液體門控技術(shù)：面向物質(zhì)檢測(cè)應(yīng)用

王輝猛 樊漪 鄭靖 侯旭

隨著全球人口老齡化加劇和流行病的爆發(fā)，世界各國(guó)的醫(yī)療衛(wèi)生體系面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。發(fā)展快速、便攜、低成本的物質(zhì)檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于各類疾病的早期篩查等具有重要意義[1]。即時(shí)檢測(cè)（point of care testing，POCT）是一種廣泛應(yīng)用的技術(shù)，可用于工業(yè)化程度低的國(guó)家和地區(qū)，以及家庭醫(yī)療、事故現(xiàn)場(chǎng)等缺乏實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境。特別是針對(duì)諸如新型冠狀病毒感染等傳染病檢測(cè)，POCT能很好滿足世界衛(wèi)生組織對(duì)發(fā)展中國(guó)家的診斷技術(shù)建議：低成本、靈敏、特異性、用戶友好、快速可靠、無設(shè)備、可直接供用戶使用[2]。目前，已商業(yè)化的POCT設(shè)備主要有血糖儀和側(cè)向流檢測(cè)試紙條兩種：前者依靠傳感器，雖然檢測(cè)靈敏度高，但其應(yīng)用和發(fā)展受限于對(duì)能量輸入和輔助顯示儀器的高要求；后者是一種應(yīng)用廣泛的比色視覺檢測(cè)方法，但靈敏度較低，不借助外在設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)定量分析。作為一種新興技術(shù)，液體門控技術(shù)可以兼顧高靈敏度、無需支持電源和輔助顯示儀器、可定量檢測(cè)的特點(diǎn)，展現(xiàn)出作為一種便捷式物質(zhì)檢測(cè)平臺(tái)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有望發(fā)展成為新一代的POCT設(shè)備。

門控液體的重構(gòu)性質(zhì)

受生物啟發(fā)，侯旭等人利用功能液體作為結(jié)構(gòu)與功能材料成功構(gòu)建了液體門控系統(tǒng)[3-6]。不同于液體在宏觀情況下的高流動(dòng)性，液體門控系統(tǒng)中，液體因?yàn)槲⒚卓椎赖拿?xì)力而穩(wěn)定填充在孔道內(nèi)部，形成一種閉合狀態(tài)的“液體門”。在物質(zhì)輸運(yùn)過程中，當(dāng)施加壓強(qiáng)超出物質(zhì)跨膜壓強(qiáng)閾值時(shí)，“液體門”將迅速開啟，當(dāng)壓強(qiáng)低于閾值后，“液體門”恢復(fù)到閉合狀態(tài)。這種受施加壓強(qiáng)驅(qū)動(dòng)的“液體門”可逆開關(guān)行為，為基于刺激—響應(yīng)的門控液體的界面設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供了新思路，即利用壓強(qiáng)閾值來反饋待測(cè)物質(zhì)的有效成分與含量。表面活性劑常被譽(yù)為“工業(yè)味精”，其添加通常會(huì)使液體的界面性質(zhì)發(fā)生顯著變化，從而產(chǎn)生豐富的界面行為。例如，表面活性劑調(diào)控液晶分子排列取向?qū)е乱壕Ч鈱W(xué)形貌發(fā)生變化，可用于構(gòu)筑液晶傳感平臺(tái)[7]；表面活性劑調(diào)控復(fù)雜乳狀液的形貌使其發(fā)生肉眼可見的光學(xué)變化，為化學(xué)檢測(cè)提供了光學(xué)讀取機(jī)制[8]?；诖?，將表面活性劑等響應(yīng)性分子引入液體門控體系，利用表面活性劑分子與不同離子之間的偶極誘導(dǎo)作用機(jī)制和主客體分子的特異性識(shí)別機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體門控系統(tǒng)界面性質(zhì)的靈活調(diào)節(jié)，賦予其物質(zhì)檢測(cè)與識(shí)別功能。

偶極誘導(dǎo)液體門控檢測(cè)技術(shù)

分子構(gòu)型對(duì)諸如多相催化、電子傳輸電極、超疏水表面設(shè)計(jì)，以及界面化學(xué)相互作用等界面應(yīng)用至關(guān)重要。基于液體門控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的偶極誘導(dǎo)液體門控多孔膜系統(tǒng)，可利用門控液體中雙親性分子在氣—液界面的動(dòng)態(tài)化學(xué)構(gòu)象重排行為，發(fā)展一種全新的化學(xué)檢測(cè)方法[9]。

