环境分析中的手性识别方法展望

赵艳梅吴 环杨季冬，2＊

（1.重庆三峡学院环境与化学工程学院，重庆万州 404100）（2.长江师范学院化学与化工学院，重庆涪陵 408100）

环境分析中的手性识别方法展望

赵艳梅1吴 环1杨季冬1，2＊

（1.重庆三峡学院环境与化学工程学院，重庆万州 404100）（2.长江师范学院化学与化工学院，重庆涪陵 408100）

环境中广泛存在着众多的天然和人工合成的手性对映体，手性对映体主导着自然界的奇妙和生命的奥秘．在环境分析中需要探索手性对映体污染物的作用和变迁，自然环境中的手性环境能自然开启手性识别和激活手性，而人为介入的手性识别需要高灵敏度和高选择性相结合的分析手段．许多高灵敏度且简便易行的光谱分析方法，借助有机染料、纳米粒子或量子点等手性选择性试剂，或合成设计某些光散射探针试剂可形成高效的选择性手段．筛查手性选择性试剂或手性光散射探针试剂与荧光、散射相结合的手性识别则是一项创新工作．发展不经分离而同时测定手性污染物的新分析方法是一项有意义的探索．

环境分析；手性识别；分离分析；同时测定

1 引 言

手性（chirality）源于希腊语，意指一个物体与其镜像不重合，就如同我们左右手呈镜像对称却不重合，形成手性对映体(enantiomer)．在人类环境中存在众多的天然和人工合成的手性对映．其中，共存的手性对映体污染物质，对我们的生态环境和人体健康都有不同程度的影响．手性污染物的不同对映体的生物毒害作用不一样，对应的环境行为及降解和生物代谢过程也有所不同．因此，分离分析和测定环境中的手性污染物，弄清楚手性污染物不同对映体在环境中的行为和生物效应，表征和探索手性对映体的作用和变迁是必要的．但环境中存在的手性污染物的分析研究是困难的，因为它们的差异只有在生命组织中或在手性环境中能够被手性识别，而人为的测量和表征是极为困难的，因为手性对映体是极其相似而难以分离的．目前的手性分析研究多是先分离后分析，而在特殊需求下，不经分离而同时测定手性对映体的工作是具有挑战性的．而环境分析中对手性污染物的研究还鲜见报道，所以在环境分析中的手性识别研究是具有前瞻性的课题[1-2]．

2 环境中主要手性污染物

手性污染物主要源于天然产物中的手性物释放，合成手性物的排放，手性药物或手性农药的使用及扩散．手性污染物可以分布在土壤、水、大气环境中，以添加剂形式分布在食品、化妆品和保健品中．手性污染物主要分类为：含杂环的多苯芳烃类手性污染物，手性农药等．这里主要介绍三类易见的手性污染物．

2.1 多氯联苯（Polychlorinated biphenyls，PCBs）

多氯联苯是以联苯为原料在金属催化作用下，经高温氯化生成的氯代芳烃，其分子通式为C12H(10-n)Cln，是一类典型的持久性有机污染物[3]．由于PCBs化学性质稳定，具有许多优越的物化性能，因而被广泛用作电力设备的绝缘液、化工油漆、塑料及其它工业、农业和生活资料中的添加剂等．由于广泛使用和扩散，因其具有持久毒性和生物累积性而给人类环境带来了严重的危害．PCBs具有亲脂憎水性，易通过生物富集过程在生物体内聚集．

据报道在人乳和蓝鲸组织中检出高浓度的PCB132和PCB149，并发现存在显著的手性选择性．在PCBs结构中，因氯原子取代数量和取代位置的不同，理论上共有209种PCBs同系物，其中有78种因分子存在手性轴而具有手性，但大多数同系物由于其消旋反应能在室温下迅速进行异构转化．只有存在异构现象的19种在室温环境下稳定存在．这些异构体在各向同性的环境中表现出相同的物理和化学性能，而在各向异性的环境中的生化过程和毒性则表现出明显的对映体选择性[4]．

2.2 杂环的多苯芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons with heterocycle，PAHH）

芳香烃在高温下聚合反应生成复杂构型的多苯芳烃，由于没有对称中心和对称面而具有手性，当再与手性杂环聚合后，更易生成复杂多样的手性高聚物．现代生活中烧烤蛋白类、肉类组织等食物的热聚焦化反应会产生有毒有害物质多苯芳烃是确定无疑的，而在多种杂环化合物存在下，进而聚合反应生成含杂环的多苯芳烃．以前都把这些高聚物当作多苯芳烃的同系物来处理，其实这里面的手性对映体也是大量存在的，在各向异性的环境中它们会表现出若干不同的差异，其中不乏更具毒性的环境行为和生态效应，只是现在还缺乏实验数据．

热聚焦化反应产生的多苯芳烃是多种多样的，形成众多异构的芳烃同系物．同样在环境中大量存在的手性杂环以多种形式加入热聚反应中，就会形成许多手性对映异构体，这些对映体在水环境和土壤环境中可能会被吸收转化，而在大气环境中它们会长时间的飘浮存在，在遭遇到合适的载体时，它们便会发挥出明显的对映体选择性环境行为．

