宋文堯，周張浪，楊鑫莉，4，陳 嵐，葛廣路

（1.國家納米科學(xué)中心,中國科學(xué)院納米標(biāo)準(zhǔn)與檢測重點實驗室,北京100190；2.中國科學(xué)院納米科學(xué)卓越中心,北京100190；3.中國科學(xué)院大學(xué)中丹學(xué)院,北京100049；4.中國科學(xué)院大學(xué),北京100049）

手性分子廣泛存在于自然界生物體中，如蛋白質(zhì)、核酸核糖等［1］.隨著化學(xué)工業(yè)和制藥工業(yè)的快速發(fā)展，對對映體手性純度的要求也越來越高，迫切需要為分析和拆分對映體開發(fā)新的、高效的識別和分離策略［2］.功能性的手性多孔材料在介觀或宏觀尺度上所表現(xiàn)出的超分子手性，在選擇性識別、不對稱催化、手性吸附及藥物輸送等方面的應(yīng)用具有很大潛力，可作為手性吸附與拆分的載體［3~10］.

手性介孔二氧化硅（CMS）作為一種常見的無機(jī)介孔材料，主要是通過超分子模板手性轉(zhuǎn)錄到介孔二氧化硅而得到的［11］.這種材料具有特定的螺旋外觀結(jié)構(gòu)、介孔結(jié)構(gòu)和螺旋排列的內(nèi)壁官能團(tuán)［12］.CMS由于具有獨特的手性結(jié)構(gòu)和良好的立體選擇吸附性能，成為手性吸附與手性拆分理想的候選材料［13，14］.此外，CMS性質(zhì)穩(wěn)定、骨架結(jié)構(gòu)堅固、形態(tài)可控且易于功能化等特點為手性功能材料的設(shè)計和制備提供了更多選擇［15，16］.

丙氨酸外消旋體在吸附工業(yè)及生物醫(yī)藥應(yīng)用領(lǐng)域具有重要作用［17］，因此常被用于選擇性吸附研究.Mastai等［18］使用手性氨基酸嵌段共聚物作為模板制備了CMS，使用丙氨酸的外消旋體混合物驗證了CMS的手性拆分能力.Di等［19，20］制備了具有手性孔結(jié)構(gòu)的單分散CMS微球在對丙氨酸對映體和外消旋體混合溶液的吸附中觀察到不對稱的優(yōu)先吸附現(xiàn)象，但均沒有給出CMS產(chǎn)生對映選擇性吸附的原因.CMS介孔表面并沒有不對稱官能團(tuán)，但通過結(jié)構(gòu)導(dǎo)向法制備的CMS會在介孔表面留下手性印跡.Che等［21］最早提出的使用共結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑（CSDA）合成CMS的方法，是將具有手性的表面活性劑超分子模板的手性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄到介孔材料的孔道表面，通過使用有機(jī)硅烷作為CSDA來建立手性表面活性劑與SiO2骨架之間的結(jié)構(gòu)導(dǎo)向關(guān)系.N‐三甲氧基硅基丙基‐N，N，N‐三甲基氯化銨（TMAPS）作為CSDA，一端是帶正電的季銨鹽基團(tuán)，可以與陰離子表面活性劑的手性頭部基團(tuán)產(chǎn)生庫侖作用，而另一端是能夠與硅源共縮合形成SiO2骨架的烷氧基硅烷位點［22］.因而，TMAPS可以通過季銨鹽基團(tuán)的靜電作用將手性超分子模板的手性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄到二氧化硅介孔內(nèi)壁，形成均勻分布的螺旋排列的手性印跡［23，24］.實驗證明，螺旋型的CMS棒狀結(jié)構(gòu)同時具有六邊形的二維介孔結(jié)構(gòu)，但介孔表面呈螺旋排列的CSDA手性印跡是否是手性識別的來源還有待進(jìn)一步驗證［25］.

