聚L-谷氨酸/直链淀粉修饰玻碳电极对色氨酸对映体的选择性识别

摘要

本发明涉及聚L-谷氨酸/直链淀粉修饰玻碳电极对色氨酸对映体的选择性识别。包括以下步骤：制备聚L-谷氨酸修饰玻碳电极、制备聚L-谷氨酸/直链淀粉修饰玻碳电极、对色氨酸对映体的选择性识别。本发明的有益效果是：聚L-谷氨酸/直链淀粉修饰玻碳电极的制备方法简单、便捷、无污染，该修饰电极对色氨酸对映体有着较好的识别效果。这归因于直链淀粉对色氨酸对映体的立体选择性。

说明书

技术领域

本发明涉及聚L-谷氨酸/直链淀粉修饰玻碳电极对色氨酸对映体的选择性识别，属于电化 学传感器和分子识别领域。

技术背景

实际生活中构成生命活动中的物质如蛋白质、多糖、核酸、氨基酸等几乎都是具有手性 的。对于手性化合物，当不存在外部手性环境时，两个对映体除光学活性外，具有完全相同 的化学和物理性质，其表现为相同的熔点、溶解度、红外光谱、核磁共振谱，在气相和液相 色谱上也具有相同的保留时间。然而当手性化合物处于手性环境时，两个光学异构体就表现 不同的行为，导致不同的性能。如手性药物，因其立体构型不同，与受体之间的相互作用也 就存在不同的药理和药效关系；生化反应过程的立体选择性、各类天然有机手性化合物的立 体构型、高分子材料的立体构型等都与手性分子的立体构型、生物活性有关，可见，手性识 别的研究具有重要的理论和实际研究意义。目前，手性识别研究方法主要包括手性色谱，光 谱和电化学手性传感器。其中色谱方法已经被广泛用于分离分析手性化合物，并且证明是一 种有效的手性分析方法，但是该方法也存在一定的缺点，例如比较容易引起生物类手性选择 剂和分析化合物的构型变化或失活，而且仪器成本高，分析时间长，特别难以实现原位和在 线检测等。电化学传感器因其制备简单、成本低、识别效率高等优点，用来识别手性物质具 有很广泛地研究价值。

氨基酸手性识别对蛋白质化学、生物化学和整个生命科学研究以及产品开发、质量控制 和生产管理等具有重要意义。氨基酸与生物的生命活动有着密切的关系，大多氨基酸具有手 性异构体。D-型和L-型对映体的生理作用迥异，L-型氨基酸是人体所需氨基酸，而摄入过量 D-型氨基酸会引起中毒。在营养学上D-型似乎没有意义，但它却倍受医药工作者的青睐，如 氨基酸类抗生素中，D-型氨基酸难以被细菌降解，而不致产生抗药性。这无疑将为抗生素的 利用提供更为广阔的前景。所有这些都涉及到手性氨基酸的拆分问题，制备纯的手性化合物 在生命科学、药物化学、精细化学等领域均具有重要意义，备受化学家、生命学家的重视。 因此采用适当的技术对其进行准确的识别、分离和提纯显得尤为重要。

直链淀粉，是高分子碳水化合物，是一种天然的多糖。直链淀粉是D-六环葡萄糖经α-1,4- 糖苷键组成，是双螺旋结构。淀粉作为一种重要的工业原料，广泛的应用于食品、化工、纺 织及建材等行业中。直链淀粉具有良好的成膜性，其分子具有丰富的-OH，从而使得直链淀 粉对许多离子、有机物以及生物分子具有离子螯合、吸附等作用，直链淀粉及其衍生物可用 作手性识别材料。

