環境分析中的手性識別方法展望

趙艷梅吳 環楊季冬，2＊

（1.重慶三峽學院環境與化學工程學院，重慶萬州 404100）（2.長江師范學院化學與化工學院，重慶涪陵 408100）

環境分析中的手性識別方法展望

趙艷梅1吳 環1楊季冬1，2＊

（1.重慶三峽學院環境與化學工程學院，重慶萬州 404100）（2.長江師范學院化學與化工學院，重慶涪陵 408100）

環境中廣泛存在著眾多的天然和人工合成的手性對映體，手性對映體主導著自然界的奇妙和生命的奧秘．在環境分析中需要探索手性對映體污染物的作用和變遷，自然環境中的手性環境能自然開啟手性識別和激活手性，而人為介入的手性識別需要高靈敏度和高選擇性相結合的分析手段．許多高靈敏度且簡便易行的光譜分析方法，借助有機染料、納米粒子或量子點等手性選擇性試劑，或合成設計某些光散射探針試劑可形成高效的選擇性手段．篩查手性選擇性試劑或手性光散射探針試劑與熒光、散射相結合的手性識別則是一項創新工作．發展不經分離而同時測定手性污染物的新分析方法是一項有意義的探索．

環境分析；手性識別；分離分析；同時測定

1 引 言

手性（chirality）源于希臘語，意指一個物體與其鏡像不重合，就如同我們左右手呈鏡像對稱卻不重合，形成手性對映體(enantiomer)．在人類環境中存在眾多的天然和人工合成的手性對映．其中，共存的手性對映體污染物質，對我們的生態環境和人體健康都有不同程度的影響．手性污染物的不同對映體的生物毒害作用不一樣，對應的環境行為及降解和生物代謝過程也有所不同．因此，分離分析和測定環境中的手性污染物，弄清楚手性污染物不同對映體在環境中的行為和生物效應，表征和探索手性對映體的作用和變遷是必要的．但環境中存在的手性污染物的分析研究是困難的，因為它們的差異只有在生命組織中或在手性環境中能夠被手性識別，而人為的測量和表征是極為困難的，因為手性對映體是極其相似而難以分離的．目前的手性分析研究多是先分離后分析，而在特殊需求下，不經分離而同時測定手性對映體的工作是具有挑戰性的．而環境分析中對手性污染物的研究還鮮見報道，所以在環境分析中的手性識別研究是具有前瞻性的課題[1-2]．

2 環境中主要手性污染物

手性污染物主要源于天然產物中的手性物釋放，合成手性物的排放，手性藥物或手性農藥的使用及擴散．手性污染物可以分布在土壤、水、大氣環境中，以添加劑形式分布在食品、化妝品和保健品中．手性污染物主要分類為：含雜環的多苯芳烴類手性污染物，手性農藥等．這里主要介紹三類易見的手性污染物．

2.1 多氯聯苯（Polychlorinated biphenyls，PCBs）

多氯聯苯是以聯苯為原料在金屬催化作用下，經高溫氯化生成的氯代芳烴，其分子通式為C12H(10-n)Cln，是一類典型的持久性有機污染物[3]．由于PCBs化學性質穩定，具有許多優越的物化性能，因而被廣泛用作電力設備的絕緣液、化工油漆、塑料及其它工業、農業和生活資料中的添加劑等．由于廣泛使用和擴散，因其具有持久毒性和生物累積性而給人類環境帶來了嚴重的危害．PCBs具有親脂憎水性，易通過生物富集過程在生物體內聚集．

據報道在人乳和藍鯨組織中檢出高濃度的PCB132和PCB149，并發現存在顯著的手性選擇性．在PCBs結構中，因氯原子取代數量和取代位置的不同，理論上共有209種PCBs同系物，其中有78種因分子存在手性軸而具有手性，但大多數同系物由于其消旋反應能在室溫下迅速進行異構轉化．只有存在異構現象的19種在室溫環境下穩定存在．這些異構體在各向同性的環境中表現出相同的物理和化學性能，而在各向異性的環境中的生化過程和毒性則表現出明顯的對映體選擇性[4]．

2.2 雜環的多苯芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons with heterocycle，PAHH）

芳香烴在高溫下聚合反應生成復雜構型的多苯芳烴，由于沒有對稱中心和對稱面而具有手性，當再與手性雜環聚合后，更易生成復雜多樣的手性高聚物．現代生活中燒烤蛋白類、肉類組織等食物的熱聚焦化反應會產生有毒有害物質多苯芳烴是確定無疑的，而在多種雜環化合物存在下，進而聚合反應生成含雜環的多苯芳烴．以前都把這些高聚物當作多苯芳烴的同系物來處理，其實這里面的手性對映體也是大量存在的，在各向異性的環境中它們會表現出若干不同的差異，其中不乏更具毒性的環境行為和生態效應，只是現在還缺乏實驗數據．

