手性是自然界普遍存在的现象,不同构型的手性分子可能产生不同的作用。氨基酸作为一种常见的手性化合物,除甘氨酸不具手性外,其余氨基酸均以L-构型存在于生物体内;而D-型氨基酸只存在于细菌的细胞壁和某些抗菌素中,可能对人体健康产生负面影响。此外,氨基酸不仅是蛋白质的基本组成单位,也是多种代谢疾病的重要生物标志物。因此,对手性氨基酸的识别在化学,生物学,药学和农学等众多领域都具有重要意义。在开发用于识别和分析手性氨基酸的技术中,电化学方法因其低成本、操作简便、高灵敏度以及能实时在线检测等突出优势而受到广泛关注。可使用传统的以峰值电流或电位法识别手性氨基酸的电化学方法,其检测限仍然难以满足临床的需求。此外,传统的伏安法识别手性氨基酸,其对靶标物质的电化学活性有强烈的依赖性,即难以实现对弱电化学活性和非电化学活性的氨基酸识别。本文的创新点在于借助电化学方法的优势,开发了以电子转移电阻为输出信号的阻抗型电化学传感器。这一方法不仅突破了传统的伏安法识别氨基酸的灵敏度无法满足临床需求的难题,而且实现了对弱电化学活性和非电化学活性的手性氨基酸的电化学识别。主要工作有以下几方面:(1)利用牛血清蛋白(BSA)具有的较大比表面积、疏水空腔等特殊空间结构,以此为手性选择剂,成功构建了基于BSA的阻抗型电化学传感器。该传感器在5 nM至10000 nM浓度范围内对弱电化学活性的氨基酸:L-天冬氨酸(L-Asp)表现了良好的特异性识别,且无需其他物质作为标记物,最低检测限达0.6 nM,同时该传感器对L-Asp的识别表现出较好的稳定性。实验首次通过构筑非印迹阻抗型电化学传感器即可对靶标物质进行洗脱,实现对同一传感器的重复多次使用,大大缩减了实验成本和传感器的制备时间。同时,该方法的建立为弱电化学活性以及非电化学活性物质的电化学手性识别拓展了新途径。(2)以BSA为手性选择剂,引入具有生物相容性、高稳定性以及低毒性的二氧化钛(TiO2)作为放大剂以放大两对映体在传感器上的分子间相互作用的差异,达到识别和区分L-Asp和D-Asp的效果。实验结果表明L-Asp和D-Asp在1 nM至1000 nM范围内,阻抗信号的改变量同浓度变化呈良好的线性关系,检测限分别为0.37 nM和0.94 nM,两者的分离度即KL/KD为1.8。该方法成功应用于外消旋溶液中L-Asp和D-Asp的含量百分比识别,为利用阻抗型电化学传感器实现对氨基酸两对映体的同时手性识别奠定了良好的基础。实验进一步通过量子计算探究了BSA中溶质和溶剂易达到的片段同D-Asp和L-Asp的分子间相互作用能和氢键作用力,根据玻尔兹曼统计计算出同一片段识别位点吸附的D-Asp的数量是L-Asp的1034倍以上,理论计算所得结论同实验得出的结果一致,为该方法用于区分手性氨基酸提供了理论依据。(3)为了进一步拓展阻抗型传感器对弱电化学活性和非电化学活性氨基酸识别的实用性,开发新的识别元件。实验以近年来新兴的材料MOF为主体,复合手性源L-组氨酸(L-His),合成具有手性识别的纳米复合材料:L-组氨酸-ZIF-8(L-His-ZIF-8),将其作为传感器的膜材料,用以特异性识别L-谷氨酸(L-Glu)。结果显示:在0.1nM至50 nM浓度范围内,所构建MOF基阻抗型电化学传感器的界面阻抗递增值与L-Glu对应浓度的对数呈现良好的线性关系,检测限高达0.06 nM。此外,从分子的结构角度分析探讨了所构建的传感器对靶标物质L-Glu的识别机理,为合成应用于氨基酸对映体识别的手性MOF材料提供了新的思路。