【编委专辑】北京大学朱志伟研究员：碳纳米管原生手性电化学传感器应用研究进展

引用本文： 旷文祝，杨洋，罗红霞，等. 碳纳米管原生手性电化学传感器应用研究进展[J].化学试剂, 2023, 45(6): 69-77. DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2023.0068

朱志伟 《化学试剂》编委

北京大学化学与分子工程学院研究员，博士生导师，科研兴趣主要围绕分析化学方法的灵敏度及选择性等科学问题，开展基于功能化纳米材料的生物电化学传感性能研究，探索电化学传感新原理，发展简单、经济、高灵敏度和高选择性的生物电化学传感新方法。先后主持包括国家自然科学基金委员会重点项目和面上项目在内的科研项目共9项，发表学术论文120余篇，获授权中国发明专利2项。研究成果\"软界面电分析化学的若干问题研究\"获2012年教育部高等学校科学研究优秀成果自然科学类一等奖，研究成果\"基于纳米材料构建电催化和传感界面的新方法\"获2017年中国分析测试协会二等奖。

背景介绍

【资料图】

对手性物质进行识别研究在化学生物学及药学等领域具有重要的意义。手性识别方法主要有波谱法、色谱法和传感器法等。其中，由于手性电化学传感器具有简单快速、价格低廉、灵敏度高等优点而得到广泛应用。碳纳米管可看作是由石墨片卷成的圆柱体，其不同的结构形态由参数(n,m)来确定，n≠m≠0时的单壁碳纳米管可表现出手性，而以化学气相沉积法制备的短径多壁碳纳米管也可能具有手性。2002年法国的Girardet课题组就从理论上证明了手性分子能被手性单壁碳纳米管所识别，但一直没有实验证据。2013年北京大学朱志伟课题组首次以实验证明了基于碳纳米管原生手性构建手性电化学传感器的有效性，并提出了放大碳纳米管原生手性的新策略。

文章亮点

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详细总结了近十年来碳纳米管原生手性电化学传感器的研究进展，包括其构建方法、识别机理以及相关应用；

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讨论了碳纳米管原生手性电化学传感器领域现存的挑战，展望了其未来的发展前景。

内容介绍

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手性识别机理

手性识别过程中两种对映体分别与手性选择剂的分子间作用力会产生微小差别。该作用力主要包括库仑力、氢键、 π-π堆叠以及范德华力等，且常常为几种作用力共同驱使，其中最强的一种占有主导地位 ^[11]。由此形成的两种瞬态非对映异构体复合物有着不同的立体构型、结合能或溶解平衡常数。手性识别可将这种微小的差别转化为放大的信号差异，从而实现区分。分子间复杂的相互作用力，致使手性识别的机理十分复杂。其中较为知名的模型包括：三点作用、锁钥理论和包合作用等 ^[12,13]。 图1 三点作用模型 ^[13]Fig.1 Three-point interaction model ^[13]

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电化学传感器

相较传统的手性识别方法（波谱法、色谱法等） ^[3-6]，电化学传感器法操作简单、灵敏 度高、价格低廉。但电化学传感器识别界面理论塔板数较低（相对色谱分离而言）。为克服这一难题，科学家们尝试各种方法提高塔板效率，已取得明显成果 ^[7-10]。

2.1CNTs原生手性电化学传感器

2.1.1原生手性电化学传感器

手性电化学传感器的关键在于识别界面的构建 ^[21]。不同材料用于搭建此界面，如环糊精 ^[19]、糖类 ^[22]、蛋白质 ^[23]等，提供手性结合位点。

2.1.2 CNTs原生手性结构

CNTs 的结构可看成由单层或多层石墨烯围绕同一中心轴、按一定螺旋角卷曲而成。

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CNTs原生手性电化学传感器原理

3.1CNTs原生手性电化学传感器理论基础

关于 CNTs 的手性拆分能力，科学家先从理论角度进行了分析。 图2 SWCNTs 识别丙氨酸对映体 ^[47]Fig.2SWCNTs for the recognition of alanne enantiomers ^[47]

3.2CNTs原生手性电化学传感器实验基础

除理论研究外，科学家还从实验角度探索了 CNTs 用于手性电化学传感器的可行性。

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CNTs原生手性电化学传感器研究进展

近十年来， CNTs 原生手性电化学传感器的研究取得了一些进展（表 1 ），其相关报道如下所述。 表1不同 CNTs 原生手性电化学传感器比较^注Tab.1Comparison of different “Inherent Chirality”-based electrochemical sensors

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结论及展望

本文综述了 CNTs 原生手性在电化学传感器中应用的最新进展，详细比较了各类传感器的搭建方式及识别机理，旨在推动 CNTs 原生手性电化学传感器的发展。同时发现，由于 CNTs 优良的电化学性能、较大的比表面积、较好的生物相容性以及其独特的原生手性，将其用于手性电化学传感器的构建，能使识别过程简单高效、灵敏快速，为对映体识别机理的研究和普适性电化学传感器的开发提供了新思路。

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