溶劑萃取可以去除表面活性劑并在介孔內(nèi)表面留下CSDA螺旋排列的手性印跡，但難以用X射線衍射（XRD）等結(jié)構(gòu)分析技術(shù)來驗證［14］.Che等［26］已經(jīng)證明CSDA的螺旋排列可以通過吸附銀納米顆粒等離子體‐等離子體相互作用來確定.Garcia‐Bennett等［27，28］則是通過酒石酸、纈氨酸和α‐蒎烯等外消旋體混合物的對映選擇性吸附來確定使用某一手性鳥苷酸和葉酸制得的CMS是否具有對映選擇性，實驗證明，鳥苷酸和葉酸可在介孔二氧化硅孔道表面形成手性印跡，可轉(zhuǎn)錄模板手性結(jié)構(gòu)到介孔表面.

根據(jù)手性超分子模板劑的不同，CMS的合成可采用不同的策略［12，29］.本文通過使用手性陰離子表面活性劑C14‐L/D‐AlaA組裝作為超分子模板合成CMS，再通過萃取和煅燒兩種方法去除原合成CMS殘留的表面活性劑，并對其進(jìn)行再次修飾后對丙氨酸外消旋體混合物的對映選擇性吸附能力進(jìn)行了對比，直觀揭示了去除表面活性劑后留下的CSDA手性印跡對對映選擇性吸附有直接的影響.研究結(jié)果可能在如固相合成肽、農(nóng)用化學(xué)品和醫(yī)藥產(chǎn)品的生產(chǎn)以及生物傳感器等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

L‐丙氨酸（L‐Ala）、D‐丙氨酸（D‐Ala）、DL‐丙氨酸（DL‐Ala）、肉豆蔻氯（C14H27COCl）和N‐三甲氧基硅基丙基‐N，N，N‐三甲基氯化銨（TMAPS，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的甲醇溶液）均為分析純，購自麥克林試劑有限公司；氫氧化鈉、濃鹽酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%）、正硅酸乙酯（TEOS）、乙酸乙酯和三乙胺均為分析純，購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.

J‐1500型圓二色光譜儀（CD），日本分光JASCO公司；K‐Alpha型X射線光電子能譜儀（XPS），美國Thermo Fisher Scientific公司；ASAP2460型全自動比表面積及孔徑分析儀，美國Micromeritics公司；Labsys Evo‐TGA型熱重分析儀（TGA），法國Setaram公司；Nicolet iS50型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR），美國Thermo Fisher Scientific公司；Tecnai G2 20 S‐Twin型場發(fā)射透射電子顯微鏡（TEM），荷蘭FEI公司；Merlin GEMINIⅡ場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM），德國Zeiss公司；Milli‐Q型超純水儀，美國Millipore公司.

1.2 實驗過程

1.2.1 陰離子表面活性劑的制備所用手性模板劑的合成參考文獻(xiàn)［30］方法.以陰離子表面活性劑C14?L‐AlaA的合成為例：將L?Ala（4.5 g，0.05 mol）和NaOH（2.0 g，0.05 mol）溶解在250 mL去離子水中并滴加7.5 mL三乙胺，在25℃下攪拌混合均勻.然后在冰水浴中將13.25 mL肉豆蔻酰氯滴加到上述混合物中，攪拌1 h后，加入濃鹽酸調(diào)節(jié)pH到1，過濾得到白色固體，并用去離子水洗滌至中性.最后，用乙酸乙酯萃取并多次重結(jié)晶，在40℃真空中干燥后得到樣品C14‐L‐AlaA.

1.2.2 手性介孔二氧化硅的制備CMS的合成主要參考文獻(xiàn)［31］的方法，該方法通過手性陰離子表面活性劑自組裝形成螺旋結(jié)構(gòu)的超分子模板，然后引入TMAPS作為CSDA與二氧化硅的前驅(qū)體共組裝制備而得.陰離子表面活性劑提供的帶負(fù)電荷的頭部基團(tuán)與CSDA帶正電荷的季銨鹽基團(tuán)通過庫侖作用結(jié)合，而TMAPS的烷氧基硅烷進(jìn)一步與正硅酸乙酯共縮合形成二氧化硅骨架.典型的合成步驟為：將0.29 g C14‐L‐AlaA溶于20.5 mL去離子水中，于22℃攪拌20 min后加入8.5 g 0.1 mol/L NaOH溶液，室溫下繼續(xù)攪拌1 h形成溶膠.然后加入1.50 g TEOS和0.26 g TMAPS的混合物，在室溫下攪拌20 min后靜置2 h，形成凝膠狀的產(chǎn)物在80℃下固化15 h形成白色固體.白色固體經(jīng)離心分離、無水乙醇與水多次交替洗滌、于60℃溫度下干燥12 h.去除CMS孔道內(nèi)殘留的陰離子表面活性劑，可以采用煅燒和萃取兩種方式進(jìn)行處理.煅燒處理需要在550℃的空氣中煅燒6 h.而萃取的方法則是用鹽酸和無水乙醇（體積比1∶8）形成的混合溶液在90℃下攪拌12 h，然后離心分離，用去離子水洗滌，烘干12 h后得到去模板的CMS.