2.3 手性农药（Chiral Pesticides，CP ）

农药残留是最显著的环境污染物来源．作为杀虫剂、除草剂和卫生除害的农药使用历史较长、用量大、品种多．其中杀虫剂具有高速率和高效率[5]，是最优先选择的污染物．首先，多年来杀虫剂的使用反导致了作物的大幅减产，这是由于昆虫、杂草和植物疾病形成农产品的生态需求，因而这些杀虫剂的毒理学性质对人类环境造成了一定风险[6]．其次，杀虫剂具有持久性，移动性，能够在食物链中发生高度生物积累，能通过生殖毒性，致癌性，致突变性或内分泌干扰效应等对人类造成伤害[7]．除此之外，杀虫剂及其代谢物可通过地表径流进入海洋和淡水水域．从而造成严重的水生环境危害，严重影响饮用水的质量[8]．

随着人们对杀虫剂的不断研究，手性杀虫剂的研究也渐渐进入人们研究的范畴．具有手性的杀虫剂据市场报道已占25%左右[9]．诸如2，4’一滴滴涕(o，p’-DDT)，滴滴滴(o，p’-DDD)，六六六（α-HCH），氯丹（CHL），三氯杀蜗醇（o，p’-Dieofol），七氯(heptaehlor)和毒杀芬(toxaPhene)，拟除虫菊酯（Synthetic pyrethroids，SPs）等均存在手性对映体．这些杀虫剂有些是因为其分子中存在手性中心而具有手性，有些是因为分子中存在手性平面而具有手性，而它们大都以外消旋体的形式出现，但目前都把它们作为单一物种来处理．在环境监测中发现其 ER值（对映体浓度比值）的变化，则可进一步跟踪分析其对映体选择性行为[10]．

3 环境分析中的手性识别

手性对映体由于它们的分子立体结构在生物体内及在各向异性的环境中引起不同的“分子效应”形成的现象称为“手性识别”．手性对映体具有很强的镜像对称规律，具有立体专一性，其在各向同性的环境中物理化学性质相似，难以辨识．而在各向异性的环境中却有决定着对映体选择性行为的不同差异．在自然环境中，只有对应的手性环境即各向异性环境才是开启手性识别和手性激活的关键钥匙．随着对环境意识的加强，环境分析也渐渐受到人们的重视，而对环境中手性物质的分析逐渐成为一项富有挑战性的课题．在各向异性的环境中的手性对映体，其选择性的环境行为不尽相同，从而产生的环境效应大为不同．例如，除草剂异丙甲草胺（Metolachlor）[11]，四种异构体中只有两种有活性，且S-构型对靶标生物体的活性明显的高于R-构型；R-型的芳氧羧酸类除草剂吡氟禾草灵对1年生及多年生禾本科杂草具有杀伤力，其对映体则是无效的；杀菌剂多效唑（Paclobutrazol），RR型有高杀菌作用，对植物生长控制作用低；而SS型则有低杀菌作用，对植物生长控制作用高；杀虫剂苄氯菊酯（Permethrin）[12]，D构型比L构型毒性大的多．手性污染物的不同对映体不仅对生物体的作用不一样，且它们在环境中的降解过程和生物代谢中也有选择性差异．如PCBs在不同的土壤类型中残留量不一样，土壤的pH会影响PCBs对映体的残留比例[13]；杀虫剂甲霜灵R-型表现出生物活性，且在环境中的降解速率较快，所以很多国家采用精-甲霜灵（含 ＞ 97%的R-型甲霜灵）代替甲霜灵，目的是为了减少农药对环境的残留污染；除草剂异丙甲草胺在不同生物体内的的代谢具有对映体选择性．同时，由于单一手性农药具有相对成本低、用药量少、药效高、三废少、对作物和生态环境更安全以及极具市场竞争力等优点，手性农药的开发已经成为了21世纪新农药开发的热点．农药行政管理部门趋向于只选择所需光活性异构体的注册，不认可无效体，以免将其施放到环境中污染环境．

目前，无论是天然提取还是人工合成的手性物质的生产和使用已相当普遍，在环境中的扩散也在日趋漫延．环境中手性物质的分离分析和测量、表征具有更重要的研究意义．在环境分析中“手性识别”用到一个重要概念，即以对映体浓度比值ER(Enantiomer Ratios)来描述手性对映体在环境中的行为，ER=[R]/[S]，当ER=1时，手性物质为外消旋体，当发生对映体选择性行为时，ER可以为{0，∞}．为避免无穷大，Harner建议使用对映体分数EF (Enantiomer Fraction)来描述环境中的对映体选择行为．EF=ER/(1+ER)，EF的范围为{0，1}，当EF=0.5时为外消旋体[10]．于是测试环境中的EF可以分析得到对映体在环境中的选择性行为，从而有助于不同环境的“手性识别”．

