基于手性诱导自旋选择效应的高性能气相手性对映体探测器开发及其电子圆二色性系统构建

为解决气相手性对映体实时、便携式检测难题，研究团队开发了基于手性诱导自旋选择效应（CISS）的有机聚合物探测器。通过合成聚(3-己基噻吩)-嵌段-聚(苯基异氰酸酯)（P3HT80-PPI30

　　

在生命科学和化学研究领域，手性分子如同自然界中的左右手，虽然结构镜像对称，却往往展现出截然不同的生物活性和药理作用。这种"左右手"特性使得手性识别成为药物研发、环境监测和食品安全等领域的关键技术挑战。传统的气相色谱和圆二色光谱等检测方法虽然精度较高，但依赖大型仪器、操作复杂且难以实现实时现场检测，特别是在气相手性分子检测方面始终存在技术瓶颈。

针对这一难题，合肥工业大学的研究团队在《Nature Communications》发表了创新性研究成果，开发了基于手性诱导自旋选择效应（Chiral-Induced Spin Selectivity, CISS）的高性能气相手性对映体探测器。该研究通过将手性结构与导电性能巧妙结合，首次实现了有机聚合物材料在气相手性检测中的突破性应用。

研究采用的主要技术方法包括：设计合成P3HT_m-PPI_n系列嵌段共聚物，通过自组装形成螺旋纳米纤维结构；利用磁导原子力显微镜（mc-AFM）表征材料自旋极化率；采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）验证对映体纯度和浓度；构建包含手性和非手性传感元件的电路系统实现电子二色性检测。

设计、制备和性能表征

研究人员合成了一系列P3HT_m-PPI_n嵌段共聚物，其中P3HT提供导电性，手性PPI片段打破体系的空间和反演对称性。通过圆二色谱（CD）测试发现，随着PPI比例增加，258 nm处的CD信号从0逐渐增加到32 mdeg。电性能测试表明，P3HT₈₀-PPI₃₀(L)在保持足够导电性的同时，实现了最佳的手性识别性能，对limonene对映体的电流不对称因子|g_res|达到0.50。

实时响应特性与浓度依赖性

器件在15V工作电压下表现出优异的实时检测能力。L型探测器对(R)-limonene的响应电流变化为-17.5 nA，而对(S)-limonene仅为-11.1 nA，平均恢复时间仅20.8-23.2秒。浓度测试显示响应电流与limonene浓度在450-1800 ppm范围内呈良好线性关系，检测限为117.0 ppm。混合对映体测试表明，器件能够准确识别不同组成的对映体混合物，响应电流与(R)-limonene体积分数呈线性相关。

手性区分机制阐释

通过磁导原子力显微镜测试发现，P3HT₈₀-PPI₃₀(L)的自旋极化率高达70.8%，而P3HT₈₀-PPI₃₀(D)为-69.3%。这种显著的自旋选择性源于材料的螺旋结构，自组装形成的螺旋纳米纤维结构相比简单混合或直接旋涂的薄膜具有更强的CISS效应和手性识别能力。研究还证实器件能够区分多种手性气相分子，包括苯乙胺和苯乙醇对映体。

电子二色性系统构建

基于手性和非手性器件的性能差异，研究团队开发了"电子二色性"（Electronic Dichroism, ED）系统。非手性P3HT器件对limonene浓度呈现线性响应但不具备对映体区分能力，而手性器件同时响应浓度和对映体组成。通过电路设计将电流信号转换为视觉信号，绿色LED指示(R)-limonene过量，黄色LED指示(S)-limonene过量，实现了对映体组成的实时可视化分析。

该研究通过分子设计将CISS效应引入气相手性识别领域，创造了具有高自旋极化率的有机聚合物材料，解决了手性分子电学信号输出难题。开发的电子二色性系统为手性检测提供了新的技术范式，在环境监测、医疗诊断和工业安全等领域具有广泛应用前景。这种将化学信号通过自旋极化电子转换为电学输出的策略，为下一代实时、高效的多手性对映体检测技术发展指明了方向。