1.2.3 原合成CMS反手性印跡的修飾CMS手性吸附的反轉(zhuǎn)是通過對原合成CMS的后修飾實現(xiàn)的，在對原合成CMS進(jìn)行修飾前，所采取的步驟主要包括將煅燒后得到的0.2 gL‐CMS先在鹽酸醇溶液中活化24 h，以使其在孔道表面現(xiàn)成豐富的硅羥基（Si—OH），然后將活化的CMS分散到20.5 mL具有0.29 g相反手性的手性模板劑C14‐D‐AlaA的水溶液中，在22℃下攪拌30 min使其分散均勻，然后加入9.5 mL 0.1 mol/L NaOH溶液后繼續(xù)攪拌1 h，再加入300 μL TMAPS攪拌20 min后靜置2 h，在80℃下固化15 h完成后修飾.獲得的白色產(chǎn)物經(jīng)過離心洗滌、干燥12 h后，得到具有相反手性印跡（L/D‐CI）的樣品L‐CMS@D‐CI.

2 結(jié)果與討論

2.1 CMS的結(jié)構(gòu)表征

Fig.1 SEM images of L?CMS(A)and D?CMS(B)and TEM image of CMS(C)

由圖1（A）和（B）可以看出，L‐CMS/D‐CMS具有螺旋棒狀結(jié)構(gòu)，可以直接觀察到螺旋方向的不同，長度為2~3 μm.TEM照片［圖1（C）］中箭頭所示處的有序條紋證明CMS具有高度有序且徑向排列的螺旋孔道，這與Che等［14］所報道的結(jié)果一致.螺旋方向不同的棒狀外形和有序的螺旋孔道結(jié)構(gòu)均受手性模板劑、CSDA、溶液的pH值及反應(yīng)過程中攪拌速度、反應(yīng)時間和溫度等因素的影響［32］.CMS的氮氣吸附‐脫附等溫線如圖2（A）所示，沒有滯后環(huán)，且孔徑分布在2.1~3.5 nm之間［圖2（B）］，是比較典型的介孔材料［33］.L‐CMS和D‐CMS的比表面積分別為634.2和563.4 m2/g，相對壓強(qiáng)（p/p0）在0.4附近，孔體積為0.46和0.45 cm3/g，表明CMS為均勻的介孔結(jié)構(gòu).

2.2 CMS的對映選擇性吸附

為了評估CMS的手性識別及對映選擇性吸附能力，用鹽酸醇溶液洗掉殘留的模板劑得到L‐CMS和D‐CMS，使用CD光譜分別檢測了其對同手性丙氨酸分子的吸附能力，通過與吸附相反手性丙氨酸分子的能力進(jìn)行比較得到其對映選擇性.然后進(jìn)一步通過CD光譜直觀驗證了CMS對丙氨酸外消旋體混合溶液的對映選擇性吸附能力.為了避免顆粒散射或孔內(nèi)分子取向?qū)D信號的任何潛在影響，測量溶液中殘留丙氨酸對映體分子的CD信號從而確定CMS的吸附程度［34］.