发明内容

针对技术背景中存在的问题，本发明的目的是通过聚L-谷氨酸/直链淀粉修饰玻碳电极对 色氨酸对映体的选择性识别。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：聚L-谷氨酸/直链淀粉修饰玻碳电极对色氨 酸对映体的选择性识别，包括以下步骤：

a、制备聚L-谷氨酸修饰玻碳电极：配制L-谷氨酸溶液(溶剂为0.1～0.3M磷酸二氢钠， pH＝6～7),采用循环伏安法将其沉积在玻碳电极表面，得到聚L-谷氨酸修饰玻碳电极。

b、制备聚L-谷氨酸/直链淀粉修饰玻碳电极：将制备的聚L-谷氨酸修饰玻碳电极浸入20 ～30mL直链淀粉溶液中，在8℃下自组装18～28h，得到聚L-谷氨酸/直链淀粉修饰玻碳电 极。

c、对色氨酸对映体的选择性识别：采用差分脉冲法来识别色氨酸对映体，将聚L-谷氨酸 /直链淀粉修饰玻碳电极静置在不同温度(2～42℃)下的20～30mL色氨酸对映体溶液中(静 置时间30～90s)，以0.1～0.5V/s的扫速在0.4～1.0V(vs.SCE)的电化学窗范围内进行差 分脉冲，每次测完后修饰电极在20～30mL空白溶液(0.1～0.3M磷酸二氢钠，pH＝6～7) 中扫稳恢复电极活性。

进一步地，步骤a中L-谷氨酸的浓度为0.03～0.06M。

进一步地，步骤b中直链淀粉的浓度为1～3mg/mL。

进一步地，步骤c中色氨酸对映体的浓度为0.2～1mM。

本发明的有益效果是：聚L-谷氨酸/直链淀粉修饰玻碳电极的制备方法简单、便捷、无污 染，该修饰电极对色氨酸对映体有着较好的识别效果。这归因于直链淀粉对色氨酸对映体的 立体选择性。

附图说明

下面结合附图对本实验进一步说明。

图1为实施例一中不同修饰电极的循环伏安图；图1中a:玻碳电极，b:聚L-谷氨酸修 饰玻碳电极，c:聚L-谷氨酸/直链淀粉修饰玻碳电极。

图2为实施例二中聚L-谷氨酸修饰玻碳电极(a)和在不同温度下制备的聚L-谷氨酸/直 链淀粉修饰玻碳电极的循环伏安图；b:4℃，c:8℃，d:12℃，e:20℃。

图3为实施例三中不同自组装时间对识别的影响。

图4为实施例四中温度对识别的影响。

图5为对比例一中四种不同修饰电极对色氨酸对映体氧化峰电流比值的柱状图，A:玻 碳电极，B:聚L-谷氨酸修饰玻碳电极，C:直链淀粉修饰玻碳电极，D:聚L-谷氨酸/直链 淀粉修饰玻碳电极。

具体实施方式

现在结合具体实施例对本发明作进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发 明的进一步限定。

实施例一：

(1)配制2mg/mL直链淀粉溶液(溶剂为超纯水)。

(2)配制0.05mML-谷氨酸溶液(溶剂为0.1M磷酸二氢钠，pH＝7)，采用循环伏安法 将L-谷氨酸沉积在玻碳电极表面，电位范围为-0.6～2.0V，扫速为0.1V/s，扫描圈数为20 圈，得到聚L-谷氨酸修饰玻碳电极。

(3)将步骤2制备得到的聚L-谷氨酸修饰玻碳电极在8℃下静置在步骤1配制的溶液中 自组装24h，得到聚L-谷氨酸/直链淀粉修饰玻碳电极。

(4)将步骤2、3制备得到的电极静置在5mM铁氰化钾溶液中，采用循环伏安法进行表 征，电位范围为-0.2～0.6V，扫速为0.1V/s，扫描圈数为20圈，其结果如图1所示。

实施例二：

为了考察不同的自组装温度制备的聚L-谷氨酸/直链淀粉修饰玻碳电极对色氨酸识别能 力的差异。因此，自组装的时间分别采用4℃、8℃、12℃和20℃。其结果见图2，可见 当自组装的温度为8℃时，其循环伏安图的电流最低，这是由于直链淀粉弱的导电性所致。 可见，自组装的温度为8℃时直链淀粉装载到电极上面的量最多。

