AbMole 基于主客体液体门控机制的定量化学检测

AbMole|基于主客体液体门控机制的通用定量化学检测定量检测方法在环境和生物体内化学分子的量化和分析中起着至关重要的作用，为环境评估、食品安全、健康监测、临床药物测试和国土安全等领域提供评估指导。来自厦门大学化学化工学院的HuimengWang,YiFan,YaqiHou等多名研究人员发表了题为《Host-guestliquidgatingmechanismwithspecificrecognitioninterfacebehaviorforuniversalquantitativechemicaldetection》的研究成果。在该文章中，研究人员使用了购自AbMole的Nandrolone（目录号M5805）。当前的分析方法如指示剂置换分析（IDAs）主要依赖分子识别事件，将分析物的信息转化为可量化的物理信号。然而，很少有分析原理关注气液界面的信息，忽略了界面分子转化机制诱导的物理化学变化参数。因此，构建一种具有直观、无电分子界面信号转换和读出的优越测试原理具有重要意义。行为基础：液体门控系统的行为基于可逆可重构门，通过毛细管驱动的功能门控液体密封微尺度孔，当气体通过的压力P大于门控阈值PCritical时，气体才能通过。功能门控液体的物理性质变化（如表面张力）可通过气体的跨膜行为反映，HG-LGS通过将含有主客体（大环分子和表面活性剂）的功能门控液体浸渍在亲水尼龙膜中制备。图1：主客体液体门控系统（HG-LGS）。关键因素：选择合适的主客体系统作为HG-LGS的门控液体至关重要。大环分子与高亲和力和特异性识别的客体形成特定的主客体复合物，表面活性剂分子作为客体指示剂，其表面活性与HG-LGS中的PCritical密切相关。当特定的目标分子存在于门控液体中时，表面活性剂指示剂被置换到溶液中，导致PCritical降低；而非特异性分子则不能置换表面活性剂指示剂，系统仍保持高PCritical。图2：HG-LGS的建立及其对目标分子的响应。定量可视化：通过预加载标记物的位置变化来量化反映气体跨膜能力的各种PCritical值，目标分子的浓度可用于控制释放气体（CO₂）的量，从而导致指示剂溶液颜色的明显变化。在不同的大环：表面活性剂摩尔比下，标记物的移动距离、HG-LGS中气体的跨膜临界压力与目标分子浓度之间存在关系。当门控液体中没有表面活性剂（N=0）时，系统对目标分子无响应；当大环：表面活性剂比为1.5时，目标分子浓度与标记物移动距离呈线性关系。CTAB的作用：十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）是建立HG-LGS的关键表面活性剂分子。当CTAB溶液引入HG-LGS的门控液体中，增加CTAB浓度会降低门控液体的表面张力，从而降低气体的PCritical。通过改变CTAB浓度可以稳定调节不同孔径下的PCritical，验证了CTAB对PCritical的可靠影响以及作为传感器指示剂的独特作用。图3：HG-LGS在Phe-Gly-Gly检测和定量CO中的性能2释放。宿主空腔的影响：宿主空腔是建立HG-LGS的另一个重要因素，通过调整门控液体的表面活性决定了具有主客体相互作用的传感器的特异性和定量性能。测量CB[n]（n=6和8）：CTAB溶液的表面张力，发现随着CB8的增加，液体的表面张力逐渐增加，在摩尔比为1：1到2：1时变化最大，当摩尔比为2：1时接近纯水的表面张力。CB6无论摩尔比如何变化，溶液的表面张力都没有观察到变化，原因是CTAB的烷基链在CB8空腔中更易发生构象变化，最终改变门控液体的气液界面行为。Jobplot分析证实CB8和CTAB形成的复合物的化学计量比为1：1。在不同CTAB浓度下，随着CB8：CTAB摩尔比的增加，所有表面张力都显示出相同的增加趋势，检测灵敏度在CTAB浓度为0.1mM或0.2mM时更高，因此选择0.1mM的CTAB。以Phe-Gly-Gly为例：选择苯丙氨酸-甘氨酸-甘氨酸（Phe-Gly-Gly）作为分子识别模型来测试HG-LGS的可行性。随着Phe-Gly-Gly浓度的增加，HG-LGS中气体的临界压力和门控液体的表面张力逐渐降低，表明Phe-Gly-Gly可以通过在主客体相互作用中置换表面活性剂来有效地影响HG-LGS的门控行为。在不同CB8：CTAB摩尔比下，P0-P值不同，在1.5：1的比例下，压力值和分析物浓度在0-100μM的浓度范围内呈线性关系，浓度降低到10μM时，有足够的压力降来检测目标分子。干扰分子的影响：进一步研究了CB8・CTAB与不同结合亲和力的客体之间的竞争结合。结果表明，潜在的干扰分子（金属离子、胆固醇和脂肪酸）不影响系统的门控行为，而那些与CB8具有高结合亲和力的客体可以置换表面活性剂来改变门控行为，并可用作目标分子。