液体门控技术：面向物质检测应用_王辉猛.pdf

随着全球人口老龄化加剧和流行病的爆发，世界各国的医疗卫生体系面临严峻挑战。发展快速、便携、低成本的物质检测技术，对于各类疾病的早期筛查等具有重要意义1。即时检测（point of care testing，POCT）是一种广泛应用的技术，可用于工业化程度低的国家和地区，以及家庭医疗、事故现场等缺乏实验室基础设施的环境。特别是针对诸如新型冠状病毒感染等传染病检测，POCT 能很好满足世界卫生组织对发展中国家的诊断技术建议：低成本、灵敏、特异性、用户友好、快速可靠、无设备、可直接供用户使用2。目前，已商业化的 POCT 设备主要有血糖仪和侧向流检测试纸条两种：前者依靠传感器，虽然检测灵敏度高，但其应用和发展受限于对能量输入和辅助显示仪器的高要求；后者是一种应用广泛的比色视觉检测方法，但灵敏度较低，不借助外在设备很难实现定量分析。作为一种新兴技术，液体门控技术可以兼顾高灵敏度、无需支持电源和辅助显示仪器、可定量检测的特点，展现出作为一种便捷式物质检测平台的独特优势，有望发展成为新一代的 POCT 设备。门控液体的重构性质受生物启发，侯旭等人利用功能液体作为结构与功能材料成功构建了液体门控系统3-6。不同于液体在宏观情况下的高流动性，液体门控系统中，液体因为微米孔道的毛细力而稳定填充在孔道内部，形成一种闭合状态的“液体门”。在物质输运过程中，当施加压强超出物质跨膜压强阈值时，“液体门”将迅速开启，当压强低于阈值后，“液体门”恢复到闭合状态。这种受施加压强驱动的“液体门”可逆开关行为，为基于刺激响应的门控液体的界面设计及应用提供了新思路，即利用压强阈值来反馈待测物质的有效成分与含量。表面活性剂常被誉为“工业味精”，其添加通常会使液体的界面性质发生显著变化，从而产生丰富的界面行为。例如，表面活性剂调控液晶分子排列取向导致液晶光学形貌发生变化，可用于构筑液晶传感平台7；表面活性剂调控复杂乳状液的形貌使其发生肉眼可见的光学变化，为化学检测提供了光学读取机制8。基于此，将表面活性剂等响应性分子引入液体门控体系，利用表面活性剂分子与不同离子之间的偶极诱导作用机制和主客体分子的特异性识别机制，实现对液体门控系统界面性质的灵活调节，赋予其物质检测与识别功能。王辉猛，博士：厦门大学化学化工学院；樊漪，博士后：厦门大学化学化工学院；郑靖，副教授：厦门大学化学化工学院；侯旭，教授：厦门大学化学化工学院、固体表面物理化学国家重点实验室、物理科学与技术学院，厦门 361005。Wang Huimeng,Doctoral Candidate:College of Chemistry and Chemical Engineering,Xiamen University;Fan Yi,Postdoctor:College of Chemistry and Chemical Engineering,Xiamen University;Zheng Jing,Associate Professor:College of Chemistry and Chemical Engineering,Xiamen University;Hou Xu,Professor:College of Chemistry and Chemical Engineering,State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces,College of Physical Science and Technology,Xiamen University,Xiamen 361005.液体门控技术：面向物质检测应用 王辉猛 樊 漪 郑 靖 侯 旭基于功能液体在分子尺度的物质响应性、重构性和设计性，液体门控技术在物质检测领域中展现了巨大的应用潜力，可用于构建一种全新的即时检测平台，实现对目标分子的可视化定量检测，在环境评估、临床药物检测和医疗保健系统等领域具有重要应用价值。