实施例三：

为了考察不同的自组装时间制备的聚L-谷氨酸/直链淀粉修饰玻碳电极对色氨酸识别能 力的差异。因此，自组装的时间分别采用8h、12h、15h、18h、20h、22h、24h和26h。 其结果见图3，可见当自组装的时间为24h时，L-/D-色氨酸的氧化峰电流比值达到最大,当 自组装时间较短时，直链淀粉自组装到电极上的量小，导致识别能力较低。随着自组装时间 的增加，直链淀粉自组装到电极上的量逐渐增加，当自组装的时间为24h时，直链淀粉自组 装量达到饱和，能够有效识别色氨酸对映体。但随着自组装时间继续增加，直链淀粉自组装 量过多，过多的直链淀粉导致聚L-谷氨酸膜的破损，从而不利于识别。

实施例四：

为了考察聚L-谷氨酸/直链淀粉修饰玻碳电极在不同的温度下对色氨酸识别能力的差异。 因此，分别采用2℃、4℃、8℃、12℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、37℃和42℃。 其结果见图4，可见当温度为37℃时，L-/D-色氨酸的氧化峰电流比值达到最大。当4℃时， 由于水分子自身相互作用，从而限制其运动，使该体系主要水分子相互形成的氢键为主，抑 制直链淀粉与色氨酸之间氢键的形成，导致该体系识别效率较低。当随着温度升高，水分子 相互作用逐渐减弱，导致水分子之间的氢键逐渐开始破坏，水分子与D-色氨酸之间氢键的逐 渐形成，识别效率逐渐升高。与L-色氨酸相比，当8℃时，水分子与D-色氨酸之间形成稳定 的单氢键，D-色氨酸更难穿透直链淀粉螺旋结构到达电极表面，因此得到了较高的识别效果。 当随着温度继续升高至37℃时，达到了最高的识别效果，这是由于水分子与D-色氨酸之间 形成稳定的双氢键。但随着温度继续升高，稳定的双氢键受到破坏，导致主客体相互作用减 弱，识别效率下降。

对比例一：

制备玻碳电极、聚L-谷氨酸修饰玻碳电极、直链淀粉修饰玻碳电极和聚L-谷氨酸/直链淀 粉修饰玻碳电极，比较这四种电极对色氨酸对映体的识别能力。

其结果见图5，可以看出，玻碳电极和聚L-谷氨酸修饰玻碳电极对色氨酸对映体几乎没 有识别效果。直链淀粉修饰玻碳电极对色氨酸对映体的氧化峰电流比值为1.42，这可能是由 于直链淀粉吸附在玻碳电极上的量较少，导致识别效果较低。但这个问题可以通过在玻碳电 极上修饰L-谷氨酸而得到解决。聚L-谷氨酸/直链淀粉修饰玻碳电极对色氨酸对映体的氧化峰 电流比值达到2.67。与直链淀粉-D-色氨酸相比，直链淀粉-L-色氨酸有更高的电流，这说明有 更多的L-色氨酸穿透直链淀粉的螺旋结构到达电极表面。直链淀粉-D-色氨酸更低的电流说明 当色氨酸的吲哚基团进入直链淀粉的螺旋结构时，与L-色氨酸相比，由于D-色氨酸较小的空 间位阻，D-色氨酸上的-NH₂可以与直链淀粉中的结晶水形成稳定的氢键，使其更有利于D- 色氨酸的包合。正因为如此，D-色氨酸更难穿透直链淀粉的螺旋结构到达电极表面，导致更 低的电流。各个修饰电极电化学识别色氨酸对映体的顺序为：聚L-谷氨酸/直链淀粉修饰玻碳 电极>直链淀粉修饰玻碳电极>聚L-谷氨酸修饰玻碳电极≈玻碳电极。

本发明制备了聚L-谷氨酸/直链淀粉修饰玻碳电极对色氨酸对映体的选择性识别。结果表 明，在色氨酸对映体的浓度为0.5mM，自组装时间为24h，自组装温度为8℃，识别温度为 37℃的条件下，识别效率达到最大。