江雷院士、李超助理教授JACS：仿生手性納米通道，實現(xiàn)自供能對映體識別

在藥物合成、材料設(shè)計及生命活動等領(lǐng)域，分子手性扮演著至關(guān)重要的角色，精準(zhǔn)區(qū)分對映異構(gòu)體具有重要的工業(yè)價值和生理意義。盡管色譜法、光譜法和電泳法等傳統(tǒng)手性識別技術(shù)取得了顯著進展，但它們通常面臨分析時間長、操作復(fù)雜、成本高昂或依賴精密儀器等局限性。受生物離子通道通過預(yù)設(shè)手性納米環(huán)境實現(xiàn)立體特異性識別的啟發(fā)，科學(xué)家們致力于開發(fā)仿生固態(tài)納米通道，但要實現(xiàn)生物級別的手性識別靈敏度和便攜集成設(shè)備仍是一大挑戰(zhàn)。

近日，北京航空航天大學(xué)李超助理教授、江雷院士合作展示了一種基于高密度手性納米通道陣列的自供能柔性器件，通過電化學(xué)測試實現(xiàn)了對映異構(gòu)體的實時、快速、高靈敏識別。該團隊利用手性卟啉誘導(dǎo)卟啉核星形均聚物自組裝成有序的螺旋卟啉陣列，構(gòu)建了具有對映選擇性識別能力的手性選擇性納米通道。這一精確定義的組裝體同時具備滲透能轉(zhuǎn)換和手性分子識別雙重功能，從而實現(xiàn)了自供能納米傳感器用于手性分子識別，為便捷、高效的手性識別提供了可持續(xù)平臺。相關(guān)論文以“Self-Assembled Chiral Nanochannel Arrays with Amplified Signal for Self-Powered Enantiomer Discrimination”為題，發(fā)表在

JACS

研究團隊首先通過D-卟啉（D-p）分子與卟啉核星形均聚物（p-HP）的自組裝制備了具有手性的螺旋卟啉納米通道（圖1a）。掠入射小角X射線散射結(jié)果表明，當(dāng)D-p與p-HP的比例在0.5至2.0之間時，形成了周期性的垂直排列結(jié)構(gòu)（圖1b）。透射電子顯微鏡圖像清晰顯示了自組裝的卟啉通道結(jié)構(gòu)（圖1c），高分辨率圖像進一步揭示了具有0.45 nm特征間距的堆疊結(jié)構(gòu)（圖1d）。全原子分子動力學(xué)模擬結(jié)果直觀對比了有無D-p引導(dǎo)的差異：無D-p時，核心卟啉因聚合物鏈的空間位阻而分散在聚合物網(wǎng)絡(luò)中（圖1e）；而引入D-p后，D-p作為橋梁將分散的卟啉連接成螺旋通道，并將手性傳遞給聚合物（圖1f）。

圖1. 手性卟啉誘導(dǎo)卟啉核星形均聚物自組裝形成螺旋卟啉陣列。(a) D-卟啉（D-p）和卟啉核均聚物（p-HP）的化學(xué)結(jié)構(gòu)。(b) p-HP@2.0D-p樣品的掠入射小角X射線散射結(jié)果，顯示周期性結(jié)構(gòu)。一維GI-SAXS曲線通過面內(nèi)方向15°的角度擴散積分得到。(c) p-HP@2.0D-p的透射電子顯微鏡圖像，顯示自組裝的卟啉通道結(jié)構(gòu)。(d) 卟啉通道的放大透射電子顯微鏡圖像，顯示堆疊的卟啉單元。(e) p-HP的全原子分子動力學(xué)模擬結(jié)果（后視圖），顯示分散的卟啉排列。(f) p-HP@2.0D-p的全原子分子動力學(xué)模擬結(jié)果，顯示螺旋狀卟啉通道結(jié)構(gòu)。

光譜學(xué)研究系統(tǒng)揭示了D-p誘導(dǎo)J-聚集形成螺旋手性卟啉通道的機制。紫外-可見光譜中737 nm處新吸收峰的出現(xiàn)證實了J-聚集結(jié)構(gòu)的形成（圖2a,b）。熒光光譜同樣驗證了D-p誘導(dǎo)的J-聚集卟啉結(jié)構(gòu)，p-HP@nD-p樣品出現(xiàn)了J-聚集的新熒光峰（圖2c）。圓二色光譜表明手性中心的存在誘導(dǎo)了卟啉通道的優(yōu)勢手性，為手性分子提供了尺寸選擇性的納米環(huán)境（圖2d）。變溫?zé)晒饧夹g(shù)分析顯示，對于p-HP@2.0D-p體系，熒光強度隨溫度升高呈單調(diào)下降趨勢（圖2f），表明其從有序聚集態(tài)向完全分離態(tài)的轉(zhuǎn)變，而純p-HP體系則經(jīng)歷孤立態(tài)、微聚集態(tài)到完全孤立態(tài)的變化過程（圖2e,g）。

圖2. 加熱過程中卟啉聚集的結(jié)構(gòu)構(gòu)象變化。(a) 不同樣品的紫外-可見光譜。(b) 不同樣品在600-800 nm范圍的紫外-可見光譜放大圖。(c) 不同樣品的熒光光譜，顯示J-聚集結(jié)構(gòu)。(d) 各樣品的圓二色光譜，表明螺旋卟啉結(jié)構(gòu)。(e) p-HP樣品在717 nm處的熒光強度隨溫度的變化。(f) p-HP@2.0D-p樣品在717 nm處的熒光強度隨溫度的變化。(g) 加熱過程中卟啉結(jié)構(gòu)構(gòu)象變化的示意圖。