熱聚焦化反應產生的多苯芳烴是多種多樣的，形成眾多異構的芳烴同系物．同樣在環境中大量存在的手性雜環以多種形式加入熱聚反應中，就會形成許多手性對映異構體，這些對映體在水環境和土壤環境中可能會被吸收轉化，而在大氣環境中它們會長時間的飄浮存在，在遭遇到合適的載體時，它們便會發揮出明顯的對映體選擇性環境行為．

2.3 手性農藥（Chiral Pesticides，CP ）

農藥殘留是最顯著的環境污染物來源．作為殺蟲劑、除草劑和衛生除害的農藥使用歷史較長、用量大、品種多．其中殺蟲劑具有高速率和高效率[5]，是最優先選擇的污染物．首先，多年來殺蟲劑的使用反導致了作物的大幅減產，這是由于昆蟲、雜草和植物疾病形成農產品的生態需求，因而這些殺蟲劑的毒理學性質對人類環境造成了一定風險[6]．其次，殺蟲劑具有持久性，移動性，能夠在食物鏈中發生高度生物積累，能通過生殖毒性，致癌性，致突變性或內分泌干擾效應等對人類造成傷害[7]．除此之外，殺蟲劑及其代謝物可通過地表徑流進入海洋和淡水水域．從而造成嚴重的水生環境危害，嚴重影響飲用水的質量[8]．

隨著人們對殺蟲劑的不斷研究，手性殺蟲劑的研究也漸漸進入人們研究的范疇．具有手性的殺蟲劑據市場報道已占25%左右[9]．諸如2，4’一滴滴涕(o，p’-DDT)，滴滴滴(o，p’-DDD)，六六六（α-HCH），氯丹（CHL），三氯殺蝸醇（o，p’-Dieofol），七氯(heptaehlor)和毒殺芬(toxaPhene)，擬除蟲菊酯（Synthetic pyrethroids，SPs）等均存在手性對映體．這些殺蟲劑有些是因為其分子中存在手性中心而具有手性，有些是因為分子中存在手性平面而具有手性，而它們大都以外消旋體的形式出現，但目前都把它們作為單一物種來處理．在環境監測中發現其 ER值（對映體濃度比值）的變化，則可進一步跟蹤分析其對映體選擇性行為[10]．

3 環境分析中的手性識別

手性對映體由于它們的分子立體結構在生物體內及在各向異性的環境中引起不同的“分子效應”形成的現象稱為“手性識別”．手性對映體具有很強的鏡像對稱規律，具有立體專一性，其在各向同性的環境中物理化學性質相似，難以辨識．而在各向異性的環境中卻有決定著對映體選擇性行為的不同差異．在自然環境中，只有對應的手性環境即各向異性環境才是開啟手性識別和手性激活的關鍵鑰匙．隨著對環境意識的加強，環境分析也漸漸受到人們的重視，而對環境中手性物質的分析逐漸成為一項富有挑戰性的課題．在各向異性的環境中的手性對映體，其選擇性的環境行為不盡相同，從而產生的環境效應大為不同．例如，除草劑異丙甲草胺（Metolachlor）[11]，四種異構體中只有兩種有活性，且S-構型對靶標生物體的活性明顯的高于R-構型；R-型的芳氧羧酸類除草劑吡氟禾草靈對1年生及多年生禾本科雜草具有殺傷力，其對映體則是無效的；殺菌劑多效唑（Paclobutrazol），RR型有高殺菌作用，對植物生長控制作用低；而SS型則有低殺菌作用，對植物生長控制作用高；殺蟲劑芐氯菊酯（Permethrin）[12]，D構型比L構型毒性大的多．手性污染物的不同對映體不僅對生物體的作用不一樣，且它們在環境中的降解過程和生物代謝中也有選擇性差異．如PCBs在不同的土壤類型中殘留量不一樣，土壤的pH會影響PCBs對映體的殘留比例[13]；殺蟲劑甲霜靈R-型表現出生物活性，且在環境中的降解速率較快，所以很多國家采用精-甲霜靈（含 ＞ 97%的R-型甲霜靈）代替甲霜靈，目的是為了減少農藥對環境的殘留污染；除草劑異丙甲草胺在不同生物體內的的代謝具有對映體選擇性．同時，由于單一手性農藥具有相對成本低、用藥量少、藥效高、三廢少、對作物和生態環境更安全以及極具市場競爭力等優點，手性農藥的開發已經成為了21世紀新農藥開發的熱點．農藥行政管理部門趨向于只選擇所需光活性異構體的注冊，不認可無效體，以免將其施放到環境中污染環境．

