基于碳纳米管原生手性的手性电化学传感器的研究及应用进展

杨 洋， 朱志伟*

(北京大学化学与分子工程学院，北京 100871)

1 前言

21世纪分析化学的研究对象越来越多地选择与生命活性相关的物质，而手性往往是核苷酸、氨基酸和单糖等构成生命体的基础物质的基本属性之一，如构成蛋白质的氨基酸均为L型，构成多糖和核苷酸的单糖则为D型。由它们构成的生物大分子因此具备特征性的空间结构，而恰恰是这种特性赋予了蛋白质的催化活性、核酸的信息储存以及多糖的识别功能，进而奠定了生命存在和进化的基础[1]。手性对映异构体分子的性质会受外部环境影响，当环境为非手性时，除光学活性不同以外，两种构型的分子均表现出相同的物理、化学和生理性质；当环境为手性时，它们则会表现出不同的化学和生理性质。通常情况下一种构型的分子具有优良的性能，而另一种构型则没有使用价值，甚至会产生不利影响。其实，对映异构体之所以表现出不同的生理性质，是由于它们的两种构型分子在生物体内引起不同的分子识别造成的，这个现象称为“手性识别”。手性物质在医药、农业、食品和材料等领域具有独特价值，因此有关手性识别的研究无疑具有非常重要的科学意义和实用价值。

手性分子的一对对映异构体除了旋光性不同外，物理和化学性质几乎完全相同，因此一些常规方法并不能将两者进行有效区分。经过几十年的发展，科学家们已经开发出多种方法进行手性化合物的拆分识别，其中通过波谱法(核磁共振、质谱、圆二色谱、紫外-可见、红外和荧光等)、色谱法(毛细管电泳、高效液相色谱、气相色谱、超临界流体色谱和薄层色谱等)和传感器(手性荧光传感器、手性质量化学传感器和手性电化学传感器等)等手段对手性化合物进行定性、定量分析是手性识别的主要研究方法[2]。在这些方法中，波谱法和色谱法均或多或少存在着诸如样品预处理复杂、检测时间较长及仪器昂贵等缺点，而手性传感器因其具备制备简单、检测快速、价格低廉，以及可实时、在线分析等优点，已成为手性识别检测领域的一个重要发展方向[3]，其中尤以手性电化学传感器在手性选择剂的筛选方面的独特价值而特别受到人们的关注。

碳纳米管(CNTs)在1991年被发现之后就一直备受瞩目，其比表面积大、导电性优良、电催化性能好等优点使得它在电化学及电分析化学领域中应用广泛[4]。在绝大多数涉及CNTs的手性电化学传感器的研究中，手性识别的主角一直是额外的手性选择剂，而作为配角的CNTs之所以被应用，主要是基于其良好的导电性、化学稳定性和生物相容性等优点[3 - 5]，其作为平台可以使手性选择剂的效果放大进而增强传感器的手性识别能力。而对于CNTs原生手性在手性识别方面的研究则甚少报道，其中的原因主要是手性电化学传感界面的构建太难，CNTs优异的电催化性能有可能在手性拆分中反而是个缺点，因为其难以选择性地去电催化拆分高度相似的手性对映异构体分子。因此，开展基于CNTs原生手性的手性电化学传感器的研究在进一步拓宽CNTs的研究领域、深入挖掘手性CNTs的新功能方面具备重要的科学意义和应用价值。

2 手性识别的机理

手性识别依赖于对映异构体和手性选择剂之间不同的相互作用，但手性识别的机理十分复杂，迄今为止仍没有一个完善的理论来支持各种类型的手性识别。其中较知名的识别模型包括三点作用、锁钥理论和包合作用等。

三点作用模型是手性识别机理中最为经典的模型。1933年由生物学家Easson和Stedman提出，即要解释不对称药物和目标物之间不同的生理活性至少需要三个点的结合[6]。15年后，生物学家Ogston在手性酶反应工作中使用了该模型[7]。后来Dalgliesh将三点作用模型引入到薄层色谱中[8]。

锁钥理论模型是指主体(手性选择剂)可选择性地结合客体(对映异构体)中的一种构型分子，通过能量效应和熵效应上的相互配合而形成稳定的超分子体系。由于主、客体间存在的范德华力、氢键和疏水作用等分子间力的加和与协同作用所形成的合力强度不比化学键弱，且这些合力具有一定的方向性与选择性，从而实现手性识别[1]。

包合作用模型则主要用于解释将含有手性空穴的化合物作为手性选择剂时的识别作用，如冠醚、杯芳烃和环糊精等化合物及其衍生物作为手性选择剂，其内部存在的空腔只允许一定大小和形状的目标物包合在其中，加之分子间氢键作用和疏水作用等的影响，形成非对映异构体的包合物，从而实现手性识别[2]。