單一分子吸附測試使用了0.1 mmol/L的L‐Ala和D‐Ala水溶液，然后將5 mg的L‐CMS和D‐CMS材料分別加入到同手性的上述溶液中.如圖3（A）和（C）所示，由CD光譜可以觀察到，隨著吸附時間的變化，因丙氨酸對映體分子被吸附而導(dǎo)致CD信號逐漸減弱，4 h后基本達(dá)到吸附平衡.根據(jù)橢圓度與濃度的關(guān)系θ=（100［θ］lc）/M（其中，θ是橢圓度；［θ］是摩爾橢圓度；l是波長；c是丙氨酸的濃度；M是丙氨酸的摩爾質(zhì)量），并利用濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線可以計算CMS對丙氨酸分子的吸附量［19］.如表1所示，L‐CMS和D‐CMS在4 h的最大吸附量分別為135和127 mg/g.選擇性吸附的能力則由α=Qcon/Qin（其中，α是對映選擇性因子；Qcon是對同手性丙氨酸分子的吸附量；Qin是對不同手性丙氨酸分子的吸附量）定義［19］，得到L‐CMS和D‐CMS的對映選擇性分別為1.36和1.35.圖3（B）和（D）中CD信號的強(qiáng)弱變化直觀顯示了CMS對丙氨酸外消旋體混合物的對映選擇性吸附程度.雖然L‐CMS和D‐CMS對DL‐Ala外消旋體的最大吸附能力略有差異［圖3（B）和（D）］，但仍舊可以清晰地看到其對外消旋體混合物中某個對映體的選擇性吸附傾向，我們把這個現(xiàn)象稱之為“相似相吸”.這主要是因為修飾于孔道表面的TMAPS呈螺旋排列的手性印跡的存在，而這些TMAPS分子的排列方式取決于手性模板劑初始的排列取向，因而也就能優(yōu)先吸附與之排列方向相似的手性分子［12］.

Fig.2 N2 adsorption?desorption isotherms(A)and corresponding pore size distributions(B)of L?CMS and D?CMS

Fig.3 Circular dichroism(CD)spectra of alanine enantioselective adsorption on CMSs

Table 1 Adsorption comparison of alanine by L?CMS and D?CMS*

為了證明TMAPS在介孔表面螺旋排列的手性印跡是否是CMS對映選擇性吸附的關(guān)鍵，對合成的L‐CMS進(jìn)行煅燒處理，并與溶劑萃取處理的結(jié)果進(jìn)行比較.經(jīng)過煅燒處理的L‐CMS對DL‐Ala外消旋體的吸附不具有選擇性［圖4（A）］，而經(jīng)過鹽酸醇溶液萃取得到的CMS對外消旋體混合物的吸附具有對映選擇性［圖3（B）和（D）］.由圖4（B）所示，經(jīng)過600℃的高溫煅燒CMS的TGA失重曲線緩慢下降，表明材料中已無有機(jī)組分.而鹽酸醇溶液萃取得到的CMS則有2個明顯的失重峰：第一個峰在150~300℃之間，可歸因于在合成過程中鍵合在CMS介孔表面TMAPS的季銨鹽官能團(tuán)的氧化分解；第二個峰在400~550℃之間，是由于二氧化硅表面的硅醇基團(tuán)縮合導(dǎo)致二氧化硅骨架脫水所致.季銨鹽的分解對應(yīng)著手性印跡的破壞，導(dǎo)致對映選擇性吸附能力的喪失，而硅羥基的減少（與紅外光譜中Si—OH峰強(qiáng)度降低一致）進(jìn)一步導(dǎo)致了CMS吸附活性的降低［27］.如圖4（C）所示，通過對比分析XPS全譜，可見鹽酸醇溶液萃取后的CMS具有N1s峰，這也與鹽酸醇溶液處理過的CMS保留了TMAPS（含N元素的季銨鹽基團(tuán)）有關(guān).紅外光譜［圖4（D）］中的2個樣品均具有二氧化硅的特征峰，Si—O—Si的彎曲振動峰出現(xiàn)在463.3和455.2 cm?1處，Si—O—Si對稱伸縮振動峰在798.4和792.6 cm?1處，Si—O—Si的不對稱伸縮振動吸收峰在1081.3和1076.4 cm?1處，Si—OH的反對稱伸縮振動峰位于3447.2和3445.5 cm?1處，表明不同的后處理方法均保留了二氧化硅框架［35］.圖4（D）顯示，由于—OH較強(qiáng)的紅外吸收作用，只能觀察到季銨鹽基團(tuán)［—（CH3）3N+］中—CH3在1478.2 cm?1處的變形振動峰，進(jìn)一步證明了TMAPS的存在.雖然不同后處理方法均能保留二氧化硅的框架，但只有鹽酸醇溶液萃取處理過的CMS保留了TMAPS（含有季銨鹽基團(tuán)），而TMAPS在CMS介孔表面組成的手性印跡是對映選擇性吸附的關(guān)鍵.