4 手性识别的光谱分析方法

探索需要分析测量与表征，环境中手性物质的测量需要简便快捷的分析方法，手性物质的表征更看重的是选择性分析．目前，常用的分离分析和测定方法主要有毛细管电泳法[14]、气相色谱法[15]、高效液相色谱法[16]、超临界流体色谱法（SFC）[17]、GC-MS联用法[18]和原子力显微技术（AFM）[19]等．这些方法均为先分离后分析，操作比较繁复且投入较大．光谱分析方法可简化手性识别，目前主要有紫外-可见（UV-Vis）光谱[20]、近红外（NIR）光谱[21]、核磁共振（NMR）[22]等，通过手性选择性试剂和手性异构体的混合溶液在光谱上的细微变化，借助偏最小二乘法、多元回归图解法、主因子分析法等量子化学计算或与其它光谱、色谱法联用进行手性识别研究．

还有研究表明[23]，由于环境中手性物质具有旋光性等光学性质，再与分子光谱分析方法结合，可建立简便快捷、灵敏度高、选择性强的手性识别光谱分析方法．用分子光谱方法对两个对映体的手性识别和定量分析是具有挑战性的．如果要在特定环境下实现对手性对映体简捷快速的分析，并得出测量表征的结果，尤对某些手性对映体进行快速简便的痕量分析，则以不经分离而同时测定的手性分析最具分析价值．

常用作手性分析的手段有：手性选择性试剂的选用以及手性光散射探针的合成．

手性选择性试剂即为与手性对映体反应，形成非对映异构体以使其扩大光谱差异的反应试剂．常用的这类试剂有：手性表面活性剂（胆酸盐）、环糊精、手性冠醚、卟啉及金属卟啉衍生物、大环抗生素亲和手性选择性试剂等．

手性光散射探针可以是改变手性光散射体系的散射光强度和提高散射分析方法的选择性的手段和试剂，以显现和扩张手性对映体的光谱差异进行分析．这类手段和试剂常见的有：CdX（X=S、Se、Te…）量子点分析手段[24]，金、银纳米微米分析体系[25]，香豆素衍生物[26]或羟基氨基喹啉衍生物[29]等试剂．提出合成手性光散射探针的手段对推动手性识别应用研究有重要意义．首先，确定手性光散射探针的作用机理机制和分类筛选及其拓展研究；其次，探索其合成路线；第三，发展以手性选择性试剂或手性光散射探针试剂为主导的手性识别的分子光谱分析方法，进一步拓展确立不经分离而同时测定手性对映体的新分析方法是一项有意义的探索．

5 手性污染物选择性分析展望

在环境保护中对手性污染物的“手性识别”和选择性分析显得日趋重要．通过研究环境中手性污染物形成手性超分子体系或非对映体复合物体系的反应机制和过程，探索光散射的特征、稳定条件和优化条件，结合探索合成修饰制备的条件，拓展分析应用实例，发展手性对映体选择性分析的新技术[1]．环境中“手性识别”需要简便快捷的分析方法，更看重的是选择性分析．通过手性物质的光谱特征和差异，结合其他分析方法以及化学计量学等辅助方法，建立同时测定手性对映体的新方法，实现环境中手性物质的质量控制和痕量微量分析．不仅拓展和深化了光散射方法的新应用，而且扩展了手性识别的新途径．这不仅是环境分析领域发展的需要，更是人类社会发展的需要[2]．

致 谢：

本项目研究得到国家自然科学基金委两次资助(No.21175015， No.21475014)，特别致谢!

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（责任编辑：张新玲）

Outlook of Chiral Recognition Method in Environmental Analysis

ZHAO Yanmei1WU Huan1Yang Jidong1，2*
(1.School of Environment and Chemistry Engineering， Chongqing Three Gorges University， Wanzhou， Chongqing 404000. 2. School of Chemistry and Chemical Engineering， Yangtze Normal University， Fuling， Chongqing 408100)

Chiral enantiomers dominate the wonders of nature and the mysteries of life. Numerous natural and synthetic chiral enantiomers exist widely in the environment， which plays a magnificent variety of roles. Chiral recognition and analysis are used to measure， characterize and explore the functions and changes of the chiral enantiomers in environmental analysis. In Natural environment， chiral environment can naturally launch into chiral recognition and chiral activation， while chiral recognition in human intervention requires the analytical tools to combine high sensitivity with high selectivity. Many spectral analysis methods with high sensitivity and simplicity draw support from chiral selective reagents such as organic dyes， nanoparticles， quantum dots， or synthesize and design certain light scattering probe reagents to form high effective and selective means. Chiral recognition of screening combines chiral selective reagents or chiral light scattering probe reagents with fluorescence， and scattering is an innovative work. It is a valuable exploration to develop molecular spectroscopy analysis methods of chiral recognition as the leading of chiral selective reagents or chiral light scattering probe reagents， and it further expands and then establishes a new analysis method of simultaneous determination without separation of chiral enantiomers.

environmental analysis; chiral recognition; separated analysis; simultaneous determination

O641

A

1009-8135（2015）03-0099-05

2015-03-28

赵艳梅（1991-），女，四川广元人，重庆三峡学院硕士研究生，主要研究环境分析．

杨季冬（1956-），男，重庆丰都人，重庆三峡学院教授，博士生导师，主要研究分子光谱分析．