3 碳纳米管的手性性质

众所周知，CNTs可以看成是由单层或多层石墨烯围绕同一中心轴、按一定的螺旋角卷曲而成，两端通常被由五元环和七元环参与形成的半球形大富勒烯分子封闭。单壁CNTs(SWCNTs)的手性角、卷曲方式、直径等结构参数以及电化学性质、光电性质均由按Hamada规则命名的手性指数(n,m)来确定[9]。它们可呈现金属性(n-m=3k，k为整数)或半导体性(n-m≠3k)；根据卷曲的外部形态的不同，它们还可分为扶手型(n=m)、锯齿型(m=0)和螺旋型(n≠m≠0)，如图1所示。扶手型和锯齿型结构对称，无手性，螺旋型CNTs镜像与原来的CNTs不能重合，为手性SWCNTs。手性SWCNTs具有一对螺旋异构体，可通过分离富集而获得具有旋光活性的(M)-或(P)-SWCNTs[10]。

图1 单壁碳纳米管的手性指数和分类[10]Fig.1 The chiral index(n,m) and classification of SWCNTs[10]

4 基于碳纳米管原生手性的手性电化学传感器

在绝大多数涉及CNTs的手性电化学传感器的研究中，手性识别的主角一直是额外的手性选择剂，若直接应用集良好导电性、化学稳定性和生物相容性以及原生手性为一体的CNTs来构建手性电化学传感器，有望使得传感器的构建更为简单和可靠。

4.1 碳纳米管原生手性用于手性电化学识别的理论基础

关于手性CNTs的手性拆分性能，Sholl等在2002年就利用原子计算方法模拟了手性双取代环烷烃在11种不同孔径和不同手性角SWCNTs的吸附情况[11]，在其研究的所有情况下，SWCNTs对异构体分子之间的等量吸附热差异可以忽略不计，表明手性SWCNTs难以作为有效的手性选择剂。但同时他们又指出，该结果并不能排除特定种类的手性分子在SWCNTs中会表现出显著的对映异构体特异性吸附的可能性。同年，Pham将CNTs涂覆在铜片上，形成一个共振装置，通过研究该装置共振频率的变化探究了CNTs和NH3的相互作用(图2)[12]。Girardet则在此实验的基础上，将CNTs模拟为共振装置，从理论上研究了CNTs与其他小分子(包括大气中广泛存在的N2、O2，污染物质CO、CO2、H2O和HF)的相互作用，以及手性CNTs对手性分子(丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸和苏氨酸)的识别能力(图3a)。他们通过Monte Carlo模拟计算表明，手性分子在理论上能够被手性SWCNTs所识别，即可通过吸附能的差别ΔW和共振频率差ΔΔf(与分子吸附在CNTs造成其介电常数的变化有关)来区分手性对映体[13 - 19]。此外他们还详细研究了ΔW、ΔΔf随着CNTs手性指数(n,m)变化的规律，并将研究对象拓展到了修饰CNTs[20]。他们的计算表明，当在CNTs内插入一条极性肽段后，会比未插入时对丙氨酸对映体的某一构象的吸附力更强。当CNTs为非手性时，丙氨酸两种对映体的ΔΔf为12 MHz(裸CNTs为0 MHz)，而当CNTs为手性时，ΔΔf可达38 MHz(裸CNTs为14 MHz)，由此说明极性肽段的引入增强了整个体系的手性识别能力(图3b)。

图2 探究碳纳米管和NH3的相互作用的共振装置[11]Fig.2 Schematics of the resonator sensor used to study the interaction between CNTs and NH3[11]

图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 -丙氨酸的构型图[18]；(b)在SWCNTs内插入一条极性肽段后的构型图[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理论模型存在如下的局限性：(1)计算所用温度为0 K；(2)将CNTs过于简化，无法完全模拟实验条件中的CNTs；(3)忽略了溶剂的影响。尽管如此，这也从理论角度证明了将手性CNTs的原生手性用于手性识别的可行性。另外，俄国的Kuznetsov通过密度泛函理论(DFT)模拟1-氟乙醇和丙氨酸对映体与开放型手性CNTs相互作用时发现，嵌入SWCNTs的对映体分子(即1-氟乙醇和丙氨酸)能明显改变开放型手性CNTs的几何特征和电子特征，且由于手性力场的形成，R-对映体和M-SWCNTs(或S-对映体和P-SWCNTs)的作用减小，这说明手性CNTs具有识别R-和S-异构体分子的能力[21 - 22]。Dasgupta则描述了SWCNTs与色氨酸分子结合后对色氨酸不同手性形态进行区分的相互协同作用。由于拓扑结构的复杂性，像SWCNTs这样的拓扑手性物质可以区分几何手性分子(图4)。他们认为这种原生手性CNTs具备独特的手性选择，可以将其推广到任何没有化学复杂性的几何手性分子的结构识别[23]。

