銅配位功能化多糖構(gòu)筑的電化學(xué)傳感器對手性色氨酸的識別

閆思夢，牛小慧，李紅霞，王坤杰

(蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050)

0 引言

通俗來講，手性就像我們的左右手一樣，互成鏡像卻不能完全重合，分子的手性通常是由碳原子所連接的四個(gè)基團(tuán)互不相同所引起的[1]。對于不同構(gòu)型的氨基酸，具有不同甚至相反的藥理和生物活性，其中一種對于人體是有利的，另外一種可能是無用或者有害的。L-色氨酸作為天然存在的氨基酸，是人體必需的八種氨基酸之一，無法通過自身合成，只能從食物中攝取獲得，對人體的生長發(fā)育及新陳代謝起著重要的作用[2]。D-色氨酸主要存在于植物或者微生物中，對于人體既無毒也不起到促進(jìn)作用[3]。對于不同構(gòu)型的手性分子其主要是化學(xué)活性不同，物理性質(zhì)相似，因此如何區(qū)別與分離是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。隨著學(xué)者對于手性識別的研究，目前識別方法主要有色譜法、光譜法、質(zhì)譜法和傳感器法[4-7]。傳感器法中的電化學(xué)手性傳感器法以其識別迅速、價(jià)格低廉、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)成為手性識別的研究熱點(diǎn)。對于電化學(xué)手性傳感器法最重要的步鄹是制備電化學(xué)手性平臺(tái)，因此如何選取高效的手性材料是人們一直面臨的問題[8]。

多糖作為一種天然存在的大分子，具有手性位點(diǎn)較多、易于衍生、量多易得等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注[9]。吳[10]等用環(huán)糊精作為手性選擇劑，石墨烯作為電化學(xué)放大信號對組氨酸進(jìn)行識別；郭等[11]通過金-硫鍵結(jié)合巰基-β-環(huán)糊精(β-CD-SH)，構(gòu)建了一種新型的電化學(xué)傳感器。由于環(huán)糊精的“杯環(huán)結(jié)構(gòu)”使得發(fā)生手性識別需要嚴(yán)格的條件，被識別分子的疏水基要能夠與環(huán)糊精的洞穴大小相匹配，形成包合物。由于環(huán)糊精的識別要求較為嚴(yán)格，可以選擇結(jié)構(gòu)較為簡單以及手性位點(diǎn)較多的多糖作為手性選擇指示劑[12]。由于多糖的導(dǎo)電能力較差，在進(jìn)行電化學(xué)識別時(shí)電化學(xué)信號較弱，所以通常加入導(dǎo)電能力較強(qiáng)的物質(zhì)增加其電化學(xué)信號[13]。

海藻酸鈉(SA)是從海帶或馬尾藻中提取出來的一種多糖高分子聚合物，為白色或者黃色粉末[14]。海藻酸鈉含有較多的羧基以及羥基，能很好的與金屬離子形成配位，從而達(dá)到作為手性選擇劑的要求[15-17]。但是由于多糖易于團(tuán)聚，所以可以添加分散劑。聚乙烯亞胺(PEI)是一種比較常用的分散劑，可以有效解決多種材料的分散問題[18,19]，在本實(shí)驗(yàn)中選擇用PEI分散多糖。

本實(shí)驗(yàn)以海藻酸鈉-銅(SA-Cu(Ⅱ))作為電化學(xué)手性識別平臺(tái)，制備復(fù)合材料PEI-SA-Cu(Ⅱ)。海藻酸鈉本身所具有的羧基可通過配位識別不同異構(gòu)體的氨基酸，由于本身存在團(tuán)聚效應(yīng)，多糖導(dǎo)電能力較差，所以添加金屬離子形成配位，從而增加識別能力，對于色氨酸進(jìn)行識別。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

聚乙烯亞胺(PEI，600.99 M.W. 上海麥克林生化科技有限公司)；海藻酸鈉(SA，上海麥克林生化科技有限公司)；氯化銅(CuCl2·2H2O，AR，天津市凱信化學(xué)工業(yè)有限公司)；α氧化鋁拋光粉(0.3 μm，北京精科科儀科學(xué)儀器有限公司)。