“液体门控技术”专题专 题SPECIAL TOPIC13WeChat:kexuemag偶极诱导液体门控检测技术分子构型对诸如多相催化、电子传输电极、超疏水表面设计，以及界面化学相互作用等界面应用至关重要。基于液体门控系统设计的偶极诱导液体门控多孔膜系统，可利用门控液体中双亲性分子在气液界面的动态化学构象重排行为，发展一种全新的化学检测方法9。表面活性剂因具有亲水亲油的特性，也称双亲性分子。常用的阴离子型表面活性剂如十二烷基苯磺酸钠（简称 SDBS，含有疏水的长链烷烃基团和亲水的磺酸盐离子基团）加入门控液体后，其分子自动分布到气液界面，使得界面张力降低，从而降低系统的气体跨膜压强阈值。进一步，在门控液体中添加不同的阳离子待测物，改变 SDBS 的空间结构，诱导其电荷分布发生改变，从而使其偶极矩降低。SDBS 分子中的长链烷烃基团表现得更疏水，宏观上体现为门控液体的表面张力降低，进而导致系统具有更低的气体跨膜压强阈值。在特定浓度下，不同类型的阳离子使得气体跨膜压强阈值降低的程度不同。而添加少量乙醇，会使得排布在界面的表面活性剂表现出更亲水的性质，界面张力升高，进而导致系统中气体跨膜压强阈值增加。因此，通过检测气体跨膜压强的变化就能够检测和分辨系统中的离子种类。基于以上检测机制，构建可视化检测装置：液体门控系统与预设的储气腔室相连，系统一侧设有待测物入口管和出口管，并在释放端设置指示管（里面含有带颜色的液滴作为标记物）。待测物分子由待测物管道进入门控系统，系统气体跨膜压强阈值降低，预设于储气腔室中的气体会被释放，推动标记物产生位移。通过监测气体跨膜压强阈值的变化和观察标记物移动的距离就可以得到待测物的成分、浓度等信息。这种液体门控系统检测装置操作简单，可微型化使用，适于构建新型的POCT 平台。主客体液体门控检测技术对环境和生物中的物质进行定量分析，可为药物滥用检测、环境污染监测、医学测试和食品安全评估等提供指导。当前生物传感机制主要依赖于分子间相互作用，将待测物的生物化学信息转化为定量的物理信号，并通过专门的仪器设备对其进行读取分析。然而，在资源有限的环境中这类检测技术的应用与普及面临着实验室基础设施、精密设备和专业人员的短缺等挑战。有SCIENCE142023 年 3 月|75 卷 2 期可视化检测过程 (a)可视化检测装置示意；(b)初始和气体释放期间标记物移动图像，待测物成分体现在标记物液滴是否移动，待测物浓度由移动的距离反应。偶极诱导液体门控物质检测基本原理示意9 蓝色四边形代表浸润门控液体的多孔膜，蓝色圆形为多孔膜的局部放大，其中白色圆圈的大小代表“液体门”打开的程度。SDBS 加入门控液体之前，表面张力较大，系统的气体跨膜压强阈值较高；SDBS 加入门控液体之后，表面张力降低，系统的气体跨膜压强阈值降低；进一步，加入阳离子（乙醇），导致表面张力继续降低（升高），从而系统的气体跨膜压强阈值继续降低（升高）。阳离子乙醇SDBS多孔膜系统门控液体15厘米(b)(a)指示管储气腔室压力传感器液体门控系统待测物入口管待测物出口管 -1分钟-2分钟-5分钟-10分钟必要开发新的检测技术，使其具有低成本、便携和无设备化的特性。而一种基于主客体液体门控技术的全新检测系统，在无需借助光学或电子设备的条件下，将生物化学分子的界面识别行为定量转化为可视化检测信号，就可构建一个低成本、便携的定量检测平台10。主客体液体门控技术的基本检测原理如下：当门控液体中仅存在表面活性剂分子时，表面活性剂分子即客体分子优先在气液界面富集，降低门控液体的表面张力，从而降低系统的气体跨膜压强阈值。当引入含有疏水空腔的大环分子即主体分子时，由于静电和疏水作用，大环分子将表面活性剂分子从气液界面拽入门控液体中与其结合,形成的主客体复合物更易于待在门控液体中而非停留于气液界面，从而导致界面处的表面活性剂减少，表现为系统的气体跨膜压强阈值升高。因此表面活性剂与大环分子的动态结合，可以改变气液界面性质，为构建主客体检测平台提供一个可行性的框架。