基于碳納米管原生手性的手性電化學傳感器的研究及應(yīng)用進展

楊 洋， 朱志偉*

(北京大學化學與分子工程學院，北京 100871)

1 前言

21世紀分析化學的研究對象越來越多地選擇與生命活性相關(guān)的物質(zhì)，而手性往往是核苷酸、氨基酸和單糖等構(gòu)成生命體的基礎(chǔ)物質(zhì)的基本屬性之一，如構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸均為L型，構(gòu)成多糖和核苷酸的單糖則為D型。由它們構(gòu)成的生物大分子因此具備特征性的空間結(jié)構(gòu)，而恰恰是這種特性賦予了蛋白質(zhì)的催化活性、核酸的信息儲存以及多糖的識別功能，進而奠定了生命存在和進化的基礎(chǔ)[1]。手性對映異構(gòu)體分子的性質(zhì)會受外部環(huán)境影響，當環(huán)境為非手性時，除光學活性不同以外，兩種構(gòu)型的分子均表現(xiàn)出相同的物理、化學和生理性質(zhì)；當環(huán)境為手性時，它們則會表現(xiàn)出不同的化學和生理性質(zhì)。通常情況下一種構(gòu)型的分子具有優(yōu)良的性能，而另一種構(gòu)型則沒有使用價值，甚至會產(chǎn)生不利影響。其實，對映異構(gòu)體之所以表現(xiàn)出不同的生理性質(zhì)，是由于它們的兩種構(gòu)型分子在生物體內(nèi)引起不同的分子識別造成的，這個現(xiàn)象稱為“手性識別”。手性物質(zhì)在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、食品和材料等領(lǐng)域具有獨特價值，因此有關(guān)手性識別的研究無疑具有非常重要的科學意義和實用價值。

手性分子的一對對映異構(gòu)體除了旋光性不同外，物理和化學性質(zhì)幾乎完全相同，因此一些常規(guī)方法并不能將兩者進行有效區(qū)分。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，科學家們已經(jīng)開發(fā)出多種方法進行手性化合物的拆分識別，其中通過波譜法(核磁共振、質(zhì)譜、圓二色譜、紫外-可見、紅外和熒光等)、色譜法(毛細管電泳、高效液相色譜、氣相色譜、超臨界流體色譜和薄層色譜等)和傳感器(手性熒光傳感器、手性質(zhì)量化學傳感器和手性電化學傳感器等)等手段對手性化合物進行定性、定量分析是手性識別的主要研究方法[2]。在這些方法中，波譜法和色譜法均或多或少存在著諸如樣品預處理復雜、檢測時間較長及儀器昂貴等缺點，而手性傳感器因其具備制備簡單、檢測快速、價格低廉，以及可實時、在線分析等優(yōu)點，已成為手性識別檢測領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向[3]，其中尤以手性電化學傳感器在手性選擇劑的篩選方面的獨特價值而特別受到人們的關(guān)注。

碳納米管(CNTs)在1991年被發(fā)現(xiàn)之后就一直備受矚目，其比表面積大、導電性優(yōu)良、電催化性能好等優(yōu)點使得它在電化學及電分析化學領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[4]。在絕大多數(shù)涉及CNTs的手性電化學傳感器的研究中，手性識別的主角一直是額外的手性選擇劑，而作為配角的CNTs之所以被應(yīng)用，主要是基于其良好的導電性、化學穩(wěn)定性和生物相容性等優(yōu)點[3 - 5]，其作為平臺可以使手性選擇劑的效果放大進而增強傳感器的手性識別能力。而對于CNTs原生手性在手性識別方面的研究則甚少報道，其中的原因主要是手性電化學傳感界面的構(gòu)建太難，CNTs優(yōu)異的電催化性能有可能在手性拆分中反而是個缺點，因為其難以選擇性地去電催化拆分高度相似的手性對映異構(gòu)體分子。因此，開展基于CNTs原生手性的手性電化學傳感器的研究在進一步拓寬CNTs的研究領(lǐng)域、深入挖掘手性CNTs的新功能方面具備重要的科學意義和應(yīng)用價值。

2 手性識別的機理

手性識別依賴于對映異構(gòu)體和手性選擇劑之間不同的相互作用，但手性識別的機理十分復雜，迄今為止仍沒有一個完善的理論來支持各種類型的手性識別。其中較知名的識別模型包括三點作用、鎖鑰理論和包合作用等。

