Anal Chem：环糊精手性微环境调控的电化学平台用于高对映选择性组氨酸识别

手性是指结构与其镜像无法重合的特性，在化学与生物学领域均占据核心地位。尽管对映体的理化性质几乎完全一致，但其生物活性、毒性及药理作用往往存在显著差异。例如，L-组氨酸（L-His）是重要的神经递质和神经调节剂，可调控肌肉与神经系统活性、介导金属离子转运，而D-组氨酸（D-His）的生物活性极低。这类功能差异凸显了在化学、生物及药物领域开发高选择性对映体识别与定量技术的迫切需求。然而，由于对映体结构高度相似，实现高分辨率手性拆分仍是重大挑战。

超分子主客体识别策略为手性区分提供了可行路径，环糊精（CD）是一类具有固有手性和疏水空腔的天然大环主体分子，已广泛用于对映选择性识别。同时受天然离子通道启发，人工固态通道因尺寸与表面功能可调，已受到广泛关注。木材作为可再生资源，具有多尺度有序孔道与优异机械稳定性，是构建金属有机框架（MOF）基载体的独特模板。木材内的垂直孔道有利于MOF定向生长并集成附加功能。尽管MOF@木材复合材料在污染物吸附、海水淡化、阻燃等领域已展现出潜力，但受限于导电性差与结构复杂，其在电化学传感中的应用仍十分有限。

传统以β-CD为手性选择剂的色谱柱在L-对映体识别方面存在一定优势，但整体分辨率仍有限，尤其对结构相似的对映体表现不佳。针对这一问题，本研究通过天然木材孔道内原位生长L-色氨酸功能化β-CD金属有机框架（l CM/CDMOF），构建了可持续手性传感平台。以L/D-组氨酸（L/D-His）为模型对映体，该系统可通过类芬顿催化反应实现手性信号的实时定量监测：过氧化氢（H₂O₂）在催化作用下氧化2,2'-联氮-双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)（ABTS）生成ABTS自由基阳离子，其生成量可通过跨膜离子电流检测。为应对选择性不足的挑战，本研究通过L-Trp调控β-CD空腔空间占位，构建了立体选择性微环境，大幅提升了平台对组氨酸对映体的选择性。分子对接结果显示，L-Trp/β-CD体系与两种对映体可形成不同的氢键网络，从机制层面解释了选择性提升的原因。该策略将空腔结构调控与电化学信号放大相结合，不仅提升了对映体识别的灵敏度与选择性，也为可持续、高效手性分析提供了新思路，在生物医学与分析化学领域具有广阔应用潜力。

• 天然木材多级孔道原位构建手性平台：首次利用天然木材固有的梯度多级有序孔道作为模板，通过气相扩散法在孔道内原位生长β-环糊精金属有机框架（CDMOF），构建了CM/CDMOF复合手性传感平台。该策略避免了传统手性柱的复杂制备流程，木材的可再生性与低毒性也显著提升了体系的绿色可持续性，为生物质基手性材料开发提供了新思路。

• 空腔占位调控策略突破传统β-CD手性识别瓶颈：针对传统β-CD基手性固定相对L-对映体亲和力均一、难以区分结构相似对映体的局限，创新性提出L-Trp空腔占位调控策略，将L-Trp部分嵌入β-CD空腔，构建立体受限的手性微环境，通过主客体相互作用精细调控识别界面。该策略使组氨酸对映体分辨率（R）最高达3.4，远优于未修饰体系，实现了对结构高度相似对映体的高效区分。。

• 信号放大与定量读出结合实现超灵敏实时检测：将类芬顿催化反应与跨膜离子电流检测耦合，构建了高灵敏信号放大与定量读出体系，Fe³⁺催化H₂O₂氧化ABTS生成ABTS·⁺阳离子，通过调控离子通量将手性识别事件转化为可实时监测的电流信号。平台对L-组氨酸的检测线性范围宽达1 nM–1 mM，检测限低至0.22 nM，兼具高灵敏度与宽动态范围，且无需复杂前处理与大型仪器。