待测物分子进入液体门控系统时，将竞争大环分子即主体分子的活性位点，使得表面活性剂分子即客体分子从大环分子的疏水空腔中被置换出来，重新在气液界面富集，导致储气腔室压强高于气体跨膜压强阈值，“液体门”打开，储气腔室中的气体被释放，释放的气体会推动液滴标记物移动，或引起指示剂变色。最终，可以根据标记物移动的距离或指示液颜色变化判断待测物的信息。此外，该机制具有特异性，而非特异性分子与大环分子结合能力弱，无法将表面活性剂从疏水空腔中置换出来，系统仍保持较高的气体跨膜压强阈值，“液体门”保持关闭状态，进而阻止储气腔室中的气体释放（P阈值 P腔）。主客体液体门控检测机制首次实现了液体门控技术对生物化学分子的定量检测，是液体门控技术面向物质检测应用更深层次的突破。结 语基于界面分子重构的液体门控检测技术可以满足当前 POCT 平台简单操作、无设备化和结果可视化等要求。面向物质检测应用的液体门控技术处于高速发展阶段，而如何设计和制造出低成本、稳定耐用、高通量（一次可检测多个样品或对同一样品进行多种检测）和多信号输出（检测结果能够以不同的信号方式表现出来，可以互助验证，减少假信号的发生）的 POCT 平台，将是液体门控检测技术面对复杂检测环境应用的重大挑战。未来，液体门控检测技术可以与微流控、人工智能和机器学习等结合，进一步探索界面分子识别机制和宏观信号之间的关系，提高物质检测的灵敏性和稳定性。基于液体门控技术的检测方法蕴含多种可开发的机制，多样化的化学、生物和物理相互作用机制均可纳入门控液体中，从而拓展到诸如对生物酶、肿瘤标志物、病毒、细菌等的检测，为物质检测领域带来更多革新！专 题SPECIAL TOPIC15WeChat:kexuemag主客体复合物引起界面性质改变主客体液体门控物质检测技术基本原理10 该系统用了两种主客体复合物，分别为葫芦脲-8（主体分子）和十六烷基三甲基溴化铵（客体分子），-环糊精（主体分子）和十二烷基苯磺酸钠（客体分子）。P阈值、P腔分别为系统的气体跨膜压强阈值和储气腔的压强。P阈值P腔P腔主体分子客体分子主客体复合物P腔P阈值主体分子客体分子待测物靶分子主客体复合物葫芦脲-8 和十六烷基三甲基溴化铵-环糊精和SDBS-环糊精和美金刚信号关闭12信号恢复可视化检测葫芦脲-8 和三肽P腔关键词：液体门控技术 可视化检测 表面活性剂 即时检测 liquid crystals-based biosensors:towards fundamental to advanced applications.Biosens Bioelectron,2020,168:112562.8Zarzar L D,Kalow J A,He X,et al.Optical visualization and quantification of enzyme activity using dynamic droplet lenses.Proceedings of the National Academy of Sciences,2017,114(15):3821-3825.9Fan Y,Sheng Z,Chen J,et al.Visual chemical detection mechanism by a liquid gating system with dipole-induced interfacial molecular reconfiguration.Angewandte Chemie International Edition,2019,58(12):3967-3971.10Wang H,Fan Y,Hou Y,et al.Host-guest liquid gating mechanism with specific recognition interface behavior for universal quantitative chemical detectio