三點作用模型是手性識別機理中最為經(jīng)典的模型。1933年由生物學家Easson和Stedman提出，即要解釋不對稱藥物和目標物之間不同的生理活性至少需要三個點的結(jié)合[6]。15年后，生物學家Ogston在手性酶反應(yīng)工作中使用了該模型[7]。后來Dalgliesh將三點作用模型引入到薄層色譜中[8]。

鎖鑰理論模型是指主體(手性選擇劑)可選擇性地結(jié)合客體(對映異構(gòu)體)中的一種構(gòu)型分子，通過能量效應(yīng)和熵效應(yīng)上的相互配合而形成穩(wěn)定的超分子體系。由于主、客體間存在的范德華力、氫鍵和疏水作用等分子間力的加和與協(xié)同作用所形成的合力強度不比化學鍵弱，且這些合力具有一定的方向性與選擇性，從而實現(xiàn)手性識別[1]。

包合作用模型則主要用于解釋將含有手性空穴的化合物作為手性選擇劑時的識別作用，如冠醚、杯芳烴和環(huán)糊精等化合物及其衍生物作為手性選擇劑，其內(nèi)部存在的空腔只允許一定大小和形狀的目標物包合在其中，加之分子間氫鍵作用和疏水作用等的影響，形成非對映異構(gòu)體的包合物，從而實現(xiàn)手性識別[2]。

3 碳納米管的手性性質(zhì)

眾所周知，CNTs可以看成是由單層或多層石墨烯圍繞同一中心軸、按一定的螺旋角卷曲而成，兩端通常被由五元環(huán)和七元環(huán)參與形成的半球形大富勒烯分子封閉。單壁CNTs(SWCNTs)的手性角、卷曲方式、直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)以及電化學性質(zhì)、光電性質(zhì)均由按Hamada規(guī)則命名的手性指數(shù)(n,m)來確定[9]。它們可呈現(xiàn)金屬性(n-m=3k，k為整數(shù))或半導體性(n-m≠3k)；根據(jù)卷曲的外部形態(tài)的不同，它們還可分為扶手型(n=m)、鋸齒型(m=0)和螺旋型(n≠m≠0)，如圖1所示。扶手型和鋸齒型結(jié)構(gòu)對稱，無手性，螺旋型CNTs鏡像與原來的CNTs不能重合，為手性SWCNTs。手性SWCNTs具有一對螺旋異構(gòu)體，可通過分離富集而獲得具有旋光活性的(M)-或(P)-SWCNTs[10]。

圖1 單壁碳納米管的手性指數(shù)和分類[10]Fig.1 The chiral index(n,m) and classification of SWCNTs[10]

4 基于碳納米管原生手性的手性電化學傳感器

在絕大多數(shù)涉及CNTs的手性電化學傳感器的研究中，手性識別的主角一直是額外的手性選擇劑，若直接應(yīng)用集良好導電性、化學穩(wěn)定性和生物相容性以及原生手性為一體的CNTs來構(gòu)建手性電化學傳感器，有望使得傳感器的構(gòu)建更為簡單和可靠。

4.1 碳納米管原生手性用于手性電化學識別的理論基礎(chǔ)

關(guān)于手性CNTs的手性拆分性能，Sholl等在2002年就利用原子計算方法模擬了手性雙取代環(huán)烷烴在11種不同孔徑和不同手性角SWCNTs的吸附情況[11]，在其研究的所有情況下，SWCNTs對異構(gòu)體分子之間的等量吸附熱差異可以忽略不計，表明手性SWCNTs難以作為有效的手性選擇劑。但同時他們又指出，該結(jié)果并不能排除特定種類的手性分子在SWCNTs中會表現(xiàn)出顯著的對映異構(gòu)體特異性吸附的可能性。同年，Pham將CNTs涂覆在銅片上，形成一個共振裝置，通過研究該裝置共振頻率的變化探究了CNTs和NH3的相互作用(圖2)[12]。Girardet則在此實驗的基礎(chǔ)上，將CNTs模擬為共振裝置，從理論上研究了CNTs與其他小分子(包括大氣中廣泛存在的N2、O2，污染物質(zhì)CO、CO2、H2O和HF)的相互作用，以及手性CNTs對手性分子(丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸和蘇氨酸)的識別能力(圖3a)。他們通過Monte Carlo模擬計算表明，手性分子在理論上能夠被手性SWCNTs所識別，即可通過吸附能的差別ΔW和共振頻率差ΔΔf(與分子吸附在CNTs造成其介電常數(shù)的變化有關(guān))來區(qū)分手性對映體[13 - 19]。此外他們還詳細研究了ΔW、ΔΔf隨著CNTs手性指數(shù)(n,m)變化的規(guī)律，并將研究對象拓展到了修飾CNTs[20]。他們的計算表明，當在CNTs內(nèi)插入一條極性肽段后，會比未插入時對丙氨酸對映體的某一構(gòu)象的吸附力更強。當CNTs為非手性時，丙氨酸兩種對映體的ΔΔf為12 MHz(裸CNTs為0 MHz)，而當CNTs為手性時，ΔΔf可達38 MHz(裸CNTs為14 MHz)，由此說明極性肽段的引入增強了整個體系的手性識別能力(圖3b)。

