手性是生命的基礎(chǔ)，不同構(gòu)型的手性分子具有迥異的生理活性，以氨基酸等為代表的手性分子主要以L-構(gòu)型的形式在人體中發(fā)揮多樣化功能。自上世紀(jì)60年代的“反應(yīng)停”事件之后，手性分子的拆分及識(shí)別等是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、藥物等行業(yè)領(lǐng)域的核心要求，精準(zhǔn)定量識(shí)別關(guān)鍵手性功能分子是維護(hù)人體健康的重要保障。乳酸是最小的手性生理功能分子，是人體新陳代謝的關(guān)鍵產(chǎn)物，及時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)L-乳酸分子的濃度變化能夠及時(shí)反饋人體健康狀態(tài)。不同構(gòu)型手性乳酸分子間的位阻差異極小，且乳酸自身缺乏特殊的化學(xué)反應(yīng)活性，設(shè)計(jì)構(gòu)建新型高效的非酶手性乳酸快速識(shí)別技術(shù)目前仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。

近日，鹽城工學(xué)院解明華、楊秀麗團(tuán)隊(duì)在Advanced Materials期刊上發(fā)表了題為“Chiral MOF Derived WearableLogic Sensor for Intuitive Discrimination of Physiologically Active Enantiomer”的研究成果，報(bào)道了一例基于手性金屬有機(jī)框架（MOFs）的可穿戴邏輯門薄膜器件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體汗液中L-乳酸的可視化手性定量識(shí)別，以L-乳酸等為輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)了手性蘊(yùn)函（implication）型邏輯計(jì)算功能。這是首個(gè)基于MOFs的可穿戴手性邏輯門器件，為健康檢測(cè)智能設(shè)備研發(fā)提供了借鑒。

作者以天然可食用的γ-環(huán)糊精構(gòu)筑的CDMOF為手性識(shí)別器，原位引入兩個(gè)具有相反pH響應(yīng)活性的探針分子RGH和TCN，構(gòu)建了具有手性乳酸可視化定量識(shí)別功能的新材料RT@CDMOF。手性γ-環(huán)糊精基于位阻、氫鍵等提供識(shí)別功能，選擇性捕獲L-乳酸分子，利用羧基的酸性質(zhì)子解離進(jìn)而引發(fā)RGH和TCN顏色、熒光發(fā)射的雙重變化，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)乳酸的可視化手性檢測(cè)。研究表明：在L-乳酸存在下，RT@CDMOF顏色逐漸由藍(lán)色變?yōu)樽仙詈笞優(yōu)榧t色；同時(shí)其較暗的玫紅色熒光逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槊髁恋狞S色熒光，展現(xiàn)出雙通道可視化變化活性。相對(duì)地，D-乳酸僅能引發(fā)RT@CDMOF輕微的顏色及熒光變化，表現(xiàn)出極高的對(duì)映選擇性（圖1）。以熒光發(fā)射的比率變化為計(jì)算依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)L和D構(gòu)型乳酸的定量識(shí)別。

圖1 對(duì)手性乳酸的變色、熒光定量識(shí)別

作者分別通過原位FT-IR及QCM研究了乳酸手性識(shí)別的變化過程，結(jié)果表明RT@CDMOF優(yōu)先選擇性吸附L-乳酸。進(jìn)一步將乳酸吸附樣品進(jìn)行了MAS-NMR研究，揭示了在CDMOF框架結(jié)構(gòu)內(nèi)乳酸質(zhì)子解離的動(dòng)態(tài)過程，并通過EIS進(jìn)行了驗(yàn)證，揭示了乳酸分子在MOF孔道內(nèi)酸性質(zhì)子解離進(jìn)而引發(fā)RGH和TCN雙重光學(xué)信號(hào)變化的手性識(shí)別機(jī)理（圖2）。該假設(shè)機(jī)理獲得了DFT理論模擬計(jì)算的驗(yàn)證支持（圖3），結(jié)果表明L-乳酸優(yōu)先進(jìn)入γ-CD孔道內(nèi)，其摩爾識(shí)別反應(yīng)焓比D-乳酸低16.59?KJ/mol，RT@CDMOF對(duì)L-乳酸的識(shí)別具有動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的雙重優(yōu)先選擇。

圖2 基于原位FT-IR、QCM、MAS-NMR及EIS的手性識(shí)別機(jī)理研究

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圖3 基于DFT模擬計(jì)算的手性乳酸識(shí)別模型

作者進(jìn)一步以PES為基質(zhì)制備混合基質(zhì)膜（圖4），該RT@CDMOF薄膜器件具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度及柔韌性，能夠承受25.12 MPa的拉伸力，彎曲曲率高達(dá)667/m，且能夠剪裁為任意形狀以靈活使用。該薄膜的厚度約為11?μm?~ 12 μm，RT@CDMOF納米顆粒均勻分布其中，被穩(wěn)定的PES包覆，提升了其化學(xué)穩(wěn)定性。測(cè)試表明，所制備的薄膜具有極高的水穩(wěn)定性，水中浸泡一周仍良好保持其中RT@CDMOF的結(jié)晶性，完美解決了CDMOF自身的水穩(wěn)定性缺陷，為人體檢測(cè)應(yīng)用提供了保障。

圖4 基于RT@CDMOF的柔性薄膜器件

作者進(jìn)一步測(cè)試了RT@CDMOF薄膜的乳酸手性識(shí)別性能，結(jié)果表明在制備成薄膜后良好保持了原有的優(yōu)秀手性識(shí)別活性，經(jīng)過100次彎折后仍能良好保持原有性能。以人體汗液中的乳酸為目標(biāo)對(duì)象，研究團(tuán)隊(duì)測(cè)試了薄膜在人體運(yùn)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用（圖5）。將薄膜貼敷在志愿者體表，隨著運(yùn)動(dòng)程度增加，人體排汗增多，薄膜的顏色及熒光均表現(xiàn)出顯著變化，通過與預(yù)先測(cè)定的比色卡對(duì)比，可以直觀讀出當(dāng)前的體表汗液中乳酸水平，為運(yùn)動(dòng)程度監(jiān)測(cè)反饋提供了直觀手段，有效避免了過度運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的健康損傷問題。

圖5 RT@CDMOF薄膜的可視化乳酸識(shí)別及人體運(yùn)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用

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圖6 以L-乳酸為輸入的手性IMPLICATION型邏輯門

基于RT@CDMOF薄膜的優(yōu)秀乳酸識(shí)別能力，作者進(jìn)一步以L-乳酸及UV為輸入，顏色和熒光變化為輸出，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一例新穎的手性IMPLICATION型邏輯門單元，通過顏色及熒光的雙重信號(hào)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)L-乳酸水平的邏輯計(jì)算，為可穿戴智能設(shè)備研發(fā)提供了核心支持。

綜上所述，該研究成果代表了首個(gè)基于MOFs的手性可穿戴邏輯門研究案例，展示了基于手性MOFs開發(fā)新穎手性識(shí)別技術(shù)的全新研究思路，提供了一種由生物語言向計(jì)算機(jī)語言的高效轉(zhuǎn)譯方案，對(duì)于手性MOFs研究及智能健康設(shè)備研發(fā)具有重要意義。該成果獲得了國家自然科學(xué)基金（22171239，21775136，21771158，52150410423），江蘇省自然科學(xué)基金（BK20221406）及江蘇省重點(diǎn)研發(fā)社會(huì)發(fā)展（BE2022772）等項(xiàng)目的支持。

審核編輯：劉清