除甘氨酸外，所有的氨基酸都有手性，分为L型和D型。由于人体内L-氨基酸的总量远高于D-氨基酸，导致D-氨基酸的存在和生理作用往往被忽视。随着研究的深入，人们发现，神经信号传递、衰老、一些重大疾病（例如：阿尔茨海默症、动脉粥样硬化、乳腺癌等）等都与D-氨基酸存在密切联系。因此，D-氨基酸的精准识别对研究其生理功能、监测人体健康具有重要意义。但因为D-和L-氨基酸互为对映异构体，且各种氨基酸之间的结构非常相似，实现特定氨基酸的专一选择性检测非常困难。
近日海南大学曾潮元课题组在Cell Press细胞出版社旗下期刊iScience上发表了论文（iScience [J], 2022, 25, 104964;并被X-MOL学术资讯作为亮点介绍；https://mp.weixin.qq.com/s/dGCAuypkNPgIp6kcBIbNuw）。提出了在手性1,1'-联-2,2'-萘酚(BINOL)上引入丙烯酸酯，构建BINOL双醛单丙烯酸酯多位点荧光探针的策略，实现了在39种氨基酸中5分钟内对D-精氨酸(D-Arg)的专一选择性荧光检测，其检测D-Arg时ef值（对映选择性荧光增强比）高达487，这是目前报道的首例无需金属离子、对D-Arg同时具备对映选择性和化学选择性的手性荧光探针。海南大学化学工程与技术学院2022级博士研究生余贤哲为论文第一作者。
作者使用DMSO作为溶剂研究了(S)-3对游离氨基酸的两种对映异构体的荧光响应。通过(S)-3与6当量氨基酸在4mL DMSO中快速反应，以2.0×10-5 M的固定浓度进行荧光测试，并记录λ= 525 nm处峰值强度的荧光数据。结果表明，当(S)-3用大多数氨基酸及其对映异构体处理时，仅观察到非常微弱的荧光增强。然而，D-Arg却极大地增强了(S)-3在λ= 525 nm处的荧光强度。并且，发现其强度比L-Arg高528%，对映选择性荧光增强比高达487。
图1.λ= 525 nm处峰值强度的荧光数据对比
作者在Arg对映异构体浓度对(S)-3荧光响应影响的研究中发现，荧光强度随D-Arg含量（0~5当量）的增加而逐渐增强，L-Arg对(S)-3几乎没有荧光增强。根据一阶线性拟合，D-Arg的检测限为50 nM。随后在相同条件下使用(R)-3进行了对比实验，数据显示，在L-Arg存在下荧光增强产生了逆响应。这证实了对Arg对映异构体的荧光响应差异是基于探针的手性骨架。由于Arg检测范围为5至400 µM，因此(S)-3可用于测量生物系统（如人血清）中的Arg浓度。
图2.探针手性导致的Arg对映异构体荧光响应差异
作者研究了Arg溶液在不同对映体过量（ee = [D-L]/[D+L]）下的荧光响应。研究结果显示，(S)-3和(R)-3的荧光响应呈现出近乎镜像的关系。这项Arg的ee值研究进一步证实了探针的对映选择性识别能力，以及检测溶液中Arg对映体组成的优势。
图3.手性荧光探针对Arg对映体的对映选择性荧光增强
作者继续研究了探针对Arg的可视化检测性能，在加入D-Arg后，探针溶液(S)-3呈红色，而L-Arg使溶液变为浅棕色。其他氨基酸都没有显著改变探针溶液原本的颜色。基于上述现象，（S）-3与Arg之间的反应机制完全不同于其他氨基酸，在与Arg相互作用时，400-500 nm的强UV-Vis吸收导致溶液呈橙红色。
图4. (S)-3的比色检测实验
作者详细研究了(S)-3能专一性识别D-Arg的反应机理。UV-Vis数据表明(S)-3与D- / L-Arg产物结构具有相似性。NMR动力学研究证实了探针与D- / L-Arg之间的快速反应，同时根据芳香区质子信号的对称化，判断大多数具有D- / L-Arg的产物是丙烯酸酯键断裂的亚胺产物。考虑到大多数亚胺产物是不发射的，因此作者提出(S)-3只和D-Arg之间形成丙烯酸酯的1,4-迈克尔加成产物这一观点。此外作者通过MS数据与计算模拟对产物的分子结构进行了验证，其结果与上述观点吻合。
总结
作者提出的手性荧光探针设计策略解决了以往大多数手性探针需要使用化学计量的锌（II）来形成金属络合物，并容易受到检测时间和金属干扰的问题。与其他用于检测手性氨基酸的对映选择性荧光探针相比，该探针具有对手性Arg的专一性、响应快、无金属检测、比色检测能力强等优点，该研究有望促进对映选择性探针的生物学和工业应用。
Xianzhe Yu, Binjie Zhang, Cailing Fan, Qianqian Yan, Shenglin Wang, Hui Hu, Qinxi Dong, Gengyu Du*, Yanan Gao*, Chaoyuan Zeng*. Rapid, enantioselective and colorimetric detection of D-arginine. iScience [J], 2022, 25, 104964. DOI: 10.1016/j.isci.2022.104964.