表面活性劑因具有親水親油的特性，也稱雙親性分子。常用的陰離子型表面活性劑如十二烷基苯磺酸鈉（簡(jiǎn)稱SDBS，含有疏水的長(zhǎng)鏈烷烴基團(tuán)和親水的磺酸鹽離子基團(tuán)）加入門控液體后，其分子自動(dòng)分布到氣—液界面，使得界面張力降低，從而降低系統(tǒng)的氣體跨膜壓強(qiáng)閾值。進(jìn)一步，在門控液體中添加不同的陽(yáng)離子待測(cè)物，改變SDBS的空間結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)其電荷分布發(fā)生改變，從而使其偶極矩降低。SDBS分子中的長(zhǎng)鏈烷烴基團(tuán)表現(xiàn)得更疏水，宏觀上體現(xiàn)為門控液體的表面張力降低，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)具有更低的氣體跨膜壓強(qiáng)閾值。在特定濃度下，不同類型的陽(yáng)離子使得氣體跨膜壓強(qiáng)閾值降低的程度不同。而添加少量乙醇，會(huì)使得排布在界面的表面活性劑表現(xiàn)出更親水的性質(zhì)，界面張力升高，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)中氣體跨膜壓強(qiáng)閾值增加。因此，通過檢測(cè)氣體跨膜壓強(qiáng)的變化就能夠檢測(cè)和分辨系統(tǒng)中的離子種類。

基于以上檢測(cè)機(jī)制，構(gòu)建可視化檢測(cè)裝置：液體門控系統(tǒng)與預(yù)設(shè)的儲(chǔ)氣腔室相連，系統(tǒng)一側(cè)設(shè)有待測(cè)物入口管和出口管，并在釋放端設(shè)置指示管（里面含有帶顏色的液滴作為標(biāo)記物）。待測(cè)物分子由待測(cè)物管道進(jìn)入門控系統(tǒng)，系統(tǒng)氣體跨膜壓強(qiáng)閾值降低，預(yù)設(shè)于儲(chǔ)氣腔室中的氣體會(huì)被釋放，推動(dòng)標(biāo)記物產(chǎn)生位移。通過監(jiān)測(cè)氣體跨膜壓強(qiáng)閾值的變化和觀察標(biāo)記物移動(dòng)的距離就可以得到待測(cè)物的成分、濃度等信息。這種液體門控系統(tǒng)檢測(cè)裝置操作簡(jiǎn)單，可微型化使用，適于構(gòu)建新型的POCT平臺(tái)。

主客體液體門控檢測(cè)技術(shù)

對(duì)環(huán)境和生物中的物質(zhì)進(jìn)行定量分析，可為藥物濫用檢測(cè)、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)測(cè)試和食品安全評(píng)估等提供指導(dǎo)。當(dāng)前生物傳感機(jī)制主要依賴于分子間相互作用，將待測(cè)物的生物化學(xué)信息轉(zhuǎn)化為定量的物理信號(hào)，并通過專門的儀器設(shè)備對(duì)其進(jìn)行讀取分析。然而，在資源有限的環(huán)境中這類檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用與普及面臨著實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施、精密設(shè)備和專業(yè)人員的短缺等挑戰(zhàn)。有必要開發(fā)新的檢測(cè)技術(shù)，使其具有低成本、便攜和無設(shè)備化的特性。而一種基于主客體液體門控技術(shù)的全新檢測(cè)系統(tǒng)，在無需借助光學(xué)或電子設(shè)備的條件下，將生物化學(xué)分子的界面識(shí)別行為定量轉(zhuǎn)化為可視化檢測(cè)信號(hào)，就可構(gòu)建一個(gè)低成本、便攜的定量檢測(cè)平臺(tái)[10]。

主客體液體門控技術(shù)的基本檢測(cè)原理如下：當(dāng)門控液體中僅存在表面活性劑分子時(shí)，表面活性劑分子即客體分子優(yōu)先在氣—液界面富集，降低門控液體的表面張力，從而降低系統(tǒng)的氣體跨膜壓強(qiáng)閾值。當(dāng)引入含有疏水空腔的大環(huán)分子即主體分子時(shí)，由于靜電和疏水作用，大環(huán)分子將表面活性劑分子從氣—液界面拽入門控液體中與其結(jié)合，形成的主客體復(fù)合物更易于待在門控液體中而非停留于氣—液界面，從而導(dǎo)致界面處的表面活性劑減少，表現(xiàn)為系統(tǒng)的氣體跨膜壓強(qiáng)閾值升高。因此表面活性劑與大環(huán)分子的動(dòng)態(tài)結(jié)合，可以改變氣—液界面性質(zhì)，為構(gòu)建主客體檢測(cè)平臺(tái)提供一個(gè)可行性的框架。

