石墨烯的一种新应用

一、研究背景

由于其在各个领域的广泛应用，如制药、农药、香料、食品添加剂等，对映体分离的重要性不断增加。例如，在许多手性药物中，其中一种对映体实际上比另一种更有效。到目前为止，许多国家的药物管理当局已宣布需要开发对映体纯药物。

近年来，由于石墨烯基材料（包括氧化石墨烯）的原子厚度、机械强度、热稳定性和化学惰性，石墨烯基膜已成为一种全新的筛选膜，用于调整薄片或薄片的层间间距。一些研究已经证明，氧化石墨烯基膜提供用于手性分离的高通量和超高选择性。华东理工大学陈启斌教授对此进行了一系列研究。

二、文献分析

1. 氨基酸修饰氧化石墨烯膜的高通量手性分离

这项研究的主要目的是基于氧化石墨烯膜固有的高通量特性，通过在氧化石墨烯薄片中加入手性选择剂(L-谷氨酸)，制备具有高分离性能的氧化石墨烯(GO)基膜来实现手性分离。氧化石墨烯薄膜是通过一种简单的真空过滤方法制备的。L -谷氨酸不仅为堆积的氧化石墨烯纳米片提供了必要的稳定性，而且还可以精确调节氧化石墨烯纳米片的间距和由此产生的性能。测定了氨基酸修饰的氧化石墨烯膜对3,4 -二羟基- D, L-苯丙氨酸的对映体分离性能。结果表明，该膜具有优异的手性拆分性能，其通量比普通手性分离膜高1~2个数量级，选择性更高。研究结果表明，改性氧化石墨烯膜可能提供了另一种同时促进对映体和生物分离的高通量和高选择性的通用方法。

原文链接：

http://dx.doi.org/10.1016/j.memsci.2016.12.019

2. 填充PLGA在提高Glu-GO/PLGA复合膜对映体选择性中的作用

这项工作的主要目的是通过使用聚谷氨酸钠（PLGA）与氧化石墨烯（GO）片表面的缔合来调节GO片之间的层间间距，从而改善GO基复合膜的手性分离性能。结果表明：i）与传统的手性分离膜相比，这些膜显示出优异的手性拆分性能，其通量高1-2个数量级，对映选择性更高；ii）与原始L-Glu改性GO膜相比，它们还提供了对映选择性的显著改善，通量略有降低。目前的研究表明，在这种复合膜中，掺入的PLGA不仅可以作为额外的手性识别剂，促进手性探针的D-异构体的传输，而且还可以作为一种填料，减少GO片之间的孔或通道的尺寸。特别是，这两种作用都能显著提高复合膜的对映选择性。结构表明，GO基材料和多肽的组合可以提供相应复合膜的选择性和通量的异常控制，因此，这种复合膜具有同时促进高通量和高选择性的潜力，并且在大量对映体和生物分离中具有很好的应用前景。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.03.040

3. 控制氧化石墨烯膜的共价官能化以改善对映体分离性能

作者提出了一种新的策略，通过以羧基封端的离子液体（IL-COOH）为间隔物的环氧化物开环反应，然后以L-谷氨酸（GO-IL-Glu）为手性选择剂的酰胺化反应，通过控制GO的官能化程度来改善氧化石墨烯（GO）基膜的对映体分离性能。结果表明：i）这些膜在对映选择性方面优于传统的手性分离膜，通量比传统手性分离膜高1-3个数量级；ii）与我们之前工作中的L-谷氨酸修饰GO膜及其与多肽的复合膜相比，它们的对映选择性增加了约40-80%，通量增加了一个数量级。在此，IL-COOH基团不仅可以用作间隔物，这有利于扩大GO-IL-Glu纳米片的层间间距，从而实现对映体的高通量，还可以用作活性位点，以提高手性选择剂（l-Glu）的接枝量，有助于增强对映体选择性。特别是，这种膜中的对映选择性的提高不会影响通量；相反，它有一个数量级的增加。这项研究中使用的策略，即结合更多手性选择剂和更宽的层间间距，可以为同时促进高通量和高选择性提供新的机会，并在许多对映体和生物分离中具有潜在的应用。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.memsci.2019.03.087

4. β-环糊精修饰氧化石墨烯膜的手性分离

这项研究选择单（6-氨基-6-脱氧）-β-环糊精（β-CD）作为GO基膜中用于分离外消旋体的手性选择剂，因为它可能与客体形成特定的包合物。结果表明，β-CD比D-对映体对L-对映异构体表现出更强的对映选择性亲和力，因此这种β-CD修饰的GO膜（β-CD-GOM）表现出延迟传输机制，具有异常的对映体选择性，对映体过量值接近100%。此外，β-CD-GOMs的通量比传统的对映体分离膜高1-2个数量级。这些发现表明，β-CD-GOMs可为提高对映体分离性能提供新的机会，同时具有高渗透性和高渗透选择性，并可大规模生产各种对映体。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.memsci.2021.119350

5. 二肽修饰氧化石墨烯手性分离膜的延迟传输特性

作者选择二肽作为分离外消旋体的手性选择剂，因为其分子长度比单个氨基酸长，并且具有两个手性中心，因此更可能渗透到GO膜的层间空间。结果表明，与传统手性分离膜相比，二肽修饰GO膜的最大分离因子为1.85，通量提高了1-3个数量级，特别是与先前报道的GO膜相比，转运机制从促进到延迟的逆转。这可能是L-异构二肽的影响，由于探针和相对GO底物之间发生额外的非立体选择性相互作用，L-异构双肽对D-异构手性分析物的亲和力比L-异构的强得多，因此这种二肽修饰的GO膜表现出延迟的转运机制，从而提供实现连续操作的承诺。这些发现表明，额外的非立体选择性相互作用在手性识别中起着关键作用，特别是在受限空间中，并为控制从促进传输机制到延迟传输机制的转化和设计新型对映体分离膜提供了新的机会，旨在大规模生产各种纯对映体。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.120642

三、总结

总之，石墨烯膜已成功制备并应用于手性分离。相对于聚合物基和无机膜，石墨烯膜的极大的提高的分离能力，通量增加了1-3个数量级。立体选择性相互作用涉及分别连接到手性选择剂和探针的不对称中心的不同取代物之间的手性识别，而非立体选择性相互反应由于GO基膜中的空间限制效应，导致手性探针的非手性部分与底物之间的超短程弱亲和力。因此，石墨烯膜有望大规模生产手性纯药物，其可应用于多种行业，如制药、农药、香料、食品添加剂、香料香料材料等。