Fig.4 CD spectra of DL?Ala enantioselective adsorption on L?CMS after calcination(A),TGA curves(B),overall XPS survey spectra(C)and FTIR spectra(D)for the CMSs after calcination and extraction

2.3 原合成CMS的手性印跡反轉(zhuǎn)

CMS介孔表面的修飾有益于藥物遞送等應(yīng)用［36，37］，這里重點考查了孔道內(nèi)表面修飾與原陰離子表面活性劑超分子模板手性相反的超分子模板能否誘導(dǎo)TMAPS排列形成反向手性印跡，是否能誘導(dǎo)手性印跡的反轉(zhuǎn).實驗中使用與原合成CMS手性相反的手性陰離子表面活性劑作為超分子模板與TMAPS混合，使其修飾于孔道表面，分別形成具有相反手性印跡的D‐CMS@L‐CI和L‐CMS@D‐CI.如圖5（A）所示，在不改變原合成CMS形貌和孔道結(jié)構(gòu)的情況下，通過使用不同手性超分子模板劑在孔道表面誘導(dǎo)產(chǎn)生相反的手性印跡，實現(xiàn)對孔道表面手性印跡的原位調(diào)控.DL‐Ala外消旋體的對映選擇性吸附實驗［圖5（B）和（C）］直觀地表明經(jīng)過長時間（12 h）的吸附，介孔表面修飾后的CMS可以實現(xiàn)對外消旋體的對映吸附，對映吸附時間的延長可能與孔道內(nèi)擴(kuò)散困難有關(guān)［28］.實驗結(jié)果證實了通過對孔道表面分子印跡的調(diào)控可以使CMS的手性響應(yīng)（識別及吸附）發(fā)生反轉(zhuǎn)，并確定了CMS材料的吸附手性源自手性陰離子表面活性劑超分子模板的組裝取向經(jīng)TMAPS轉(zhuǎn)錄至CMS介孔表面而形成相應(yīng)的手性印跡，從而使原合成CMS具有了可調(diào)控的對映選擇性吸附及分離的能力.

Fig.5 Schematic of chiral imprinting(A)and CD spectra(B,C)of DL?Ala enantioselective adsorption on CMSs after chiral imprinting turning

3 結(jié) 論

使用TMAPS輔助組裝的手性陰離子表面活性劑超分子模板制備CMS，運用圓二色譜原位監(jiān)測了CMS的吸附過程，并成功實現(xiàn)了對丙氨酸外消旋體混合物的對映選擇性吸附與分離.對比煅燒和萃取兩種去除模板的方法，發(fā)現(xiàn)煅燒后的CMS不具備對映選擇性吸附，這可能是因為介孔表面的TMAPS的手性印跡被破壞所致.而手性超分子模板誘導(dǎo)TMAPS排列產(chǎn)生手性印跡的方法可實現(xiàn)在原合成CMS介孔表面進(jìn)行修飾從而產(chǎn)生反向手性印跡和反向?qū)τ尺x擇性吸附的目的.實驗證明，CMS的對映選擇性吸附主要是由手性超分子模板誘導(dǎo)TMAPS在介孔表面組成的手性印跡所致.此手性超分子模板誘導(dǎo)手性印跡的修飾方法具有一定的普適性，可根據(jù)需要對介孔材料手性特征進(jìn)行合成后調(diào)控，對于立體選擇性識別、不對稱催化、農(nóng)用化學(xué)品和醫(yī)藥產(chǎn)品的生產(chǎn)以及生物傳感器等方面的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義.