图1. (A) 传统β-CD基HPLC手性识别方法示意图；(B) L-色氨酸修饰β-CD空腔中主客体相互作用增强手性识别机理示意图

图2. (A) 木材基CM/CDMOF手性传感平台制备流程示意图；(B) 天然木材的多尺度结构（从纳米级细胞壁到宏观级维管束）；(C) 脱木素后得到的木材通道膜（CM）形貌；(D) 气相扩散法在木材垂直通道内原位生长的CDMOF立方晶体（尺寸约2 μm）的SEM图像；(E) 天然木材、CM及CM/CDMOF的X射线粉末衍射（XRD）图谱；(F) 天然木材、CM及CM/CDMOF的热重分析（TGA）曲线；(G) 罗丹明B（RhB）标记CDMOF的木材通道不对称修饰荧光成像，激发波长530–550 nm，修饰层厚度约270 μm

图3. (A) CM/CDMOF识别L-组氨酸并配位Fe³⁺（CM/CDMOF/l-Fe³⁺）与识别D-组氨酸并配位Fe³⁺（CM/CDMOF/d-Fe³⁺）的电流-电压（I-V）曲线对比；(B) 施加-1.0 V恒定电压时，添加L-组氨酸或D-组氨酸后的电流-时间（i-t）响应曲线；(C) 类芬顿反应介导的离子电流放大机理示意图：Fe³⁺催化H₂O₂分解产生·OH自由基，氧化ABTS生成ABTS·⁺阳离子，增加阳离子通量，从而显著提升跨膜离子电流

图4. (A) L-色氨酸（L-Trp）通过主客体相互作用嵌入β-CD空腔构建l CM/CDMOF手性微环境的示意图；(B–D) CM/CDMOF、l CM/CDMOF、d CM/CDMOF对L-组氨酸和D-组氨酸的电流响应（ΔI）对比，其中l CM/CDMOF对L/D-组氨酸的响应差最显著；(E) 不同手性分子修饰（L/D-Arg、L/D-Phe、L/D-Tyr、L/D-Trp）的CM/CDMOF对组氨酸对映体的分辨率（R）对比，l CM/CDMOF的R值最高可达3.4

图5. (A) l CM/CDMOF对不同浓度L-组氨酸和D-组氨酸的I-V曲线响应；(B) l CM/CDMOF对L-组氨酸的校准曲线，线性范围为1 nM–1 mM，检测限低至0.22 nM；(C) 三批次独立制备的l CM/CDMOF对1 mM L-组氨酸的电流响应重复性测试；(D) 用于评估对映体跨膜扩散的H型扩散池装置示意图；(E) l CM/CDMOF对L-组氨酸和D-组氨酸的扩散通量对比，D-组氨酸扩散速率更高，验证平台对L-组氨酸的优先识别；(F) l CM/CDMOF对组氨酸（His）、二羟基苯丙氨酸（DOPA）、肾上腺素（AD）、苯丙氨酸（Phe）、酪氨酸（Tyr）五类对映体的分辨率（R）对比

图6. (A) l CM/CDMOF对L-组氨酸和D-组氨酸的分子对接模型，L-组氨酸与β-CD形成3个氢键，同时与L-色氨酸侧链形成1个额外稳定氢键；(B) 组氨酸对映体与l CM/CDMOF的氢键作用参数对比，D-组氨酸仅与β-CD形成2个氢键；(C) l CM/CDMOF对L-DOPA和D-DOPA的分子对接模型，D-DOPA与β-CD形成2个氢键，同时与L-色氨酸侧链形成1个额外氢键；(D) DOPA对映体与l CM/CDMOF的氢键作用参数对比；(E) l CM/CDMOF对L-肾上腺素和D-肾上腺素（AD）的分子对接模型，D-AD与β-CD和L-色氨酸侧链各形成1个氢键（键长分别为2.6 Å和3.2 Å），结合更紧密；(F) 肾上腺素对映体与l CM/CDMOF的氢键作用参数对比

本研究创新性地利用木材天然梯度多尺度多孔结构，通过β-CD定向组装成功构建了CM/CDMOF手性识别平台。通过引入L-色氨酸精准调控β-CD空腔空间占位，实现了主客体相互作用界面的精细调控，显著增强了对组氨酸对映体的对映选择性识别能力，对映体分辨率最高可达3.4，远优于未修饰体系。分子对接模拟进一步阐明了识别性能提升的机制，L-色氨酸在空腔中形成稳定氢键网络，增强了空间选择性，促进了与对映体的高选择性结合。本研究为高效手性识别体系的设计提供了新思路，在生物传感、手性药物筛选、智能分离技术等领域具有良好应用前景。

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