AbMole 基于主客體液體門控機(jī)制的定量化學(xué)檢測(cè)

AbMole|基于主客體液體門控機(jī)制的通用定量化學(xué)檢測(cè)定量檢測(cè)方法在環(huán)境和生物體內(nèi)化學(xué)分子的量化和分析中起著至關(guān)重要的作用，為環(huán)境評(píng)估、食品安全、健康監(jiān)測(cè)、臨床藥物測(cè)試和國(guó)土安全等領(lǐng)域提供評(píng)估指導(dǎo)。來(lái)自廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院的HuimengWang,YiFan,YaqiHou等多名研究人員發(fā)表了題為《Host-guestliquidgatingmechanismwithspecificrecognitioninterfacebehaviorforuniversalquantitativechemicaldetection》的研究成果。在該文章中，研究人員使用了購(gòu)自AbMole的Nandrolone（目錄號(hào)M5805）。當(dāng)前的分析方法如指示劑置換分析（IDAs）主要依賴分子識(shí)別事件，將分析物的信息轉(zhuǎn)化為可量化的物理信號(hào)。然而，很少有分析原理關(guān)注氣液界面的信息，忽略了界面分子轉(zhuǎn)化機(jī)制誘導(dǎo)的物理化學(xué)變化參數(shù)。因此，構(gòu)建一種具有直觀、無(wú)電分子界面信號(hào)轉(zhuǎn)換和讀出的優(yōu)越測(cè)試原理具有重要意義。行為基礎(chǔ)：液體門控系統(tǒng)的行為基于可逆可重構(gòu)門，通過(guò)毛細(xì)管驅(qū)動(dòng)的功能門控液體密封微尺度孔，當(dāng)氣體通過(guò)的壓力P大于門控閾值PCritical時(shí)，氣體才能通過(guò)。功能門控液體的物理性質(zhì)變化（如表面張力）可通過(guò)氣體的跨膜行為反映，HG-LGS通過(guò)將含有主客體（大環(huán)分子和表面活性劑）的功能門控液體浸漬在親水尼龍膜中制備。圖1：主客體液體門控系統(tǒng)（HG-LGS）。關(guān)鍵因素：選擇合適的主客體系統(tǒng)作為HG-LGS的門控液體至關(guān)重要。大環(huán)分子與高親和力和特異性識(shí)別的客體形成特定的主客體復(fù)合物，表面活性劑分子作為客體指示劑，其表面活性與HG-LGS中的PCritical密切相關(guān)。當(dāng)特定的目標(biāo)分子存在于門控液體中時(shí)，表面活性劑指示劑被置換到溶液中，導(dǎo)致PCritical降低；而非特異性分子則不能置換表面活性劑指示劑，系統(tǒng)仍保持高PCritical。圖2：HG-LGS的建立及其對(duì)目標(biāo)分子的響應(yīng)。定量可視化：通過(guò)預(yù)加載標(biāo)記物的位置變化來(lái)量化反映氣體跨膜能力的各種PCritical值，目標(biāo)分子的濃度可用于控制釋放氣體（CO?）的量，從而導(dǎo)致指示劑溶液顏色的明顯變化。在不同的大環(huán)：表面活性劑摩爾比下，標(biāo)記物的移動(dòng)距離、HG-LGS中氣體的跨膜臨界壓力與目標(biāo)分子濃度之間存在關(guān)系。當(dāng)門控液體中沒有表面活性劑（N=0）時(shí)，系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)分子無(wú)響應(yīng)；當(dāng)大環(huán)：表面活性劑比為1.5時(shí)，目標(biāo)分子濃度與標(biāo)記物移動(dòng)距離呈線性關(guān)系。CTAB的作用：十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）是建立HG-LGS的關(guān)鍵表面活性劑分子。當(dāng)CTAB溶液引入HG-LGS的門控液體中，增加CTAB濃度會(huì)降低門控液體的表面張力，從而降低氣體的PCritical。通過(guò)改變CTAB濃度可以穩(wěn)定調(diào)節(jié)不同孔徑下的PCritical，驗(yàn)證了CTAB對(duì)PCritical的可靠影響以及作為傳感器指示劑的獨(dú)特作用。圖3：HG-LGS在Phe-Gly-Gly檢測(cè)和定量CO中的性能2釋放。宿主空腔的影響：宿主空腔是建立HG-LGS的另一個(gè)重要因素，通過(guò)調(diào)整門控液體的表面活性決定了具有主客體相互作用的傳感器的特異性和定量性能。