圖2 探究碳納米管和NH3的相互作用的共振裝置[11]Fig.2 Schematics of the resonator sensor used to study the interaction between CNTs and NH3[11]

圖3 (a)吸附在d-(4,7)-SWCNT上的L-丙氨酸以及吸附在l-(7,4)-SWCNTs上的D -丙氨酸的構(gòu)型圖[18]；(b)在SWCNTs內(nèi)插入一條極性肽段后的構(gòu)型圖[19]Fig.3 (a) Schematic view of the system formed by L-alanine adsorbed on d-(4,7)-SWCNTs and by D-alanine adsorbed on l-(7,4)-SWCNTs[18];(b) Geometric view of the tube+inserted helix forming the sensor and of the adsorbed alanine[19]

Girardet理論模型存在如下的局限性：(1)計算所用溫度為0 K；(2)將CNTs過于簡化，無法完全模擬實驗條件中的CNTs；(3)忽略了溶劑的影響。盡管如此，這也從理論角度證明了將手性CNTs的原生手性用于手性識別的可行性。另外，俄國的Kuznetsov通過密度泛函理論(DFT)模擬1-氟乙醇和丙氨酸對映體與開放型手性CNTs相互作用時發(fā)現(xiàn)，嵌入SWCNTs的對映體分子(即1-氟乙醇和丙氨酸)能明顯改變開放型手性CNTs的幾何特征和電子特征，且由于手性力場的形成，R-對映體和M-SWCNTs(或S-對映體和P-SWCNTs)的作用減小，這說明手性CNTs具有識別R-和S-異構(gòu)體分子的能力[21 - 22]。Dasgupta則描述了SWCNTs與色氨酸分子結(jié)合后對色氨酸不同手性形態(tài)進行區(qū)分的相互協(xié)同作用。由于拓撲結(jié)構(gòu)的復雜性，像SWCNTs這樣的拓撲手性物質(zhì)可以區(qū)分幾何手性分子(圖4)。他們認為這種原生手性CNTs具備獨特的手性選擇，可以將其推廣到任何沒有化學復雜性的幾何手性分子的結(jié)構(gòu)識別[23]。

圖4 拓撲手性的結(jié)理論示意圖[22]Fig.4 Schematic representation of topological chirality by knot theory[22]

4.2 基于碳納米管原生手性的手性電化學傳感器研究進展

4.2.1 基于準手性多壁碳納米管的手性電化學傳感器有研究表明，通過化學氣相沉積法(CVD)得到的多壁CNTs(MWCNTs)的直徑在一定范圍內(nèi)，手性型的含量通常會大于非手性型。為此，朱志偉等嘗試將具有準手性性質(zhì)的MWCNTs與離子液(1-辛基-3-甲基-咪唑六氟磷酸鹽，[Omim]PF6)通過簡單的超聲混合獲得了其納米復合物(MWCNTs/[Omim]PF6)，再通過滴涂方式修飾于玻碳電極(GCE)上，構(gòu)建了基于該復合物的手性電化學傳感器[24]。MWCNTs因其相互間強烈的π-π堆積作用而彼此纏繞在一起，當MWCNTs與介電常數(shù)很高的[Omim]PF6混合以后，這種堆積作用能被有效屏蔽。MWCNTs在被有效分散的同時，修飾層主要表現(xiàn)為S-型手性環(huán)境。在R-型與S-型普萘洛爾(PRO)通過納米復合物到達電極表面得失電子過程中，由于S-型手性空間的存在，使S-PRO受到阻礙，從而R-型比S-型更容易失去電子，氧化峰電流更大，由此實現(xiàn)了對PRO對映異構(gòu)體的識別(圖5)。

