基于光学和电化学的两种手性传感新方法研究

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手性作为自然界中的一种基本属性,在生物学、化学和药学等领域发挥着重要的作用。手性异构体广泛存在于食品添加剂、药品、农药、人体以及环境中。例如,在生物体内常见的单一手性物质包括氨基酸、糖类以及核酸等,手性药物的不同对映体在药效方面会存在较大差异,甚至还会出现一种构型有效,而另一种构型无效或存在生理毒性的情况。因此,开发一系列实用有效、低成本的分析方法用于手性化合物的检测具有重要意义。传统的用于手性化合物分析的方法包括高效液相色谱法、气相色谱法、毛细管电泳法等,但仪器昂贵、分析时间长以及样品前处理复杂等缺点限制了这些方法的应用。近年来,基于光学和电化学的方法由于具有仪器简单、成本低、灵敏度高以及适用于自动化和实时分析等优势而受到越来越多的关注。本论文开发了两种分别基于光学和电化学的传感器,用于手性化合物的传感分析。一方面,合成了基于香豆素骨架的非手性小分子探针,用于同时检测氨基酸的总浓度、绝对构型和对映体过量。另一方面,以4种L-构型氨基酸为手性选择剂,构建了基于三电极体系的手性电化学阵列传感器用于手性药物萘普生(naproxen,Nap)的分析。本论文的主要研究内容如下:(1)在论文第2章,开发了一种基于紫外可见吸收光谱(ultraviolet-visible absorption spectroscopy,UV-vis)和圆二色光谱(circular dichroism spectroscopy,CD)信号的小分子探针,用于同时检测氨基酸的总浓度、绝对构型和对映体过量。首先通过便宜易得的原料4-羟基香豆素一步合成了非手性香豆素醛探针,命名为探针1。探针1的结构通过电喷雾电离质谱、核磁共振氢谱以及傅里叶变换红外光谱得到了确证。探针1结构中的醛基能与氨基酸结构中的氨基在室温下生成亚胺,引起后续UV-vis信号改变和诱导产生CD信号。红移的UV-vis信号与氨基酸的手性无关,可用于确定总浓度。而对映选择性CD信号可用于确定氨基酸的绝对构型和对映体过量。通过UV-vis和CD对亚胺生成反应进行了监测,发现探针1与氨基酸在室温下反应生成亚胺达到平衡所需时间为3-5 h,提高温度能缩短反应时间,生成的亚胺产物通过电喷雾电离质谱得到了确证。通过测定6个具有不同浓度和对映体组成的苯丙氨酸样品来验证了探针1的实用性与准确性。此外,探针1还可用于除氨基酸以外的手性伯胺化合物(氨基醇)的手性传感分析。(2)本论文第3章,以L-苯丙氨酸、L-精氨酸、L-天冬氨酸以及L-亮氨酸为手性选择剂,构建了一种基于三电极体系的手性电化学阵列传感器,并成功用于手性药物Nap的分析。首先,通过共价结合的方式在金电极表面修饰上4种L-构型氨基酸,并采用循环伏安法以及电化学阻抗谱对修饰氨基酸前后的电极电化学性能进行了表征,结果表明,电极表面修饰上氨基酸会阻碍电子的传递。通过微分脉冲伏安法考察了不同修饰电极对两种构型Nap的响应情况,结果表明L-氨基酸功能化的电极具有一定的手性识别能力。进一步将构建的阵列传感器用于Nap的手性识别,发现其识别能力强于单个手性传感器。此外,阵列传感器还成功用于Nap浓度、对映体过量和两种手性药物的区分。本文开发的两种基于光学和电化学的传感器具有一定的新颖性,特别是构建的基于三电极体系的手性电化学阵列传感器用于手性药物的区分是未曾报道过的。本文利用开发的两种手性传感方法,实现了对手性伯胺类化合物和手性药物的传感分析,这对于药物前期开发过程中的不对称反应监测以及药物上市后的质量控制具有重要的意义。
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