图4 拓扑手性的结理论示意图[22]Fig.4 Schematic representation of topological chirality by knot theory[22]

4.2 基于碳纳米管原生手性的手性电化学传感器研究进展

4.2.1 基于准手性多壁碳纳米管的手性电化学传感器有研究表明，通过化学气相沉积法(CVD)得到的多壁CNTs(MWCNTs)的直径在一定范围内，手性型的含量通常会大于非手性型。为此，朱志伟等尝试将具有准手性性质的MWCNTs与离子液(1-辛基-3-甲基-咪唑六氟磷酸盐，[Omim]PF6)通过简单的超声混合获得了其纳米复合物(MWCNTs/[Omim]PF6)，再通过滴涂方式修饰于玻碳电极(GCE)上，构建了基于该复合物的手性电化学传感器[24]。MWCNTs因其相互间强烈的π-π堆积作用而彼此缠绕在一起，当MWCNTs与介电常数很高的[Omim]PF6混合以后，这种堆积作用能被有效屏蔽。MWCNTs在被有效分散的同时，修饰层主要表现为S-型手性环境。在R-型与S-型普萘洛尔(PRO)通过纳米复合物到达电极表面得失电子过程中，由于S-型手性空间的存在，使S-PRO受到阻碍，从而R-型比S-型更容易失去电子，氧化峰电流更大，由此实现了对PRO对映异构体的识别(图5)。

图6 基于(6,5)-SWCNTs/硫酸/方波伏安技术协同机制的多巴手性电化学传感器[24]Fig.6 DOPA chiral electrochemical sensor based on the synergistic effect among(6,5)-SWCNTs,sulfuric acid and square wave voltammetry[24]

图7 在玻碳电极上连续电合成阵列SWCNTs的示意图[26]Fig.7 Schematic representation of the sequential electrosynthesis of aligned-SWCNTs on GCE[26]

另外，在绝大多数基于CNTs的电化学传感器的报道中，CNTs通常是以物理吸附或粘附方式被修饰在电极表面，CNTs在电极表面无序排列，其利用率或有效性很低。虽然离子液体等的引入可以部分解决CNTs的分散性问题，但CNTs在电极表面的形态依然是无序的，这在很大程度上影响了传感器的性能，尤其是对手性识别空间原本就极为有限的手性电化学传感器。为此，朱志伟等发展了一种简单新颖的电化学制备手性SWCNTs阵列修饰电极的方法，即以乙二胺(EDA)作为桥梁，通过循环伏安法，可控地在电极表面制备有序排列的单层(6,5)-SWCNTs阵列(图7)[27]。他们详细优化了制备CNTs阵列电极的条件，并以原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱(XPS)等手段探究了电极表面形貌和元素的化学状态。随着电极修饰过程中电化学扫描的进行，AFM表征的电极表面形貌从无序的界面逐渐呈现明显的有序排列。与仅以EDA修饰的电极的XPS结果相比，(6,5)-SWCNTs阵列电极表面的酰胺碳和羧基碳变得更为丰富，这些结果证明SWCNTs在电化学循环扫描的过程中键合到了电极表面。该方法构建的(6,5)-SWCNTs阵列电极制备简单，CNTs有效利用率高，由此构建的传感器对DOPA对映异构体具有更优良的识别能力(DOPA对映异构体峰电流比可达到2.6)。

此后，施国越等也进行了相关的研究，他们通过对(6,5)-SWCNTs进行分离纯化得到了单一手性的(6,5)-SWCNTs，即M-(6,5)-SWCNT或P-(6,5)-SWCNT，然后利用M-或P-(6,5)-SWCNT高效的手性纳米空间来构建手性DOPA电化学传感器(图8)[28]。该工作展示了手性SWCNTs的结构对电化学手性识别的影响，但在其构建的两种传感器中，DOPA对映异构体峰电流比并不高(1.9～2.0)，这或许与作者使用的电化学测定技术为微分脉冲伏安法(DPV)有关。