圖6 基于(6,5)-SWCNTs/硫酸/方波伏安技術(shù)協(xié)同機制的多巴手性電化學傳感器[24]Fig.6 DOPA chiral electrochemical sensor based on the synergistic effect among(6,5)-SWCNTs,sulfuric acid and square wave voltammetry[24]

圖7 在玻碳電極上連續(xù)電合成陣列SWCNTs的示意圖[26]Fig.7 Schematic representation of the sequential electrosynthesis of aligned-SWCNTs on GCE[26]

另外，在絕大多數(shù)基于CNTs的電化學傳感器的報道中，CNTs通常是以物理吸附或粘附方式被修飾在電極表面，CNTs在電極表面無序排列，其利用率或有效性很低。雖然離子液體等的引入可以部分解決CNTs的分散性問題，但CNTs在電極表面的形態(tài)依然是無序的，這在很大程度上影響了傳感器的性能，尤其是對手性識別空間原本就極為有限的手性電化學傳感器。為此，朱志偉等發(fā)展了一種簡單新穎的電化學制備手性SWCNTs陣列修飾電極的方法，即以乙二胺(EDA)作為橋梁，通過循環(huán)伏安法，可控地在電極表面制備有序排列的單層(6,5)-SWCNTs陣列(圖7)[27]。他們詳細優(yōu)化了制備CNTs陣列電極的條件，并以原子力顯微鏡(AFM)和X射線光電子能譜(XPS)等手段探究了電極表面形貌和元素的化學狀態(tài)。隨著電極修飾過程中電化學掃描的進行，AFM表征的電極表面形貌從無序的界面逐漸呈現(xiàn)明顯的有序排列。與僅以EDA修飾的電極的XPS結(jié)果相比，(6,5)-SWCNTs陣列電極表面的酰胺碳和羧基碳變得更為豐富，這些結(jié)果證明SWCNTs在電化學循環(huán)掃描的過程中鍵合到了電極表面。該方法構(gòu)建的(6,5)-SWCNTs陣列電極制備簡單，CNTs有效利用率高，由此構(gòu)建的傳感器對DOPA對映異構(gòu)體具有更優(yōu)良的識別能力(DOPA對映異構(gòu)體峰電流比可達到2.6)。

此后，施國越等也進行了相關(guān)的研究，他們通過對(6,5)-SWCNTs進行分離純化得到了單一手性的(6,5)-SWCNTs，即M-(6,5)-SWCNT或P-(6,5)-SWCNT，然后利用M-或P-(6,5)-SWCNT高效的手性納米空間來構(gòu)建手性DOPA電化學傳感器(圖8)[28]。該工作展示了手性SWCNTs的結(jié)構(gòu)對電化學手性識別的影響，但在其構(gòu)建的兩種傳感器中，DOPA對映異構(gòu)體峰電流比并不高(1.9～2.0)，這或許與作者使用的電化學測定技術(shù)為微分脈沖伏安法(DPV)有關(guān)。

4.2.3 非常規(guī)合成碳納米管在手性電化學傳感器方面的應(yīng)用除了利用常規(guī)方法(如CVD、電弧法等)合成的手性CNTs外，近年來還出現(xiàn)一些以其它特定方法合成的CNTs應(yīng)用于手性電化學傳感的研究。王歡和張宇帆等先以L-谷氨酸分子的自組裝和吡咯的聚合為模板制得手性聚吡咯(CPPy)，再通過一步碳化法自組裝CPPy獲得了100%左旋雙螺旋結(jié)構(gòu)的CPPy納米管(L-CCNT)，將其與L-半胱氨酸(L-Cys)聯(lián)用構(gòu)建了手性識別界面L-Cys/L-CCNT/GCE，酪氨酸(Tyr)對映異構(gòu)體在該界面的電化學氧化存在峰電位差異(0.024 V)[29]。他們還通過L/D型雙螺旋碳納米管(L/D-DHCNT)構(gòu)建了氨基酸手性電化學傳感器(L/D-DHCNT@PPy@AuNPs@L/D-Cys@GCE)，酪氨酸、色氨酸和谷氨酸在該電極上均存在明顯的電位和電流比差異(圖9)[30]。在這些電極修飾材料中，聚吡咯(PPy)作為定位劑，可使得金納米粒子(AuNPs)在L/D-DHCNT中高度分散，同時PPy和AuNPs均具有良好的導電性能，而L/D-DHCNT和L/D-Cys的結(jié)合能形成特殊的手性環(huán)境，由此得到了高導電、超靈敏的手性電化學傳感器。