待測(cè)物分子進(jìn)入液體門控系統(tǒng)時(shí)，將競(jìng)爭(zhēng)大環(huán)分子即主體分子的活性位點(diǎn)，使得表面活性劑分子即客體分子從大環(huán)分子的疏水空腔中被置換出來，重新在氣—液界面富集，導(dǎo)致儲(chǔ)氣腔室壓強(qiáng)高于氣體跨膜壓強(qiáng)閾值，“液體門”打開，儲(chǔ)氣腔室中的氣體被釋放，釋放的氣體會(huì)推動(dòng)液滴標(biāo)記物移動(dòng)，或引起指示劑變色。最終，可以根據(jù)標(biāo)記物移動(dòng)的距離或指示液顏色變化判斷待測(cè)物的信息。

此外，該機(jī)制具有特異性，而非特異性分子與大環(huán)分子結(jié)合能力弱，無法將表面活性劑從疏水空腔中置換出來，系統(tǒng)仍保持較高的氣體跨膜壓強(qiáng)閾值，“液體門”保持關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)而阻止儲(chǔ)氣腔室中的氣體釋放（P閾值 ﹥ P腔）。主客體液體門控檢測(cè)機(jī)制首次實(shí)現(xiàn)了液體門控技術(shù)對(duì)生物化學(xué)分子的定量檢測(cè)，是液體門控技術(shù)面向物質(zhì)檢測(cè)應(yīng)用更深層次的突破。

結(jié) 語

基于界面分子重構(gòu)的液體門控檢測(cè)技術(shù)可以滿足當(dāng)前POCT平臺(tái)簡(jiǎn)單操作、無設(shè)備化和結(jié)果可視化等要求。面向物質(zhì)檢測(cè)應(yīng)用的液體門控技術(shù)處于高速發(fā)展階段，而如何設(shè)計(jì)和制造出低成本、穩(wěn)定耐用、高通量（一次可檢測(cè)多個(gè)樣品或?qū)ν粯悠愤M(jìn)行多種檢測(cè)）和多信號(hào)輸出（檢測(cè)結(jié)果能夠以不同的信號(hào)方式表現(xiàn)出來，可以互助驗(yàn)證，減少假信號(hào)的發(fā)生）的POCT平臺(tái)，將是液體門控檢測(cè)技術(shù)面對(duì)復(fù)雜檢測(cè)環(huán)境應(yīng)用的重大挑戰(zhàn)。

未來，液體門控檢測(cè)技術(shù)可以與微流控、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等結(jié)合，進(jìn)一步探索界面分子識(shí)別機(jī)制和宏觀信號(hào)之間的關(guān)系，提高物質(zhì)檢測(cè)的靈敏性和穩(wěn)定性。基于液體門控技術(shù)的檢測(cè)方法蘊(yùn)含多種可開發(fā)的機(jī)制，多樣化的化學(xué)、生物和物理相互作用機(jī)制均可納入門控液體中，從而拓展到諸如對(duì)生物酶、腫瘤標(biāo)志物、病毒、細(xì)菌等的檢測(cè)，為物質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域帶來更多革新！

[1]Xiang Y， Lu Y. Using personal glucose meters and functional DNA sensors to quantify a variety of analytical targets. Nature Chemistry， 2011， 3（9）： 697-703.

[2]Urdea M， Penny L A， Olmsted S S， et al. Requirements for high impact diagnostics in the developing world. Nature， 2006， 444 Suppl 1： 73-79.

[3]Hou X. Liquid gating membrane. National Science Review， 2020， 7（1）： 9-11.

[4]Zhang Y， Han Y， Ji X， et al. Continuous air purification by aqueous interface filtration and absorption. Nature， 2022， 610（7930）： 74-80.

[5]Hou X， Hu Y， Grinthal A， et al. Liquid-based gating mechanism with tunable multiphase selectivity and antifouling behaviour. Nature， 2015， 519（7541）： 70-73.

[6]Yu S， Pan L， Zhang Y， et al. Liquid gating technology. Pure and Applied Chemistry， 2021， 93（12）： 1353-1370.

[7]Prakash J， Parveen A， Mishra Y K， et al. Nanotechnology-assisted liquid crystals-based biosensors： towards fundamental to advanced applications. Biosens Bioelectron， 2020， 168： 112562.

[8]Zarzar 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.

[9]Fan 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.

[10]Wang H， Fan Y， Hou Y， et al. Host-guest liquid gating mechanism with specific recognition interface behavior for universal quantitative chemical detection. Nature Communications， 2022， 13（1）： 1906.

關(guān)鍵詞：液體門控技術(shù) 可視化檢測(cè) 表面活性劑 即時(shí)檢測(cè) ■