共价有机框架锚定β-环糊精修饰硅纳米通道传感器用于氨基酸对映体手性识别

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Covalent organic framework anchored β-cyclodextrin-modified silicon nanochannel sensor for chiral recognition of amino acid enantiomers

　　

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  原位COF与β-CD功能化构建手性硅纳米通道传感器。
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  协同孔隙率、手性与纳米限域效应提升传感性能并克服局限。
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  D/L-组氨酸与β-CD：差异化的主客体相互作用实现手性识别。

引言

手性是指分子固有的不对称性质。不可重叠的镜像异构体称为对映异构体[1]，[2]。在非手性介质中，对映异构体具有几乎相同的理化特征，使得利用常规分析技术对其进行区分具有挑战性[3]。然而，在生物体的手性微环境中，对映异构体可表现出不同的药理活性、代谢行为和毒性。此外，手性化合物广泛分布于药物、农药、香料和功能性材料中[4]。超过一半的临床药物具有手性，其立体异构体可能产生显著不同的药理效应，可能导致严重的副作用[5]。因此，手性识别与检测已成为药物发现、食品安全、环境监测和生命科学领域的重要科学挑战[6]，[7]。自巴斯德首次实现手性拆分以来，手性科学已发展成为一个多学科交叉领域，高效、精确的手性检测技术已成为推动其实际应用的重要基础[8]，[9]。

目前，手性分子检测与分离的常用策略包括色谱法、电泳法、光谱法、传感技术和膜分离。高效液相色谱、毛细管电泳和气相色谱在实际应用中占据主导地位，在药物分析和不对称合成调控中提供高精度的分离效果[10]，[11]，[12]，[13]。然而，由于对映异构体表现出高度相似的理化性质且手性识别往往产生微弱信号，现有技术普遍存在局限性，包括选择性有限、仪器昂贵、样品制备繁琐和分析耗时。这些局限性阻碍了快速、低成本和高灵敏度的现场检测[14]，[15]，[16]。因此，开发具有高灵敏度、低检测限和快速响应时间的手性分子检测技术具有重要的实际意义[17]，[18]，[19]。

作为一种新兴的单分子分析技术，纳米孔传感具有独特的优势，包括单分子分辨率、无需衍生化分析和快速原位测量[20]，[21]。通过离子电流的变化直接识别对映异构体，该策略可克服传统手性分析的多个局限性，包括灵敏度低、预处理繁琐和通量低，使其适用于复杂基质中微量分析物的快速检测[22]。利用共价有机框架（COF）对纳米通道进行修饰，可实现均匀、稳定且可设计的手性微环境的精确构建[23]，[24]。结合COF固有的高比表面积、有序孔结构和高密度识别位点，该方法可显著提高对映异构体的选择性和传质效率[25]，[26]。此外，COF的结构可设计性便于引入多种手性识别位点，解决了传统手性材料通用性差和稳定性不足的问题。这种组合策略将纳米孔的高灵敏度传感能力与COF的精确手性识别能力相结合，实现了高效分离和高选择性检测[27]，[28]。同时，它还降低了消旋化风险并降低了检测成本，从而为手性药物质量控制、生命科学分析和环境监测提供了精确的分析平台。该方法对于将手性分析从基于实验室的应用推进到现场、集成化和工业应用具有重要意义[29]，[30]，[31]。

在本研究中，以硅纳米通道为基底，通过氨基-醛缩合反应原位合成了聚簇纳米棒状的COF_Tp-DBd-BD，反应物包括1,3,5-三羧基间苯二酚（Tp）、2,2'-二氨基-4,4'-联苯二羧酸（DBd）和4,4'-联苯二胺（BD）。随后，通过后修饰方法，将单-(6-氨基-6-脱氧)-β-CD与COF_Tp-DBd-BD表面的羧基进行共价反应，将β-环糊精（β-CD）手性识别位点引入COF中，成功制备了手性COF_Tp-DBd-BD/CD纳米通道传感器。通过结合分级孔结构、共价锚定的β-CD手性位点和纳米限域效应，该传感器表现出高稳定性、高比表面积和优异的协同手性识别性能，实现了对手性氨基酸分子的高灵敏度和高选择性微量检测。实验结果表明，基于COF_Tp-DBd-BD/CD的纳米通道传感器具有低检测限和宽的线性检测范围。

各章节摘要

化学品与仪器

本研究使用的化学品和仪器详见补充材料。

材料合成与样品制备

材料合成和样品预处理的方法详见补充材料。用于手性组氨酸检测的COFTp-DBd-BD/CD传感器方案如图1所示。

COF_Tp-DBd-BD/CD/Si的表征

通过HF:H₂O₂:H₂O (v/v/v = 1:9:5)刻蚀6小时[32]对硅片的表面微观结构进行调控。扫描电子显微镜（SEM）表征确认成功制备了垂直排列的硅纳米通道，孔径均匀为200 nm。纳米通道分布规则，无明显团聚或结构坍塌。通道内壁呈现微尺度粗糙度（图1a），为原位

结论

在本工作中，以硅纳米通道为载体，成功构建了手性COF_Tp-DBd-BD/CD/Si纳米通道传感器。该传感器通过氨基-醛缩合反应原位生长花状COF_Tp-DBd-BD/Si，随后共价接枝氨基化的β-CD制备而成。该材料集成了分级孔结构、共价锚定的β-CD手性位点和纳米限域效应，表现出高稳定性、大比表面积和优异的

CRediT作者贡献声明

张小明：撰写 – 原稿，数据整理，概念构思。金文晓：调查研究，概念构思。吴立康：方法论。彭灿威：形式分析，数据整理。吴婷：数据整理。吴子墨：形式分析。缪龙飞：撰写 – 审阅与编辑，监督指导，经费获取。刘利民：撰写 – 审阅与编辑，监督指导。宋永海：撰写 – 审阅与编辑，经费获取。王莉：撰写 – 审阅与编辑，经费获取。

伦理审批

不适用。

补充信息

实验中使用的药物、试剂和仪器已附于支持信息中。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金委员会（22264016和22464013）、江西省自然科学基金（20252BAC200035）、江西省青年科学家和科技工作者培育项目（20244BCE52015）和江西师范大学博士启动基金的资助。

张小明|金文晓|吴立康|彭灿威|吴婷|吴子墨|缪龙飞|刘利民|宋永海|王莉