Anal Chem：氨基酸插层LDH手性纳米酶用于色氨酸对映异构体的双模式对映选择性催化与识别

手性分子的对映体在手性微环境中表现出不同的药理和生物学特性，其活性和功效由其手性决定。氨基酸是自然界中最重要、最基本的手性化合物，是蛋白质的基本单元，在生命活动中发挥着重要作用。然而，氨基酸对映体在手性环境中表现出不同的药理效应。例如，L-色氨酸（L-Trp）参与蛋白质合成并调节免疫和消化功能；而D-色氨酸（D-Trp）主要存在于植物和微生物中，不能在人体内代谢。因此，氨基酸对映体的鉴定和检测已成为亟待解决的问题，在制药工业、临床诊断和催化工程中具有重要的实际意义。

纳米酶是一种能够在极端条件下模拟酶活性的无机纳米材料。大多数天然酶具有复杂的结构和难以确定的特异性活性位点，这阻碍了它们的应用。相比之下，人工酶易于设计，具有价格低廉和催化性能可调的优点。因此，纳米酶有望成为生物催化和医学领域天然酶的替代品。目前，已有大量相关研究成果发表。生物酶在催化反应中对底物表现出高度特异性；然而，在纳米酶的研究中，尚未对天然酶最显著的特征对映选择性给予足够的关注。因此，构建高特异性的纳米酶以逐步替代生物酶仍然极具挑战性。

针对上述问题，本研究合成了手性半胱氨酸插层的铁/钴层状双氢氧化物纳米酶（Cys-LDH）。L构型LDH纳米酶（L-Cys-LDH）在H₂O₂氧化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）方面表现出更强的催化能力，并且对色氨酸（Trp）异构体的识别能力高于D构型LDH。L-Cys-LDH对Trp对映体的识别通过比色模式下的吸光度比值（2.75）以及电化学模式下的峰电位偏差（44 mV）和阻抗变化（647 Ω）实现。该双模传感器能够有效地检测色氨酸对映体，在比色模式下的检测限为24μM，在电化学模式下的检测限为0.63μM。本工作为纳米酶在对映体选择性识别和催化中的进一步应用提供了参考。

• 手性微环境的精准构筑与催化增强：通过L-半胱氨酸阴离子交换插层Fe/Co-LDH层间，FT-IR证实-COOH参与配位（C=O红移至1550 cm⁻¹），XPS检测到N 1s和S 2p特征峰且Fe 2p₃/₂位于710.3 eV（Fe-S键形成），确证Cys成功插层。TEM显示典型层状结构（晶格条纹0.166 nm对应(110)面），粒径约100 nm、比表面积大。L-Cys-LDH的类过氧化物酶活性（催化H₂O₂氧化TMB）显著高于裸LDH和D-Cys-LDH，说明Cys的引入既保留了LDH的高稳定性/大比表面积，又赋予其丰富手性识别位点。

• 优异的对映选择性识别能力：L-Cys-LDH与D-Trp结合更强（空间匹配更佳、静电吸引更强），结合后更显著抑制纳米酶催化活性。比色模式下L-Trp与D-Trp的吸光度比达2.75；电化学模式下DPV峰电流比I_L/I_D=1.45，峰电位偏移ΔEp=44 mV，电化学阻抗电子传递电阻差值ΔRet=647 Ω，均证明其对Trp对映体的强区分能力，优于多数已报道手性传感器。

• 双模式互补检测及高灵敏度：比色模式中D-Trp在80–2600 μM内呈线性响应，检出限（LOD）为 24 μM；电化学模式检测中L-Trp在2.0–350 μM内呈线性响应，LOD 低至0.63 μM。双模式相互印证，比色法适合现场快速初筛，电化学法适合微量精准定量。并且在不经预处理的人血清加标回收实验，L-Trp回收率95%–105%，RSD＜4.15%，证明该传感平台具备临床和生物样品分析的实用潜力。

  
  

