手性分子识别新方法研究

论文摘要

手性是自然界特别是生物体的本质属性，手性选择性也是生命过程中的必然规律，例如手性物质被各种生物摄取吸收、在生物体内代谢转化、排泄等一切涉及生命活动的过程往往会存在手性选择性，而且手性物质的生物效应，包括致畸、致癌、致突变、内分泌干扰活性等也会呈现手性选择性。因此手性识别研究具有重要的理论和实际研究意义。在分析化学领域，手性识别研究的方向是建立快速、准确、灵敏的手性分析方法。本论文正是以此为出发点展开工作。研究工作主要以天然牛血清白蛋白（BSA）及人工自组装金胶等为手性选择剂，用电化学和光谱的方法对手性氨基酸和手性药物的手性识别分析进行了一系列具有原始创新性的研究工作，并取得了比较有意义的研究成果。本论文共分五章，主要内容如下：第一章系统介绍了手性识别研究的意义，以及目前手性识别分析的发展现状。手性分析具有重要的理论和实际研究意义，主要体现在四个方面：（1）手性药物研究领域，需要对药物异构体的药理和药效进行研究，进而测定和控制药物异构体的纯度；（2）手性精细化学品研究领域，根据精细化学品手性异构体的性能和用途对其进行分离分析研究；（3）生命科学研究领域，研究生物物质的手性与其功能的关系，以及它与其它手性异构体之间的相互作用；（4）手性材料研究领域，研究手性材料的产生途径和它的特殊性能，研制出具有更多特异功能的新型手性材料。目前在化学领域，手性识别研究方法主要有色谱，光谱和传感器这三种。其中光谱和传感器技术由于具有快速，准确，简单，经济，可以实时在线分析等特点在手性研究领域备受青睐。另一方面，论文根据目前手性研究现状将手性选择剂分为蛋白质，多糖衍生物，合成的高分子聚合物，手性空穴类化合物，金属配合物，大环抗生素，手性表面活性剂和手性表面这八类，并对这八类手性选择剂的应用以及它们的手性识别原理分别进行了综述。本章最后阐述了本论文研究工作的意义以及主要内容。第二章基于牛血清白蛋白（BSA）的立体选择性，建立了一种利用电化学传感器对氨基酸异构体进行手性识别的新方法。传感器的制备和手性识别过程如下：首先，用氧化铝溶胶—凝胶将BSA固定在电极表面，构建成手性识别膜，接着对金胶标记的氨基酸异构体进行手性识别，之后，对选择性地结合在传感器上的氨基酸异构体的际记物—金胶，进行“金标银染”，最后用电化学微分脉冲伏安法（DPV）检测手性传感器上银的氧化信号，从而实现手性识别检测。实验结果表明该传感器能够有效地对色氨酸，苯丙氨酸和酪氨酸异构体进行手性识别，而且“金标银染”法的应用，使该传感器的电化学信号大大增强，手性识别效果得以放大，对氨基酸检测的灵敏度也显著提高。以色氨酸异构体为例，该传感器对它的异构选择性系数达到2.31，检测限均为5.00×10-13M。该传感器具有制备简单；手性氨基酸标记简便，标记后不用分离提纯，直接可以用于手性识别反应；手性识别快速和检测直接等优点，因此本工作对今后手性传感器以及手性识别分折方法的应用和发展都具有重要的意义。第三章首次建立了一种以牛血清白蛋白（BSA）为手性选择剂，结合紫外一可见光谱和化学计量学分析的手性识别新方法，实现了对手性药物和手性氨基酸异陶体组成的准确测定。该工作首先测定BSA和手性化合物的一系列混合溶液（其中BSA和手性化合物的摩尔浓度一定，而手性化合物的异构体组成各不相同）的紫外一可见光谱，接着根据紫外一可见光谱图随手性化合物异构体组成不同而发生的变化，利用化学计量学中的偏最小二乘法（PLS-1）来进一步分析紫外一可见光谱数据，建立数学模型，然后用该模型对实际样品中的异构体组成进行测定。以包氨酸异构体为例，该体系在0.02mM BSA存在条件下，对色氨酸的最低检测限可以达到0.10μM，相应的可检测到的异构体过量（enantiomeric excess，ee）最高达98.00％或-98.00％。同时，本部分工作还研究了该体系对两种手性药物（多巴和普萘洛尔）和其它四种手性氨基酸（苯丙氨酸，酪氨酸，半胱氨酸和丙氨酸）的异构体组成测定情况，并结合BSA手性识别机理对实验结果进行了详细的讨沦。实验结果表明该方法能够有效灵敏地测定手性化合物的异构体组成。这对药物与生物体之间相互作用方面的研究，环境中手性农药污染物的检测以及不对称合成产物的分析等都有重要的理论和实际意义。第四章结合荧光光谱和牛血清白蛋白（BSA）的手性选择性，提出了一种高灵敏地测定微量／痕量手性化合物异构体组成新方法。手性分析的目的不仅是要提供一种手性识别的方法，更重要的是要在现有方法的基础上，解决痕量或者超痕量手性异构体的分析测定问题。荧光光谱法最显著的特点就是灵敏度比较高，因此为了提高异构体组成测定的灵敏度，本部分工作利用BSA和不同异构体组成的手性化合物的荧光光谱和化学计量学分析，对手性化合物异构体组成进行测定。研究对象为较低浓度范围的手性化合物，实验和分析方面同第三章。实验结果表明，该方法能成功地对较低浓度范围的色氨酸异构体组成进行准确测定，用5.00μM BSA最低可检测到0.03μM的色氨酸异构体，相应能检测到的最高异构体过量（ee）也达到98.00％或-98.00％，充分体现了该方法的高灵敏性。同时，本部分工作也研究了该方法对两种手性药物（多巴和普萘洛尔）和其它四种手性氨基酸（苯丙氨酸，酪氨酸，半胱氨酸和丙氨酸）的异构体组成测定情况，并对实验结果进行了详细的讨论。