。由于t i c t 发射非常敏感于微环境的极性，不仅在客 体分子形状、大小时，而且可以从客体分子的偶极和极性上进行分子识别，故其应用于分子 识别的潜力极大口”。 分子识别的特点在于其高度选择性和可逆性，这与传感器对敏感材料的要求不谋而 合。利用生色团或发色团修饰c d 的分子识别功能可开发各种类型的光传感器。u e n o 等对此 类传感器作了综述汹骝3 ，并对此类传感器的信号转导( s i g n a lt r a n s d u c t i o n ) 机制进行了说 明“0 4 。认为其机理主要是应用客体响应性( g u e s t r e s p o n s i v e ) 荧光( 单体，基态缔合物， 分子内扭转电荷荧光) 或吸收改变等性质。目前研究较多的丹磺酰修饰c d 作为荧光传感器 一1 0 q c m 手性传感器的组装与手性识别 用于分子识别，如h a m a s a k i 凸印研究认为q 、b 、y - c d 的第一面或第二面羟基均可修饰上丹 磺酰基团或丹磺酰甘氨酸基团，制备成各种荧光传感器。同时指出第二面修饰的c d 由于骨 架扭曲( 葡糖单元转变为阿卓糖残基) 而使空腔变得不对称，与具有对称空腔的第一面修饰 的c d 相比，其容纳客体的能力降低，故识别不同客体的能力也相应降低。另外，芘、萘修饰， 甲基红基团修饰、对硝基酚基团修饰、酚酞基团修饰c d 的光传感器也已开发应用m 3 ，随着 分子识别机制研究的深入，这方面工作将会有进一步发展。 t a b u s h i h 3 3 等人还报道了利用修饰的c d 提高对映选择性的另一种衍生物如图1 - 9 所 示。由氨基酸取代的c d ( 化合物1 8 ) 与n 一丹酰基苯丙氨酸的阴离子( 化合物1 6 ) 形成包合配合 物此时，环糊精的修饰基是手性的，c d 的圆锥形空腔主要用于包合客体分子，对对映选择 性无贡献立体选择性主要由c d 的手性取代基与客体的手性基团相互作用引起，因为经化 学修饰的c d 的对映异构体( 化合物1 8 和1 9 ) 在包合时应该相同，但是事实上手性识别程度并 不相同 o $ 一车鹏 。 口l 匝了 l ， 图1 - 9t a b u s h i 研究小组报道的环糊精衍生物结构副删 韩宝航等h 司发现l 一苯丙氨酸修饰的b - c d ，对卜金刚醇、2 一金刚醇、( + ) 一莰醇、( 一) 一薄 荷醇和香叶醇有一定的手性识别能力。蒋艳杰等m 3 在研究3 9 种仲醇类化合物在全甲基b - c d 上的拆分时，发现在所拆分的仲醇类对映体中，异丁酰衍生物的对映体选择结果最差： 仲醇类化合物衍生物随着衍生基团的增大，被分离能力减弱( 因为位阻增大导致作用力相 应减弱) ：随着手性碳原子往碳链中心靠近，被分离能力减弱( 因为对映体的空间差异减 小) 。 综上所述，天然和人工修饰的c d s 已经被广泛应用到手性分子识别的研究领域。 1 3 环糊精功能膜在石英晶体微天平( o c u ) 的应用现状与进展 p 龟 船 口 p 龟 曲 q c m 手性传感器的组装与手性识别 1 3 1q c m 基本原理 石英晶体微天平( q e m ) 作为一种非常敏感的传感器，是以a t - 切型石英晶体作为接收 器和能量转换器h 7 1 ，利用石英晶体的压电效应来实现能量转换和传感的。石英晶体属d 。点群， 三方晶系结晶的各项异性体，具有x 轴( 电轴) 、y 轴( 机械轴) 、z 轴( 光轴) ，三个结晶 轴。在x 轴或y 轴方向施加压力或拉力，晶体由于形变极化而在相应的晶面上产生等量的 正、负电荷( a n 压与拉伸产生的电荷极性相反) ，在z 轴方向施加外来，因硅、氧离子作 对称平移，无电荷形成，这就是石英晶体的正压电效应，如图1 - 1 0 所示。 t - ) l b 【c ) - 一无外办式沿z 抽方向与x y 争面垂直) 拖加，卜力i b 一在x 轴方向毫扣蚌力l 一在y 轴方向施加卟力。 x y ，z 一电轴札城袖光轴i “+ 一砬鼻子i一。一氟矗子 图1 1 0 石英晶体正压电效应的简化平面示意图4 7 】 反过来，当晶片上加上电场则在晶体某些方向出现应变，这种应变与电场强度间存在 线性关系，如果电场是交变电场，则在晶格内引起机械振荡，振荡的频率即晶体的固有频 率与振荡电路的频率一致时，便产生共振，此时振荡最稳定，测出电路的振荡频率便可得 出晶体固有频率。q c m 即是根据这种逆压电原理，将石英谐振器( q c r ) 连接到振荡电 路反馈回路中设计而成的。石英晶体逆压电效应的剪切运动如图1 1 1 所示。 ( a ) 表加电塌畸( b ) 扣上电场时晶格应爱和剪 切形变的方向和大小取决予 电场的方向和大小 图1 1 1 石英晶体逆压电效应剪切运动示意图【4 8 】 q c m 对研究对象的传统检测就是利用以石英晶体为基底的体声波器件在厚度剪切模式 振荡过程中与周边环境的相互作用，由器件超高频声波的声电阻抗谱、频谱或相位等参量 一1 2 q c m 手性传感器的组装与手性识别 变化来对环境介质包括质量、粘弹性、导纳、介电或流变特性、离子溶剂传输等物理、 化学性能作出相关应答并转换为相应传感检测信号，获取有关目标组分或多元组分体系的 成份、形状的一维或多维信息，实现对研究对象的全面、动态、实时或在线描述。 1 3 2q c m 装置 q c m 主要由石英谐振器( 探头) 、振荡器