图1. (A) L-Cys-LDH 纳米酶的合成。(B) 比色与电化学模式下色氨酸（Trp）对映体的区分。

图2. (A) L-Cys-LDH 纳米酶的透射电子显微镜（TEM）图像；插图：高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像，晶格条纹为 0.166 nm。(B) LDH（a）与 L-Cys-LDH（b）的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）。(C) L-Cys-LDH 的全谱 X 射线光电子能谱（XPS）。(D) L-Cys-LDH 的 X 射线粉末衍射（XRD）图谱。

图3. (A) 不含纳米酶(a)及分别含 LDH(b)、D-Cys-LDH(c)、L-Cys-LDH(d)时，0.2 mM TMB 在 HAc-NaAc 溶液中的吸光度强度及实物照片（插图）。(B) LDH、(C) D-Cys-LDH、(D) L-Cys-LDH 在含 0.2 mM TMB 和 10 μM H₂O₂ 的 HAc-NaAc 溶液中对 0.1 mM Trp 对映体（e：L-Trp，f：D-Trp）的识别结果。

图4. (A) 裸玻碳电极（曲线 a）与 L-Cys-LDH 修饰电极（曲线 b）在含 10 μM H₂O₂ 的 0.2 M HAc-NaAc 溶液中的循环伏安（CV）曲线。(B) 裸 GCE（a）、L-Cys-LDH 修饰电极（b）、L-Cys-LDH 修饰电极在 0.1 mM L-Trp 中（c）及在 0.1 mM D-Trp 中（d）的Nyquist图。(C) LDH 电极对 0.1 mM Trp 对映体的 DPV 响应。(D) L-Cys-LDH 对 0.1 mM Trp 对映体的 DPV 识别结果。(E) 添加 0.01%（v/v）离子液体时 D-Cys-LDH 对 Trp 对映体的 DPV 响应。(F) 添加 0.01%（v/v）离子液体时 L-Cys-LDH 对 Trp 对映体的 DPV 响应。

图5. (A) 比色模式下，固定 L-Cys-LDH（0.01 mg/mL）与 H₂O₂（10 μM）浓度时，TMB（0.2 mM）吸光度随 D-Trp 浓度增加的下降趋势。(B) 比色模式下 D-Trp 浓度与吸光度的线性关系（线性范围 0.08–2.6 mM）。(C) 电化学模式下，L-Cys-LDH 修饰电极的 DPV 峰电流随 L-Trp 浓度（2.0 μM–0.35 mM）的变化。(D) 电化学模式下 L-Trp 浓度与峰电流的线性关系。

图6. 稳态动力学分析中，L-Cys-LDH纳米酶的初始反应速率（v）随TMB浓度(A)和H₂O₂浓度(B)的变化曲线，以及相应的双倒数作图(C)和(D)。

图7. (A) 比色模式下 10 个平行样品对 0.1 mM Trp 对映体的识别吸光度比值（A_L/A_D）。(B) 电化学模式下 10 支 L-Cys-LDH 修饰电极对 0.1 mM Trp 对映体的 DPV 峰电流比值（I_L/I_D）。(C) L-Cys-LDH 对 L-Trp 的选择性测试：干扰物为同浓度 D/L-Phe、D/L-Tyr、D/L-His、D/L-Ala 与 D-葡萄糖（Glu）。

本研究合成了一种具有类过氧化物酶催化活性和对Trp异构体对映选择性识别能力的手性L-Cys-LDH纳米酶。与D构型对应物相比，L-Cys-LDH纳米酶在H₂O₂介导的TMB氧化反应中表现出增强的催化性能，并且对Trp对映体具有优异的对映选择性识别能力。基于此，构建了一种用于比色和电化学区分Trp对映体的双模式传感器。L-Cys-LDH与D-Trp之间具有更高结合亲和力的相互作用导致其催化活性降低，在D-Trp上观察到的该现象较L-Trp更为明显，拓展了纳米酶在特异性催化中的应用。

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