这部分工作为手性化合物的痕量分析，以及环境中少量手性污染物的检测等提供了新的分析测定手段。第五章创新性地开展了基于自组装膜修饰金胶的手性识别研究。本课题组以前的工作曾首次将这手性金属配合物配体交换原理用于金电极上电化学手性识别研究，并且取得了一定的成果。为了进一步研究金属配合物复杂的热力学和动力学手性识别过程，本部分工作尝试在金胶上实现金属配合物的手性识别过程。实验首先在金胶上自组装N-乙酰基-L-半胱氨酸，接着在组装了N-乙酰基-L-半胱氨酸的金胶的磷酸缓冲溶液中加入Cu22+，这样就在金胶表面形成了金属配合物手性选择剂，然后用该手性选择剂来识别苯丙氨酸异构体，并用圆二色谱（CD）和质子核磁共振光谱（1H NMR）对手性识别结果进行表征。实验结果表明，金胶上自组装的金属配合物可以实现对苯丙氨酸的手性识别，而且该手性识别过程是通过手性选择剂和识别对象形成的三元复合物进行的，手性识别机理是基于三元复合物的立体结构和稳定性差异。这个结论很好地验证了金电极上电化学识别信号的可靠性，同时这种将纳米技术，手性识别技术和光谱表征相结合的研究方法对今后手性研究方法的发展具有深远的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 手性及手性识别是自然界的基本属性
• 1.2 手性的分类
• 1.3 手性识别研究的意义
• 1.4 手性识别研究的现状
• 1.4.1 手性识别方法
• 1.4.2 手性选择剂
• 1.5 本论文选题的意义及研究内容
• 参考文献
• 第二章 基于牛血清白蛋白的电化学手性识别新方法研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂
• 2.2.2 金胶的制备和表征
• 2.2.3 金胶标记的氨基酸异构体的制备和表征
• 2.2.4 氧化铝溶胶的制备
• 2.2.5 手性传感器的制备
• 2.2.6 手性识别反应
• 2.2.7 金标银染
• 2.2.8 电化学检测
• 2.2.9 电化学交流阻抗（EIS）表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 金胶的表征
• 2.3.2 金胶标记的氨基酸异构体的表征
• 2.3.3 氨基酸直接还原法制备的金胶标记的氨基酸及其表征
• 2.3.4 色氨酸的手性识别
• 2.3.5 其它五种氨基酸的手性识别
• 2.3.6 电化学交流阻抗表征
• 2.3.7 实验条件的选择
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 基于牛血清白蛋白手性识别效应的紫外—可见光谱法测定手性化合物组成的新方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 化学计量学理论
• 3.3 实验部分
• 3.3.1 试剂
• 3.3.2 紫外—可见光谱测定
• 3.3.3 光谱数据分析
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 色氨酸异构体组成的测定
• 3.4.2 其它手性化合物异构体组成的测定
• 3.4.3 低浓度范围色氨酸异构体组成的测定
• 3.4.4 实验条件的选择
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 牛血清白蛋白—荧光光谱测定微量/痕量手性化合物异构体组成的新方法研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂
• 4.2.2 荧光光谱测定
• 4.2.3 光谱数据分析
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 色氨酸异构体组成的测定
• 4.3.2 低浓度范围色氨酸异构体组成的测定
• 4.3.3 其它手性化合物异构体组成的测定
• 4.3.4 实验条件的选择
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 自组装膜修饰纳米金胶的手性识别新方法研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 试剂和仪器
• 5.2.2 金胶的制备
• 5.2.3 N-乙酞基-L-半胱氨酸在金胶上的自组装
• 5.2.4 金胶上手性金属配合物的形成
• 5.2.5 金胶上金属配合物的手性识别
• 5.2.6 手性识别结果的 CD表征
• 1H NMR表征'>5.2.7 手性识别结果的¹H NMR表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 金胶的表征
• 5.3.2 组装了N-乙酞基-L-半胱氨酸的金胶的表征
• 5.3.3 金胶上金属配合物的表征
• 5.3.4 金胶上金属配合物手性识别结果的 CD表征
• 1H NMR表征'>5.3.5 金胶上金属配合物手性识别结果的¹H NMR表征
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 下一步研究工作建议
• 博士期间科研成果
• 致谢