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流动注射-石英晶体微天平生物传感器手性识别的深度解析与机理探究

一、引言

1.1研究背景与意义

手性，作为宇宙的普遍特征，广泛存在于自然界。从宏观的星系，到微观的生物大分子，如蛋白质、多糖、核酸等，均具有手性特征。具有手性特征的化合物被称为手性化合物，当药物分子中碳原子连接有4个不同的基团时，该碳原子成为手性中心，相应药物即为手性药物。手性药物在药物、食品、材料科学等诸多领域都具有举足轻重的地位。

在药物领域，手性药物的药理作用依赖于与体内大分子间严格的手性识别与匹配。手性药物不同对映体在药效学和毒理学方面存在显著差异。例如，在药效学方面，联苯双酯只有右旋体（+）联苯双酯具有活性；多巴酚丁胺R(-)型对映体对β受体呈拮抗作用，而S(+)型对映体则呈激动作用；巴比妥类化合物的S(-)体是镇定药，对中枢神经系统有抑制作用，R(+)体却是惊厥剂，具有中枢神经系统兴奋作用。在毒理学方面，抗风湿药青霉胺D型无生物毒性，而L型毒性强且具潜在的致癌作用；局麻药丙胺卡因的R(-)对映体可迅速水解生成致使高铁血红蛋白症的甲苯胺，具有血液毒性。20世纪50年代的“反应停”事件，因S(-)沙利度胺代谢产物干扰胎儿发育造成畸胎，而R(+)异构体不会产生相同代谢产物，这一严重不良事件凸显了手性药物对映体差异的重要性。因此，准确识别和分离手性药物对映体对于提高药物疗效、降低毒副作用至关重要。

在食品科学领域，手性分子对映异构体的检测可作为分析食品质量的指标，食用物质的感官特性也与立体化学相关，因为嗅觉和味觉受体是手性的。不同手性的风味物质会给食品带来截然不同的感官体验，精准识别手性分子对确保食品的品质和风味稳定意义重大。

在材料科学领域，手性材料因其独特的光学、电学和磁学性质，在传感器、催化剂、光学器件等方面展现出广阔的应用前景。手性二维材料由于其超高的比表面积和独特的化学物理特性，为新一代光学活性系统和光电子器件的功能材料提供了巨大潜力。

传统的手性识别技术，如对映选择性色谱法（高效液相色谱HPLC、气相色谱GC、超临界流体色谱SFC、薄层色谱TLC以及毛细管电泳CE等）和光谱法（紫外-可见光谱UV-Vis、质谱MS、红外光谱IR、核磁共振NMR及圆二色光谱法CD），虽然在手性分子识别和拆分上得到了广泛应用，但存在诸多局限性。这些方法通常需要昂贵的设备、复杂的样品处理过程，分析效率较低，难以实现实时在线检测，并且大多依赖手性选择剂的使用。因此，开发一种操作简单、可实时检测、无需标记且灵敏度高的手性识别方法成为研究的迫切需求。

流动注射-石英晶体微天平生物传感器（FlowInjection-QuartzCrystalMicrobalanceBiosensor，FI-QCMBiosensor）作为一种新型的分析工具，在解决上述问题方面展现出独特的优势。石英晶体微天平（QCM）是一种基于压电效应的传感器，能够通过测量谐振频率偏移和耗散偏移来检测表面结合质量及相关的能量损失，具有ng级的质量监测能力。当与流动注射技术相结合时，可实现样品的连续在线分析，大大提高了分析效率。同时，QCM生物传感器无需对生物分子进行标记，设备相对简单，成本较低，电极还可以再生和反复使用。

在生物医学领域，FI-QCMBiosensor可用于实时监测生物分子间的相互作用，如抗原-抗体结合、DNA杂交等，为疾病诊断和药物研发提供重要依据；在环境监测方面，能够快速检测环境中的手性污染物，评估其对生态系统的影响；在食品安全检测中，可实现对手性农药、兽药残留以及食品添加剂的快速筛查和定量分析。

综上所述，开展流动注射-石英晶体微天平生物传感器的手性识别及机理研究，不仅对于深入理解手性识别的本质具有重要的科学意义，而且在药物研发、食品检测、环境监测等实际应用领域具有广阔的应用前景，有望为相关领域的发展提供新的技术手段和解决方案。

1.2国内外研究现状

手性识别技术作为化学、生物、材料等多学科交叉的研究热点，近年来取得了显著进展。国内外众多学者从不同角度对其展开深入研究，旨在寻找更加高效、精准的手性识别方法。

在国外，对映选择性色谱法、光谱法等传统手性识别技术不断优化。高效液相色谱（HPLC）在手性分离中应用广泛，新型手性固定相的研发层出不穷，如多糖类手性固定相，通过对多糖结构的修饰和优化，提高了其对手性化合物的分离选择性；大环抗生素类手性固定相，凭借其独特的结构和与手性化合物的相互作用机制，在复杂手性药物分离中展现出良好性能。气相色谱（GC）结合新型手性毛细管柱，实现了对挥发性手性化合物的高分辨率分离，拓宽了手性分析的应用范围。圆二色光谱（CD