4.2.3 非常规合成碳纳米管在手性电化学传感器方面的应用除了利用常规方法(如CVD、电弧法等)合成的手性CNTs外，近年来还出现一些以其它特定方法合成的CNTs应用于手性电化学传感的研究。王欢和张宇帆等先以L-谷氨酸分子的自组装和吡咯的聚合为模板制得手性聚吡咯(CPPy)，再通过一步碳化法自组装CPPy获得了100%左旋双螺旋结构的CPPy纳米管(L-CCNT)，将其与L-半胱氨酸(L-Cys)联用构建了手性识别界面L-Cys/L-CCNT/GCE，酪氨酸(Tyr)对映异构体在该界面的电化学氧化存在峰电位差异(0.024 V)[29]。他们还通过L/D型双螺旋碳纳米管(L/D-DHCNT)构建了氨基酸手性电化学传感器(L/D-DHCNT@PPy@AuNPs@L/D-Cys@GCE)，酪氨酸、色氨酸和谷氨酸在该电极上均存在明显的电位和电流比差异(图9)[30]。在这些电极修饰材料中，聚吡咯(PPy)作为定位剂，可使得金纳米粒子(AuNPs)在L/D-DHCNT中高度分散，同时PPy和AuNPs均具有良好的导电性能，而L/D-DHCNT和L/D-Cys的结合能形成特殊的手性环境，由此得到了高导电、超灵敏的手性电化学传感器。

图9 基于L/D-DHCNT@PPy@AuNPs@L/D-Cys的手性识别界面的构建示意图[29]Fig.9 Schematic illustration of construction of L/D-DHCNT@PPy@AuNPs@L/D-Cys chiral recognition interface[29]

4.3 影响碳纳米管原生手性应用到电化学手性识别中的因素

4.3.1 碳纳米管的物理吸附能力Zhuo等在综述中提到，尽管CNTs作为对映异构体分离的吸附材料具有巨大的潜力，但利用非功能化CNTs通过亲和层析分离手性化合物的报道非常少，这可能是因为单独使用CNTs，尤其是手性CNTs，其物理吸附能力不足，因而不能对异构体进行有效分离[31]。如本文4.1所述，Sholl等人通过SWCNTs对手性分子的等量吸附热差异的研究说明了SWCNTs无法作为有效的手性选择剂，不过该实验只研究了一部分手性分子，具有一定的局限性。

另外，Simonet等在实验中发现，在某些情况下，表面活性剂涂覆的CNTs(SC-CNTs)的存在对分离的分辨率和选择性有重要影响[32]。当胶束作为准固定相的应用不足以获得所需的分辨率和选择性时，可以采用SC-CNTs。由此看来，有关手性分子在CNTs上的物理吸附及其在手性分离中的作用还需要进一步的理论研究和实验验证。

4.3.2 碳纳米管的手性指数、修饰基团和温度Xue等通过分子动态(MD)模拟研究了不同手性指数的SWCNTs和聚苯乙炔链(PPA)之间吸附能的差异，结果表明SWCNTs的手性对其与PPA的相互作用有较大的影响，而温度的影响则可以忽略不计[33]。MD模拟还表明SWCNTs的某些特定化学修饰也有类似的影响，当SWCNTs连接有甲基或苯基时，SWCNTs与PPA的相互作用增强，而其它基团则没有此影响，由此证明可通过选择性化学修饰CNTs来增强CNTs与聚合物之间的相互作用。另外，SWCNTs与聚合物之间的相互作用随着官能团浓度的增加而增加。因此，在利用CNTs复合材料进行手性识别时，可以通过引入适量的修饰基团改善CNTs与手性分子之间的相互作用。

尽管理论研究指出温度对CNTs与外部分子之间相互作用的影响可以忽略不计，但仍然有一些实验结果表明，温度对于CNTs用于电化学手性识别具有一定的影响[34 - 35]。

5 结语

综上，在现有的涉及CNTs的手性电化学传感器的研究中，手性识别的主角一直是额外的手性选择剂，CNTs大部分则是作为配角出现，而基于CNTs原生手性的手性电化学传感器的研究还处于十分初步的阶段。另外，除了利用常规方法合成的手性CNTs外，近年来还有一些其它特定方法合成的CNTs手性材料被应用到手性电化学传感领域中，显然该类手性CNTs的应用也是CNTs原生手性研究的一个重要方向。

影响手性CNTs原生手性应用于手性电化学传感器的影响因素众多，例如其本身的手性结构、表面修饰基团和复合材料、体系温度等，所以该领域还有很多工作值得我们进行深入研究。

基于CNTs原生手性识别的理论仅有极简化的Girardet模型，物理吸附的强度对手性分离的影响也还未知，过强或者过弱可能均不利于手性识别，这两方面均还有待于探究。拓扑手性和几何手性之间的差别和联系显然也是一个非常有趣和未知的领域。总之，有关CNTs原生手性及其在手性电化学传感器当中的研究及应用还充满着各种挑战，有待于人们更加系统而深入的研究。