測(cè)量CB[n]（n=6和8）：CTAB溶液的表面張力，發(fā)現(xiàn)隨著CB8的增加，液體的表面張力逐漸增加，在摩爾比為1：1到2：1時(shí)變化最大，當(dāng)摩爾比為2：1時(shí)接近純水的表面張力。CB6無(wú)論摩爾比如何變化，溶液的表面張力都沒有觀察到變化，原因是CTAB的烷基鏈在CB8空腔中更易發(fā)生構(gòu)象變化，最終改變門控液體的氣液界面行為。Jobplot分析證實(shí)CB8和CTAB形成的復(fù)合物的化學(xué)計(jì)量比為1：1。在不同CTAB濃度下，隨著CB8：CTAB摩爾比的增加，所有表面張力都顯示出相同的增加趨勢(shì)，檢測(cè)靈敏度在CTAB濃度為0.1mM或0.2mM時(shí)更高，因此選擇0.1mM的CTAB。以Phe-Gly-Gly為例：選擇苯丙氨酸-甘氨酸-甘氨酸（Phe-Gly-Gly）作為分子識(shí)別模型來(lái)測(cè)試HG-LGS的可行性。隨著Phe-Gly-Gly濃度的增加，HG-LGS中氣體的臨界壓力和門控液體的表面張力逐漸降低，表明Phe-Gly-Gly可以通過(guò)在主客體相互作用中置換表面活性劑來(lái)有效地影響HG-LGS的門控行為。在不同CB8：CTAB摩爾比下，P0-P值不同，在1.5：1的比例下，壓力值和分析物濃度在0-100μM的濃度范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，濃度降低到10μM時(shí)，有足夠的壓力降來(lái)檢測(cè)目標(biāo)分子。干擾分子的影響：進(jìn)一步研究了CB8?CTAB與不同結(jié)合親和力的客體之間的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合。結(jié)果表明，潛在的干擾分子（金屬離子、膽固醇和脂肪酸）不影響系統(tǒng)的門控行為，而那些與CB8具有高結(jié)合親和力的客體可以置換表面活性劑來(lái)改變門控行為，并可用作目標(biāo)分子。例如，美金剛作為治療阿爾茨海默病的藥物分子，可以通過(guò)替換表面活性劑有效地影響HG-LGS中的門控行為?？讖降挠绊懀憾嗫啄さ目讖皆跊Q定檢測(cè)靈敏度方面至關(guān)重要，臨界壓力與不同孔徑下的分析物濃度始終存在線性關(guān)系，膜孔徑越小，臨界壓力越高，分析物響應(yīng)越敏感。分子選擇性：觀察到與CB8?CTAB在門控液體中具有親水或疏水端的各種分子的相互作用，與目標(biāo)分子相比，干擾分子（Trp-Gly-Gly、His-Gly-Gly、Phe、Trp和His）在氣體臨界壓力上沒有明顯變化，表面張力結(jié)果也一致。結(jié)合能比較：通過(guò)熱力學(xué)比較不同復(fù)合物的結(jié)合能，定量評(píng)估各種客體分子與CB8的競(jìng)爭(zhēng)效果。結(jié)果表明，CB8更傾向于與兩個(gè)Phe-Gly-Gly分子結(jié)合，與其他三肽（Trp-Gly-Gly和His-Gly-Gly）、氨基酸（Phe、Trp和His）和表面活性劑CTAB相比，具有最低的結(jié)合能（-427kJmol?1）。結(jié)合能越低，復(fù)合物的熱力學(xué)穩(wěn)定性越好，在系統(tǒng)中存在的可能性越大，這意味著Phe-Gly-Gly可以驅(qū)動(dòng)CTAB指示劑離開CB8的空腔，誘導(dǎo)氣體跨膜行為的變化。ITC結(jié)果：通過(guò)等溫滴定量熱法（ITC）評(píng)估CB8?CTAB與各種氨基酸和肽的結(jié)合熱力學(xué)，意外地只獲得了Phe-Gly-Gly的結(jié)合常數(shù)，其他分子的平衡結(jié)合常數(shù)＜103M?1，這可能是由于CTAB的存在影響了CB8對(duì)客體的結(jié)合親和力。IGM分析：使用依賴于Multiwfn軟件的獨(dú)立梯度模型（IGM）研究CB8?CTAB和CB8?Phe-Gly-Gly的特定分子相互作用。結(jié)果表明，CTAB在CB8?CTAB中呈U形構(gòu)象，烷基鏈與CB8空腔之間具有最大的范德華力，同時(shí)形成更多的氫鍵；對(duì)于CB8?Phe-Gly-Gly，兩個(gè)肽從相反的開口進(jìn)入空腔，苯基基團(tuán)通過(guò)范德華相互作用與CB8接觸，兩個(gè)苯基基團(tuán)對(duì)復(fù)合物的形成具有正協(xié)同效應(yīng)，Gly-Gly尾部與CB8之間存在N-H…O氫鍵和范德華相互作用，表明長(zhǎng)肽尾可能提高CB8與肽的結(jié)合親和力。