基于砷化镓的光学传感器对氨基酸的手性识别研究

Chiral recognition of amino acid enantiomers are a hot research topic in chemistry, biology and interdisciplinary field. Most of the chiral receptors reported have two main drawbacks in their applications: 1) recognition process carry out in an organic solvent, instead of in physiological environments, 2) detection instruments are complex, and the signal is far from easy to read. Those have limited their application in enantiomeric separation and new drug R & D. Semiconductor gallium arsenide exhibit unique optical properties. This project intends to link it with cyclodextrin by covalent bond to develop novel chiral sensors, which can overcome the shortcomings mentioned above. The main procedures are as following: first, a self-assembled monolayer of organic thiols is grown on the surface by the coordinated interaction between –SH and surface atoms (Ga, As). Secondly, in order to get bio-functionlized surface, we are going to immobilize cyclodextrin as chiral binding site, due to its unique cavity structure and natural chiral characteristics. Finally, amino acid anions are selectively dragged onto the surface, if their spatial structure matches well with cyclodextrin. These processes always induce surface dipole change, resulting in the fluctuation of photoluminescence signal，which realize the chiral recognition to amino acid. This project tends to apply a convenient, efficient and sensitive way for chiral recognition of amino acid enantiomers under physiological condition.

对氨基酸对映体的手性识别是化学、生物学等领域的热门研究课题。目前已报道的大多数手性受体在应用方面主要有两个弊端：1）识别过程是在有机溶剂中，而非生理环境中进行的；2）检测手段复杂，信号不易直接读取。这些缺点限制了它们在对映体拆分和新的特效药的研发等方面的应用。半导体砷化镓（GaAs）具有独特的光学性质，本项目将其与环糊精（CD）以共价键连接起来，发展的手性传感器将克服以上缺点。主要步骤如下：首先，利用巯基(-SH)与GaAs表面的原子的配位作用，在表面长一层有机分子的自组装单层膜。其次，将CDs固载到GaAs表面作为手性识别位点，得到功能化的芯片。最后，利用CDs对识别对象的特异性络合，将手性氨基酸阴离子拉到GaAs表面。由于与阴离子络合前后，表面偶极发生改变，导致光致发光信号改变，从而达到识别的目的。本项目的实施将提供一种方便快捷、在生理环境中对氨基酸对映体有灵敏响应的手性识别的新方法。

GaAs是重要的Ⅲ-Ⅴ族系化合物半导体材料之一，它具有较高的饱和电子速度和电子迁移率。相比较于Si而言，GaAs是直接带隙半导体材料，能够在872 nm处产生强烈的光致发光。由于GaAs的表面晶格中三维重复排列周期的中断，极易吸附空气中的氧以及其它杂质，导致很高的表面态密度，大大削弱了它的发光强度。通过化学钝化的方法除去表面态，改善GaAs的发光性能一直是人们探索的重要课题。我们在GaAs的表面通过巯基和Ga/As的作用，自组装了末端含有羧基的单分子层，并且把环状多胺配体Me2Cyclen通过EDC/NHS的催化作用固定在GaAs表面，所得到的芯片成功实现了对金属离子的无标记近红外传感。我们的研究结果表明，通过化学修饰，可使GaAs在近红外传感领域有广泛的应用前景。为了进一步降低GaAs的表面态浓度，我们利用HgCl2/Hg2Cl2的氧化还原电势，在没有其它还原剂存在的条件下，通过置换的方法在GaAs表面均匀的生长了Hg2Cl2 nanoplates（200 nm）,然后将芯片浸入到HDT溶液中，利用巯基的还原作用，除去了As2O3和As0等显著影响表面态的成分，GaAs的光学信号增强了4倍。通过这一方法制备的具有显著改善光子信号的三维复合材料，为电子和光电器件的制备开辟了新的途径。另外，我们合成了具有C2对称的手性大环二氧多胺，并利用其金属配合物,实现了对组氨酸的选择性识别，且表现出对一定的对映体的选择性。在该项目的支持下，我们已经在Sensors and Actuators, B: Chemical，Applied Surface Science等期刊上发表相关科学论文12篇，培养硕士研究生3名。