手性铽磷酸盐纳米晶上氨基酸对映选择性吸附的普适性行为

《Molecules》：Universal Behavior in Enantioselective Adsorption of Amino Acids onto Chiral Terbium Phosphate Nanocrystals

　　

生物分子的单手性（homochirality）促使研究人员寻找能够进行对映体识别的手性表面，然而关于氨基酸官能团几何结构与非手性无机纳米晶（nanocrystals, NCs）上对映选择性吸附之间系统性关联的研究仍然有限。研究人员考察了天冬酰胺（asparagine, Asn）、丝氨酸（serine, Ser）和组氨酸（histidine, His）在本征手性 Λ- 与 Δ-TbPO4·H2O 纳米晶上的对映选择性吸附；该纳米晶为单斜（准六方）结构。单对映体吸附等温线与外消旋混合物所得对映过剩（enantiomeric excess, ee）由圆二色光谱（circular dichroism, CD）联合电位滴定测定。低覆盖度下单对映体吸附符合朗缪尔（Langmuir）模型：L-对映体倾向 Λ-NCs，D-对映体倾向 Δ-NCs；匹配手性对的平衡常数约为不匹配对的两倍。较高表面覆盖度下偏离 Langmuir 模型并符合 Frumkin 模型，该模型包含吸附分子间的横向吸引。对映选择性在较低外消旋物浓度时最高，并随总外消旋物浓度升高而下降，趋势与此前酒石酸与天冬氨酸在该 NCs 上的结果一致。主导晶面 Tb3+–Tb3+ 间距与氨基酸分子内官能团距离接近，支持三点手性识别机制。

研究背景方面，氨基酸、糖、蛋白和 DNA 等生物分子具有单手性，使一对对映体在生物体系与药物体系中表现出显著差异，因此手性分离、分子识别和不对催化需求很大。块体金属多为非手性晶体，虽可通过高米勒指数低对称晶面获得本征手性金属表面，但有机修饰剂热稳定性和化学稳定性有限；石英等手性矿物因多晶面暴露和相互作用弱而选择性差；钙钛矿类与其他无机材料虽有识别能力，但针对本征手性无机纳米晶上氨基酸依赖官能团几何的系统性研究仍不足。研究人员此前开发了酒石酸导向生长、空间群为手性空间的 TbPO₄·H₂O 纳米晶，其主导（100）晶面提供均匀手性无机界面，并已显示对酒石酸（tartaric acid, TA）和天冬氨酸（aspartic acid, Asp）具有浓度依赖的对映选择性。为探明侧链官能团如何控制识别，研究人员将体系拓展到 Asn、Ser、His 三种尚未考察的氨基酸。

论文发表于《Molecules》。研究人员以 Λ- 与 Δ-TbPO₄·H₂O 纳米晶为平台，用 CD 光谱定量上清液中对映体浓度差，用电位滴定独立获得外消旋体系总吸附量，从而算出吸附态 ee；结合 Langmuir 与 Frumkin 等温线、晶面 Tb³⁺ 间距和分子内 O–O/O–N 距离，论证官能团几何与表面位点几何的匹配关系。该研究的重要意义在于：把此前 TA 与 Asp 上的规律推广到含酰胺、羟基、咪唑侧链的氨基酸，证明本征手性稀土磷酸盐纳米晶可作为稳定、高比表面、结构均一的手性吸附与识别平台，并为低覆盖度高对映选择性用于非均相对称催化提供依据。

主要关键技术方法如下：以酒石酸导向晶种法获得 Λ- 与 Δ-TbPO₄·H₂O 纳米晶；用 CD 光谱依据特征峰强度标定并对单对映体及外消旋上清液定量；对外消旋 Asn 与 His 体系用 NaOH 电位滴定求总未吸附浓度，再由物料衡算得总吸附量；以 Langmuir 模型描述低覆盖度单对映体吸附，以 Frumkin 模型描述高覆盖度含横向作用的吸附；用 XRD、TEM、AFM 表征纳米晶相结构与形貌，并比较晶面 Tb³⁺ 间距与氨基酸分子内官能团距离以验证三点手性识别机制。

2.1 单氨基酸对映体的对映选择性吸附：研究人员将 L/D-Asn、L/D-Ser、L/D-His 分别与 Λ/Δ 纳米晶孵育，离心后测上清 CD 信号，由初始与平衡浓度差得吸附当量浓度；结果显示 L 型偏好 Λ-NCs、D 型偏好 Δ-NCs，镜像偏好来自表面手性对称与 Tb³⁺ 位点排列。