電化學(xué)工作站(CHI660E，上海辰華儀器有限公司)；玻碳電極(3 mm，上海兢翀電子科技發(fā)展有限公司)；分析天平(ESJI82-4，沈陽神宇龍騰天平有限公司)；恒溫磁力攪拌器(85-2A；金壇市億能實(shí)驗(yàn)儀器廠)；傅里葉紅外光譜儀(IEC/EN 60825-1:2007)；真空干燥箱(GZX9140MBE；上海一恒科學(xué)儀器有限公司)；X射線衍射儀(PANalytical)；掃描電子顯微鏡(JSM-6701F；日立公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 PEI-SA的制備。準(zhǔn)備1 mg/mL的SA溶液，將SA溶于蒸餾水，超聲至SA完全溶解。將10 mL、1 mg/mL的PEI，加入到20 mL、1 mg/mL的SA溶液中，攪拌下反應(yīng)24 h，將所得反應(yīng)液冷凍干燥，得到白色固體。

1.2.2 PEI-SA-Cu(Ⅱ)的制備。重復(fù)上述步鄹，制備PEI-SA的復(fù)合材料溶液， 將50 mL、1 mg/mL的產(chǎn)物與5 mL、1 mg/mL的CuCl2?2H2O溶液混合后機(jī)械攪拌30 min，將所得溶液冷凍干燥，得到淡藍(lán)色固體產(chǎn)物。即為所需復(fù)合材料。

1.2.3 電化學(xué)手性平臺(tái)的構(gòu)建。裸玻碳電極(GCE)，用三氧化二鋁(Al2O3)拋光粉在麂皮上打磨拋光，然后用蒸餾水沖洗干凈，在紅外燈下干燥。然后在玻碳電極上滴涂10 μL的PEI-SA-Cu(Ⅱ)分散液，在紅外燈下晾干備用。以飽和甘汞電極作為參比，將其置于50 mM不同異構(gòu)體的氨基酸的[Fe(CN)6]4-/3-溶液中進(jìn)行電化學(xué)測試。利用差分脈沖伏安法(DPV)測試其電化學(xué)的識別能力。所用電化學(xué)工作站為三電極工作站[20]。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM圖

圖1(a)是PEI-SA的SEM圖，從SEM圖中可以看出是類似于珊瑚形狀的復(fù)合物。圖1(b)是PEI-SA-Cu(Ⅱ)的SEM圖，加入Cu(Ⅱ)之后，Cu(Ⅱ)與PEI-SA通過形成氫鍵結(jié)合形成聚合物，從圖中可以看出是具有片層結(jié)構(gòu)的復(fù)合物。

圖1 (a) PEI-SA的SEM掃描圖；(b) PEI-SA-Cu(Ⅱ)的SEM掃描圖

2.2 紅外譜圖

對于合成的PEI-SA及PEI-SA-Cu(Ⅱ)進(jìn)行了FT-IR表征(圖2)。對于SA，3420 cm-1處出現(xiàn)的特征峰是O-H的伸縮振動(dòng)峰，2923 cm-1處的峰歸屬于-CH2，1617以及1414 cm-1處的吸收峰是由-COO-的反對稱和對稱伸縮振動(dòng)峰。而在1026 cm-1處的峰值歸因于C-O-C。在加入PEI之后，SA的特征峰都沒有明顯的藍(lán)移或者紅移，因?yàn)?PEI 只是解決SA進(jìn)行團(tuán)聚的問題，在加入氯化銅之后，在700 cm-1處有一個(gè)弱的吸收峰，是由于銅離子與海藻酸鈉的羧基以及羥基配位，形成Cu-O的吸收峰。在加入銅離子以后，在3420 cm-1處的特征峰有明顯的藍(lán)移，這可能是由于形成配位鍵造成的。