圖9 基于L/D-DHCNT@PPy@AuNPs@L/D-Cys的手性識別界面的構(gòu)建示意圖[29]Fig.9 Schematic illustration of construction of L/D-DHCNT@PPy@AuNPs@L/D-Cys chiral recognition interface[29]

4.3 影響碳納米管原生手性應(yīng)用到電化學手性識別中的因素

4.3.1 碳納米管的物理吸附能力Zhuo等在綜述中提到，盡管CNTs作為對映異構(gòu)體分離的吸附材料具有巨大的潛力，但利用非功能化CNTs通過親和層析分離手性化合物的報道非常少，這可能是因為單獨使用CNTs，尤其是手性CNTs，其物理吸附能力不足，因而不能對異構(gòu)體進行有效分離[31]。如本文4.1所述，Sholl等人通過SWCNTs對手性分子的等量吸附熱差異的研究說明了SWCNTs無法作為有效的手性選擇劑，不過該實驗只研究了一部分手性分子，具有一定的局限性。

另外，Simonet等在實驗中發(fā)現(xiàn)，在某些情況下，表面活性劑涂覆的CNTs(SC-CNTs)的存在對分離的分辨率和選擇性有重要影響[32]。當膠束作為準固定相的應(yīng)用不足以獲得所需的分辨率和選擇性時，可以采用SC-CNTs。由此看來，有關(guān)手性分子在CNTs上的物理吸附及其在手性分離中的作用還需要進一步的理論研究和實驗驗證。

4.3.2 碳納米管的手性指數(shù)、修飾基團和溫度Xue等通過分子動態(tài)(MD)模擬研究了不同手性指數(shù)的SWCNTs和聚苯乙炔鏈(PPA)之間吸附能的差異，結(jié)果表明SWCNTs的手性對其與PPA的相互作用有較大的影響，而溫度的影響則可以忽略不計[33]。MD模擬還表明SWCNTs的某些特定化學修飾也有類似的影響，當SWCNTs連接有甲基或苯基時，SWCNTs與PPA的相互作用增強，而其它基團則沒有此影響，由此證明可通過選擇性化學修飾CNTs來增強CNTs與聚合物之間的相互作用。另外，SWCNTs與聚合物之間的相互作用隨著官能團濃度的增加而增加。因此，在利用CNTs復合材料進行手性識別時，可以通過引入適量的修飾基團改善CNTs與手性分子之間的相互作用。

盡管理論研究指出溫度對CNTs與外部分子之間相互作用的影響可以忽略不計，但仍然有一些實驗結(jié)果表明，溫度對于CNTs用于電化學手性識別具有一定的影響[34 - 35]。

5 結(jié)語

綜上，在現(xiàn)有的涉及CNTs的手性電化學傳感器的研究中，手性識別的主角一直是額外的手性選擇劑，CNTs大部分則是作為配角出現(xiàn)，而基于CNTs原生手性的手性電化學傳感器的研究還處于十分初步的階段。另外，除了利用常規(guī)方法合成的手性CNTs外，近年來還有一些其它特定方法合成的CNTs手性材料被應(yīng)用到手性電化學傳感領(lǐng)域中，顯然該類手性CNTs的應(yīng)用也是CNTs原生手性研究的一個重要方向。

影響手性CNTs原生手性應(yīng)用于手性電化學傳感器的影響因素眾多，例如其本身的手性結(jié)構(gòu)、表面修飾基團和復合材料、體系溫度等，所以該領(lǐng)域還有很多工作值得我們進行深入研究。

基于CNTs原生手性識別的理論僅有極簡化的Girardet模型，物理吸附的強度對手性分離的影響也還未知，過強或者過弱可能均不利于手性識別，這兩方面均還有待于探究。拓撲手性和幾何手性之間的差別和聯(lián)系顯然也是一個非常有趣和未知的領(lǐng)域?？傊嘘P(guān)CNTs原生手性及其在手性電化學傳感器當中的研究及應(yīng)用還充滿著各種挑戰(zhàn)，有待于人們更加系統(tǒng)而深入的研究。