該結(jié)果與之前報(bào)道的Phe-Gly-Gly對(duì)CB8的選擇性識(shí)別一致，進(jìn)一步表明主要相互作用位點(diǎn)來(lái)自羰基基團(tuán)。檢測(cè)裝置與原理：設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的裝置，通過(guò)氣體（空氣）推動(dòng)標(biāo)記物來(lái)指示HG-LGS中目標(biāo)分子濃度變化引起的臨界壓力變化，實(shí)現(xiàn)視覺檢測(cè)。濃度與標(biāo)記物移動(dòng)的關(guān)系：標(biāo)記物的移動(dòng)速率與Phe-Gly-Gly濃度呈正相關(guān)。高濃度的Phe-Gly-Gly導(dǎo)致更多的表面活性劑分子位移，HG-LGS傳感器的臨界壓力明顯降低，標(biāo)記物移動(dòng)迅速。移動(dòng)距離越長(zhǎng)反映系統(tǒng)中的臨界壓力越低，目標(biāo)分析物濃度越高。在100μM的Phe-Gly-Gly下，標(biāo)記物在一分鐘內(nèi)可以移動(dòng)52.0mm；在10μM的Phe-Gly-Gly下，標(biāo)記物在一分鐘內(nèi)僅移動(dòng)22.8mm。HG-LGS傳感器具有出色的定量檢測(cè)能力，線性范圍為0-100μM，檢測(cè)限為4.56μM（根據(jù)3σ/斜率規(guī)則，N=3）。使用5μm膜時(shí)，HG-LGS傳感器的檢測(cè)限為7.98μM。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)腔室壓力的變化與目標(biāo)分子濃度之間存在線性關(guān)系，可通過(guò)便攜式壓力計(jì)測(cè)量。這些結(jié)果證明該系統(tǒng)能夠成功地將分子識(shí)別信號(hào)轉(zhuǎn)化為定量和視覺物理信號(hào)。原理與驗(yàn)證：設(shè)計(jì)了一個(gè)基于HG-LGS的裝置來(lái)驗(yàn)證常規(guī)物質(zhì)釋放的可行性。成功的定量二氧化碳（CO?）釋放取決于門控液體中目標(biāo)分子的控制以改變跨膜行為。CO?是傳輸物質(zhì)，溴麝香草酚藍(lán)溶液是二氧化碳指示劑。建立了CO?通量與目標(biāo)分子濃度之間的校準(zhǔn)曲線，增加目標(biāo)濃度會(huì)增加CO?通量，二氧化碳指示劑的顏色從藍(lán)色變?yōu)榫G色再變?yōu)辄S色，目標(biāo)分子的濃度值可以通過(guò)不同顏色表示，肉眼易于識(shí)別。HG-LGS有潛力通過(guò)定量調(diào)節(jié)目標(biāo)濃度來(lái)控制藥物釋放以獲得視覺顏色結(jié)果，集成到可以實(shí)現(xiàn)HG-LGS刺激響應(yīng)釋放機(jī)制的人工智能可穿戴設(shè)備中，將為藥物檢測(cè)和治療提供潛在方法。檢測(cè)系統(tǒng)：使用β-環(huán)糊精（β-CD）-十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）作為主客體系統(tǒng)檢測(cè)美金剛。β-CD與葫蘆[8]脲類似，具有疏水空腔，可與SDBS結(jié)合調(diào)節(jié)液體的表面活性。當(dāng)β-CD：SDBS的摩爾比為2：1時(shí)，系統(tǒng)的表面張力達(dá)到最大值，接近純水的表面張力。根據(jù)模擬結(jié)果的結(jié)合能，美金剛與β-CD的結(jié)合親和力比指示劑分子SDBS更強(qiáng)。圖4：HG-LGS用于美金剛檢測(cè)的性能。選擇性與可行性：傳感器對(duì)美金剛表現(xiàn)出對(duì)其他干擾分子（如生物分子、藥物和金屬陽(yáng)離子）的選擇性。在尿液中檢測(cè)美金剛的實(shí)驗(yàn)證明，HG-LGS可以在復(fù)雜的生物流體環(huán)境中運(yùn)行，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用具有吸引力?；跇?biāo)記物的移動(dòng)距離，可以成功檢測(cè)門控液體中各種濃度的美金剛。標(biāo)記物的移動(dòng)速率隨著美金剛量的增加而逐漸增加，標(biāo)記物的移動(dòng)距離與美金剛濃度呈線性關(guān)系，使得HG-LGS能夠?qū)γ澜饎傔M(jìn)行定量檢測(cè)，