圖2 (a) 復(fù)合材料的紅外譜圖；(b) 指紋區(qū)放大圖

圖3 PEI-SA-Cu(Ⅱ)的XRD譜圖

2.3 XRD

圖3是復(fù)合材料的PEI-SA-Cu(Ⅱ)的XRD譜圖，從圖中可以看出衍射峰在10°-20°的位置有一個(gè)明顯的大包峰，這是碳的無定型結(jié)構(gòu)的衍射峰。在30°-40°有尖銳的出峰，是由于Cu(Ⅱ)與-COO-形成配位鍵所形成的衍射峰。氧化亞銅的出峰在36°有尖銳的出峰，本實(shí)驗(yàn)是由于Cu(Ⅱ)與-COO-發(fā)生了配位，所以出現(xiàn)類似于氧化亞銅的出峰。

2.4 電化學(xué)識別圖

對于SA其結(jié)構(gòu)本身就具有大量的羧基以及羥基，對于氨基酸具有一定的識別能力，但是由于多糖本身的導(dǎo)電性較差，易于團(tuán)聚等的限制，導(dǎo)致其電化學(xué)識別的信號較弱，對于氨基酸的識別能力較弱。如圖4(a)(b)所示，對于添加了金屬離子的復(fù)合材料電化學(xué)信號較強(qiáng)，對于氨基酸的識別能力較強(qiáng)。由于金屬離子的配位能力較強(qiáng)，不僅與SA上面的羧基配位， 跟氨基酸上的羧基配位，識別能力較強(qiáng)。圖4(c)是PEI-SA對于D/L-Trp的識別，ΔE=20 mV，具有一定的識別能力，但是識別能力較弱，幾乎沒有。圖4(d)是PEI-SA-Cu(Ⅱ)對于D/L-Trp的識別的DPV圖，ΔE=132 mV，具有較強(qiáng)的識能力。從圖4中可以看出。

圖4 (a)(b)是復(fù)合材料對于不同異構(gòu)體的識別 (a)L-色氨酸,(b)D-色氨酸；(c)是PEI-SA對于 D/L-Trp的識別；(d)是PEI-SA-Cu(Ⅱ)對于D/L-Trp的識別

2.5 流程圖

如圖5是合成的流程圖。PEI不僅可以解決SA的團(tuán)聚效應(yīng)，在與SA復(fù)合時(shí)，還使SA質(zhì)子化。加入Cu(Ⅱ)之后，SA上面的-COO-中的帶負(fù)電的氧離子通過氫鍵發(fā)生配位，從而合成所需的復(fù)合材料。色氨酸(Trp)上具有羧基以及氨基，Cu(Ⅱ)可以與其發(fā)生配位形成氫鍵，從而達(dá)到對于色氨酸識別的效果。

圖5 合成以及識別示意圖

2.6 掃描速度對峰值電流影響

CV記錄了掃描速率對峰值電流的影響。測試不同掃描速度對于峰值電流的影響主要是為了研究電極表面的反應(yīng)過程。從圖6中可以看出由于復(fù)合材料PEI-SA-Cu(Ⅱ)存在電阻，隨著掃描速率的增加，陽極峰移至正電位，陰極峰與之相反移至負(fù)電位。由于峰值電流與掃描速率的平方根之間具有線性關(guān)系，通過這一結(jié)論可以得出電極表面的電化學(xué)過程是受擴(kuò)散控制的。

圖6 PEI-SA-Cu(Ⅱ)/GCE在掃速為10、30、 50、70 mV·s-1的循環(huán)伏安圖

3 結(jié)論

本文利用聚乙烯亞胺可以阻止海藻酸鈉的團(tuán)聚效應(yīng)以及使海藻酸鈉質(zhì)子化，添加二價(jià)金屬離子銅使其通過配位作用形成電化學(xué)手性平臺(tái)，對于色氨酸的不同異構(gòu)體的一個(gè)識別。結(jié)果表明多糖本身就具有一定的效果，但是識別能力較弱，加入Cu(Ⅱ)后，電化學(xué)信號增強(qiáng)，對于氨基酸的識別能力增強(qiáng)。Cu(Ⅱ)與海藻酸鈉上面的羧基配位形成氫鍵，增加了復(fù)合材料的導(dǎo)電能力，金屬離子與氨基酸形成氫鍵，使識別能力增加。