Anal Chem：β-环糊精修饰共价有机框架纳米通道用于氨基酸电化学手性识别

手性分子是构成生命体系的重要基础，L-氨基酸是构建酶和蛋白质的基石，而D-糖则是DNA和RNA的主要组分。然而，同一手性分子的不同对映体在生物体内往往表现出截然不同的功能：一种对映体可能具有药理活性，而另一种则可能活性低下甚至具有毒性。因此，开发高效、灵敏、低成本的手性识别技术对生物医药研究和制药工业具有至关重要的意义。传统的手性识别方法主要依赖手性色谱和光学技术（如圆二色光谱、表面增强拉曼散射光谱和荧光光谱等），但这些方法普遍存在仪器昂贵、色谱柱成本高、样品前处理复杂等局限，难以满足现场快速检测的需求。

近年来，纳米孔传感技术将纳米流体学与电化学技术相结合，通过测量纳米孔内离子的电化学行为实现分析物检测，具有高灵敏度、快响应、高采样频率和操作简便等优势，为手性识别提供了新的平台然而，常规纳米通道的尺寸（10–100 nm）通常远大于手性分子（~1 nm），导致手性结合位点与手性分子之间的相互作用不够理想。因此，制备具有可调控尺寸和丰富手性结合位点的均相手性纳米通道，成为实现理想手性识别性能的关键。共价有机框架（COF）材料是一类由有机结构单元通过共价键组装而成的有序晶体框架，具有高孔隙率、纳米级可调控孔径（1–10 nm）以及丰富的可修饰位点，近年来在催化、传感和分离领域备受关注。本研究中，通过席夫碱反应，以1,3,5-三(4-氨基苯基)苯（TAPB）和2,3,5,6-四氟对苯二甲醛（TFTA）为单体，在阵列化纳米孔聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上沉积了氟化COF膜。随后，通过后修饰法将具有特殊手性空腔的β-环糊精（β-CD）引入COF骨架，成功制备了均相手性COF膜（CD-COF）。

• 基于表面电荷调控的高灵敏电化学手性识别：研究将CD-COF膜组装于双室电解池中进行电化学测试，以10 mM KCl为支持电解质。实验发现，在L-Trp存在下，CD-COF膜的跨膜离子电流显著增加，而D-Trp几乎不引起电流变化；未修饰的COF膜则对两种对映体均无区分能力。

• 手性识别与分离的协同：L-Phe与D-Phe的氧化峰电流比达到 1.65；并且两种对映体的氧化峰电位差（ΔE_p）高达 0.27 V，远超多数已报道的电化学手性传感器，可实现仅凭峰位置即可直观区分。通过跨膜渗透实验显示，COF膜的D-Trp和L-Trp的扩散通量几乎相同，无手性选择性；而CD-COF膜的D-Trp/L-Trp渗透选择性高达15.3，从而实现对映体的选择性分离。

• 策略普适性与材料优势：研究进一步考察了CD-COF膜对其他氨基酸（苯丙氨酸Phe和酪氨酸Tyr）的手性识别能力。结果显示，CD-COF膜对L-Phe和L-Tyr也表现出一定的选择性结合，但电流响应和选择性均明显低于L-Trp，表明该策略对不同手性分子具有普适性，且对Trp具有最优识别效果。

  
  

图1.COF和CD-COF的合成与化学结构。

图2. CD-COF膜的形貌与结构表征。(a) CD-COF膜表面的SEM图像。插图显示了膜的横截面图像。表面CD-COF层的厚度为300 nm。(b) β-CD（蓝色曲线）、COF（红色曲线）和CD-COF（黑色曲线）的FT-IR光谱。(c) COF（黑色曲线）和CD-COF（红色曲线）的XRD图谱。(d) COF（红色曲线）和CD-COF（黑色曲线）的圆二色光谱。

图3. CD-COF膜的手性识别性能。(a) CD-COF膜在10 mM KCl中，加入D或L-Trp（1 mM）前后的I−V曲线。(b) COF膜在10 mM KCl中，加入D或L-Trp（1 mM）前后的I−V曲线。(c) CD-COF膜的电流增加比率（R，(I−I₀)/I₀）随Trp浓度的变化。(d) CD-COF膜的手性选择性（η）随Trp浓度的变化。(e) CD-COF对Trp对映体手性识别性能的示意图。

图4. β-CD与L-/D-Trp之间的相互作用模式和吸附能。

图5. 手性选择性渗透实验。(a) 透过COF膜的Trp对映体通量随渗透时间的变化。(b) 透过CD-COF膜的Trp对映体通量随渗透时间的变化。

本研究成功构建了一种β-环糊精修饰的均相手性COF膜（CD-COF），并将其发展为高灵敏电化学传感器，用于色氨酸对映体的选择性识别与分离。通过DFT计算和实验相结合，揭示了β-CD位点对L-Trp的三点氢键识别机制。该膜对Trp的检测限低至0.28 nM，电化学识别选择性达19.2，跨膜渗透选择性达15.3，为均相手性多孔膜的构建提供了新策略。

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