目前，無論是天然提取還是人工合成的手性物質的生產和使用已相當普遍，在環境中的擴散也在日趨漫延．環境中手性物質的分離分析和測量、表征具有更重要的研究意義．在環境分析中“手性識別”用到一個重要概念，即以對映體濃度比值ER(Enantiomer Ratios)來描述手性對映體在環境中的行為，ER=[R]/[S]，當ER=1時，手性物質為外消旋體，當發生對映體選擇性行為時，ER可以為{0，∞}．為避免無窮大，Harner建議使用對映體分數EF (Enantiomer Fraction)來描述環境中的對映體選擇行為．EF=ER/(1+ER)，EF的范圍為{0，1}，當EF=0.5時為外消旋體[10]．于是測試環境中的EF可以分析得到對映體在環境中的選擇性行為，從而有助于不同環境的“手性識別”．

4 手性識別的光譜分析方法

探索需要分析測量與表征，環境中手性物質的測量需要簡便快捷的分析方法，手性物質的表征更看重的是選擇性分析．目前，常用的分離分析和測定方法主要有毛細管電泳法[14]、氣相色譜法[15]、高效液相色譜法[16]、超臨界流體色譜法（SFC）[17]、GC-MS聯用法[18]和原子力顯微技術（AFM）[19]等．這些方法均為先分離后分析，操作比較繁復且投入較大．光譜分析方法可簡化手性識別，目前主要有紫外-可見（UV-Vis）光譜[20]、近紅外（NIR）光譜[21]、核磁共振（NMR）[22]等，通過手性選擇性試劑和手性異構體的混合溶液在光譜上的細微變化，借助偏最小二乘法、多元回歸圖解法、主因子分析法等量子化學計算或與其它光譜、色譜法聯用進行手性識別研究．

還有研究表明[23]，由于環境中手性物質具有旋光性等光學性質，再與分子光譜分析方法結合，可建立簡便快捷、靈敏度高、選擇性強的手性識別光譜分析方法．用分子光譜方法對兩個對映體的手性識別和定量分析是具有挑戰性的．如果要在特定環境下實現對手性對映體簡捷快速的分析，并得出測量表征的結果，尤對某些手性對映體進行快速簡便的痕量分析，則以不經分離而同時測定的手性分析最具分析價值．

常用作手性分析的手段有：手性選擇性試劑的選用以及手性光散射探針的合成．

手性選擇性試劑即為與手性對映體反應，形成非對映異構體以使其擴大光譜差異的反應試劑．常用的這類試劑有：手性表面活性劑（膽酸鹽）、環糊精、手性冠醚、卟啉及金屬卟啉衍生物、大環抗生素親和手性選擇性試劑等．

手性光散射探針可以是改變手性光散射體系的散射光強度和提高散射分析方法的選擇性的手段和試劑，以顯現和擴張手性對映體的光譜差異進行分析．這類手段和試劑常見的有：CdX（X=S、Se、Te…）量子點分析手段[24]，金、銀納米微米分析體系[25]，香豆素衍生物[26]或羥基氨基喹啉衍生物[29]等試劑．提出合成手性光散射探針的手段對推動手性識別應用研究有重要意義．首先，確定手性光散射探針的作用機理機制和分類篩選及其拓展研究；其次，探索其合成路線；第三，發展以手性選擇性試劑或手性光散射探針試劑為主導的手性識別的分子光譜分析方法，進一步拓展確立不經分離而同時測定手性對映體的新分析方法是一項有意義的探索．

5 手性污染物選擇性分析展望

在環境保護中對手性污染物的“手性識別”和選擇性分析顯得日趨重要．通過研究環境中手性污染物形成手性超分子體系或非對映體復合物體系的反應機制和過程，探索光散射的特征、穩定條件和優化條件，結合探索合成修飾制備的條件，拓展分析應用實例，發展手性對映體選擇性分析的新技術[1]．環境中“手性識別”需要簡便快捷的分析方法，更看重的是選擇性分析．通過手性物質的光譜特征和差異，結合其他分析方法以及化學計量學等輔助方法，建立同時測定手性對映體的新方法，實現環境中手性物質的質量控制和痕量微量分析．不僅拓展和深化了光散射方法的新應用，而且擴展了手性識別的新途徑．這不僅是環境分析領域發展的需要，更是人類社會發展的需要[2]．

致 謝：

本項目研究得到國家自然科學基金委兩次資助(No.21175015， No.21475014)，特別致謝!

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（責任編輯：張新玲）

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

趙艷梅（1991-），女，四川廣元人，重慶三峽學院碩士研究生，主要研究環境分析．

楊季冬（1956-），男，重慶豐都人，重慶三峽學院教授，博士生導師，主要研究分子光譜分析．