2.2 Asn、Ser、His：Frumkin 与 Langmuir 吸附模型：低浓度 ≤5 mM 时单对映体等温线符合 Langmuir 模型，匹配手性对 K 约为不匹配对两倍；更高覆盖度时 Langmuir 失效，Frumkin 模型更好，其中横向作用参数显示 His 非匹配对分子间作用能约为匹配对 2.5 倍，Asn 则相近。研究人员还得出 Ser 的羟基与 Tb³⁺ 配位最弱，Asn 酰胺提供氢键与配位点，His 咪唑氮富集配位最强；羧酸根与 Tb³⁺ 的静电作用被认为最强。

2.3 外消旋氨基酸混合物在本征手性表面的对映选择性吸附：通过 CD 读上清中对映体浓度差，Λ 与 Δ 表面呈相反偏好；Asn 差值中等，Ser 较弱，His 在 3 mM 总浓度下差值最大，说明侧链配位能力越强，表观对映体吸附差越明显。

2.4 对映选择性吸附与对映过剩：研究人员用滴定得总吸附量，再与 CD 所得 [L]_ads?[D]_ads 相除得到吸附 ee。His 在 0.4 mM 约 32%、Asn 约 22.5%，至 3 mM 分别降至约 6% 与 4%；TA、Asn、His、Asp 的 ee 排序为 TA < Asn < His < Asp，对应羟基 < 酰胺 < 咪唑 < 羧基的配位能力。该浓度依赖不能用双物种 Langmuir 竞争模型解释，研究人员归因为低浓度时多点配位充分、高浓度时相邻吸附分子横向协作削弱手性判别。

2.5 氨基酸官能团与表面 Tb³⁺ 位点的几何匹配：XRD 表明低温合成 NCs 属单斜准六方 C2 空间群；（100）与（010）晶面占表面 >95%，Tb³⁺ 近邻距约 4.0–4.08 ?、次邻约 5.3–5.6 ?，与 Asn/Ser/His 分子内 O–O、O–N 距离 3.5–4.4 ? 及 5–6 ? 段相匹配，可同时结合三个表面 Tb³⁺，支持三点手性识别。Phe 仅胺与羧基两个配位点、无侧链配位，故无对映选择性，进一步佐证该机制。

讨论与结论部分总结：研究人员指出，本征手性 Λ/Δ-TbPO₄·H₂O 纳米晶可对 Asn、Ser、His 实现对映选择性吸附，单对映体低覆盖度符合 Langmuir、高覆盖度符合 Frumkin；外消旋吸附 ee 在低浓度最高并随浓度升高下降；主导晶面 Tb³⁺–Tb³⁺ 间距与氨基酸官能团距离匹配，以及仅双配位基团分子无选择性，共同支持三点手性识别机制。与原 TA、Asp 结果合并后，形成分子官能团几何与手性纳米晶吸附强度之间的普适关系。研究人员认为该纳米晶在低吸附物浓度下的高对映选择性可用于非均相不对称催化。

结论原文意译：本研究证明本征手性 Λ- 与 Δ-TbPO₄·H₂O 纳米晶可对 Asn、Ser 与 His 进行对映选择性吸附，把此前 TA 与 Asp 上的发现拓展到具有不同侧链官能团的更多氨基酸。单对映体在低吸附当量浓度下表现 Langmuir 行为，L-对映体优先结合 Λ-NCs，D-对映体优先结合 Δ-NCs。较高吸附浓度下 Langmuir 模型失效，结果可用考虑相邻吸附分子横向吸引的 Frumkin 模型描述。外消旋初始混合物在纳米晶表面产生的吸附对映过剩在低风险浓度最高并随浓度增大而下降。主导（100）与（010）晶面上 Tb³⁺–Tb³⁺ 间距与氨基酸分子内官能团距离高度匹配，加之仅有两个配位基团如苯丙氨酸（phenylalanine, Phe）无对映选择性，支持以三点手性识别机制作为该对映选择性的结构基础。结合 TA 与 Asp 的早前结果，这些发现建立了分子官能团几何与本征手性纳米晶表面对映选择性吸附强度之间的普适关系。研究人员认为该纳米晶在低吸附物浓度下所观测到的高对映选择性可被用于非均相对称催化。