D-p誘導(dǎo)的卟啉通道為氯離子提供了選擇性傳輸路徑，其傳輸機制遵循相鄰卟啉間的跳躍模式（圖3a）。電流-電壓曲線顯示，相比無連續(xù)通道的p-HP膜，引入D-p形成螺旋通道后膜的電導(dǎo)率提升了四個數(shù)量級，且在D-p/p-HP比為2.0時達到最大（圖3b）。在不對稱濃度梯度下，p-HP@2.0D-p膜表現(xiàn)出最高的擴散電位（84.0 mV）和擴散電流（8.48 μA）（圖3c）。滲透能轉(zhuǎn)換性能由離子選擇性和電導(dǎo)率共同決定，p-HP@2.0D-p膜展現(xiàn)出最高功率密度（19.0 W·cm?2）（圖3d,e）。在不同濃度梯度下，該膜的氯離子選擇性始終高于0.5（圖3g），且在1.5 M/1 mM、1.0 M/1 mM和0.5 M/1 mM濃度梯度下最大功率密度分別達到34.9、46.7和53.9 W·cm?2（圖3h）。

圖3. 手性卟啉通道膜的滲透能轉(zhuǎn)換。(a) 基于手性卟啉通道膜的反電滲析系統(tǒng)示意圖（左）和氯離子以跳躍模式在相鄰卟啉間傳輸?shù)氖疽鈭D（右）。(b) 不同膜的電流-電壓曲線。(c) 不同膜的擴散電位和擴散電流。(d) 不同膜的功率密度隨外接電阻的變化曲線。(e) 最大功率密度隨D-p/p-HP比例的變化曲線。(f) p-HP@2.0D-p膜的擴散電位和擴散電流隨濃度梯度的變化。(g) p-HP@2.0D-p膜在不同濃度梯度下的離子選擇性。(h) p-HP@2.0D-p膜在不同濃度梯度下的功率密度。誤差棒代表三次平行實驗的標(biāo)準(zhǔn)差。

由于D-p的手性被傳遞至卟啉納米通道，該膜展現(xiàn)了對映體的電化學(xué)響應(yīng)（圖4a）。分子動力學(xué)模擬證實了D-乳酸/D-p和L-乳酸/D-p復(fù)合物具有相當(dāng)?shù)慕Y(jié)合能（圖4b）。D-乳酸分子與通道中D-p的手性部分結(jié)合，增加通道表面負(fù)電荷密度，加速離子傳輸；而L-乳酸分子與卟啉中心結(jié)合，覆蓋氯離子傳輸位點，降低離子傳輸效率。p-HP@2.0D-p膜對D-乳酸呈現(xiàn)離子電導(dǎo)率特異性增強，響應(yīng)濃度低至微摩爾級別（圖4c）。得益于膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在10次循環(huán)電化學(xué)測試中響應(yīng)離子電流幾乎保持不變（圖4d,e）。基于螺旋卟啉通道的高效滲透能轉(zhuǎn)換和高靈敏度手性識別，研究團隊構(gòu)建了由滲透能自供能的柔性傳感器（圖4f）。該自供能納米傳感器對D-構(gòu)型分子（D-乳酸、D-酒石酸、D-葡萄糖、D-丙氨酸）表現(xiàn)出電流增強響應(yīng)，對L-構(gòu)型分子（L-乳酸、L-酒石酸、L-葡萄糖、L-丙氨酸）表現(xiàn)出電流減弱響應(yīng)（圖4g,h）。

圖4. p-HP@2.0D-p膜對手性分子的識別。(a) 基于手性卟啉通道的手性分子識別示意圖。(b) L-乳酸和D-乳酸分子與D-p之間親和力的模擬結(jié)果（俯視圖）。(c) p-HP@2.0D-p膜在不同濃度D-乳酸或L-乳酸下的電導(dǎo)率變化。(d) p-HP@2.0D-p膜對D-乳酸進行10次循環(huán)電化學(xué)識別。(e) p-HP@2.0D-p膜對L-乳酸進行10次循環(huán)電化學(xué)識別。(f) 基于p-HP@2.0D-p膜的自供能手性納米傳感器示意圖。(g) 自供能納米傳感器對不同D-構(gòu)型分子的電化學(xué)響應(yīng)。(h) 自供能納米傳感器對不同L-構(gòu)型分子的電化學(xué)響應(yīng)。誤差棒代表三次平行實驗的標(biāo)準(zhǔn)差。

總之，這項研究通過手性卟啉引導(dǎo)卟啉核星形均聚物自組裝，構(gòu)建了高密度手性納米通道。這種仿生設(shè)計創(chuàng)建了精確定義的螺旋陣列，作為尺寸選擇性和對映選擇性的納米環(huán)境，實現(xiàn)了高效滲透能轉(zhuǎn)換和實時手性識別的雙重功能。通過集成這些功能，自供能柔性納米傳感器能將分子手性信號轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號，無需外部電源即可對D-和L-對映體產(chǎn)生差異化響應(yīng)。該工作連接了分子尺度手性與宏觀膜工程，為快速、靈敏、操作簡便的手性識別提供了可持續(xù)平臺。未來，將手性納米通道傳感與先進的納米孔電化學(xué)讀數(shù)（如多重納米電極陣列和單實體測量）相結(jié)合，可能進一步增強該方法的平臺潛力。