例如，美金刚作为治疗阿尔茨海默病的药物分子，可以通过替换表面活性剂有效地影响HG-LGS中的门控行为。孔径的影响：多孔膜的孔径在决定检测灵敏度方面至关重要，临界压力与不同孔径下的分析物浓度始终存在线性关系，膜孔径越小，临界压力越高，分析物响应越敏感。分子选择性：观察到与CB8・CTAB在门控液体中具有亲水或疏水端的各种分子的相互作用，与目标分子相比，干扰分子（Trp-Gly-Gly、His-Gly-Gly、Phe、Trp和His）在气体临界压力上没有明显变化，表面张力结果也一致。结合能比较：通过热力学比较不同复合物的结合能，定量评估各种客体分子与CB8的竞争效果。结果表明，CB8更倾向于与两个Phe-Gly-Gly分子结合，与其他三肽（Trp-Gly-Gly和His-Gly-Gly）、氨基酸（Phe、Trp和His）和表面活性剂CTAB相比，具有最低的结合能（-427kJmol⁻¹）。结合能越低，复合物的热力学稳定性越好，在系统中存在的可能性越大，这意味着Phe-Gly-Gly可以驱动CTAB指示剂离开CB8的空腔，诱导气体跨膜行为的变化。ITC结果：通过等温滴定量热法（ITC）评估CB8・CTAB与各种氨基酸和肽的结合热力学，意外地只获得了Phe-Gly-Gly的结合常数，其他分子的平衡结合常数＜10³M⁻¹，这可能是由于CTAB的存在影响了CB8对客体的结合亲和力。IGM分析：使用依赖于Multiwfn软件的独立梯度模型（IGM）研究CB8・CTAB和CB8・Phe-Gly-Gly的特定分子相互作用。结果表明，CTAB在CB8・CTAB中呈U形构象，烷基链与CB8空腔之间具有最大的范德华力，同时形成更多的氢键；对于CB8・Phe-Gly-Gly，两个肽从相反的开口进入空腔，苯基基团通过范德华相互作用与CB8接触，两个苯基基团对复合物的形成具有正协同效应，Gly-Gly尾部与CB8之间存在N-H…O氢键和范德华相互作用，表明长肽尾可能提高CB8与肽的结合亲和力。该结果与之前报道的Phe-Gly-Gly对CB8的选择性识别一致，进一步表明主要相互作用位点来自羰基基团。检测装置与原理：设计了一个简单的装置，通过气体（空气）推动标记物来指示HG-LGS中目标分子浓度变化引起的临界压力变化，实现视觉检测。浓度与标记物移动的关系：标记物的移动速率与Phe-Gly-Gly浓度呈正相关。高浓度的Phe-Gly-Gly导致更多的表面活性剂分子位移，HG-LGS传感器的临界压力明显降低，标记物移动迅速。移动距离越长反映系统中的临界压力越低，目标分析物浓度越高。在100μM的Phe-Gly-Gly下，标记物在一分钟内可以移动52.0mm；在10μM的Phe-Gly-Gly下，标记物在一分钟内仅移动22.8mm。HG-LGS传感器具有出色的定量检测能力，线性范围为0-100μM，检测限为4.56μM（根据3σ/斜率规则，N=3）。使用5μm膜时，HG-LGS传感器的检测限为7.98μM。同时，还发现腔室压力的变化与目标分子浓度之间存在线性关系，可通过便携式压力计测量。这些结果证明该系统能够成功地将分子识别信号转化为定量和视觉物理信号。原理与验证：设计了一个基于HG-LGS的装置来验证常规物质释放的可行性。成功的定量二氧化碳（CO₂）释放取决于门控液体中目标分子的控制以改变跨膜行为。CO₂是传输物质，溴麝香草酚蓝溶液是二氧化碳指示剂。建立了CO₂通量与目标分子浓度之间的校准曲线，增加目标浓度会增加CO₂通量，二氧化碳指示剂的颜色从蓝色变为绿色再变为黄色，目标分子的浓度值可以通过不同颜色表示，肉眼易于识别。HG-LGS有潜力通过定量调节目标浓度来控制药物释放以获得视觉颜色结果，集成到可以实现HG-LGS刺激响应释放机制的人工智能可穿戴设备中，将为药物检测和治疗提供潜在方法。检测系统：使用β-环糊精（β-CD）-十二烷基苯磺酸钠（SDBS）作为主客体系统检测美金刚。β-CD与葫芦[8]脲类似，具有疏水空腔，可与SDBS结合调节液体的表面活性。当β-CD：SDBS的摩尔比为2：1时，系统的表面张力达到最大值，接近纯水的表面张力。根据模拟结果的结合能，美金刚与β-CD的结合亲和力比指示剂分子SDBS更强。图4：HG-LGS用于美金刚检测的性能。选择性与可行性：传感器对美金刚表现出对其他干扰分子（如生物分子、药物和金属阳离子）的选择性。在尿液中检测美金刚的实验证明，HG-LGS可以在复杂的生物流体环境中运行，对于实际应用具有吸引力。基于标记物的移动距离，可以成功检测门控液体中各种浓度的美金刚。标记物的移动速率随着美金刚量的增加而逐渐增加，标记物的移动距离与美金刚浓度呈线性关系，使得HG-LGS能够对美金刚进行定量检测，