新加坡通过“自下而上” 分子工程研发水凝胶分子传感器
. 生物分子，肽,核酸和抗原核酸
.阳离子
.阴离子
从前,Ballester及其同事发现,在 甲基铵(TMA+)阳离子存在下,杯[ ]吡咯 (图 ) 碱性水溶液可以在Na+存在下选购性地形成稳定 水凝胶。
.与生物有关 分子和生物分子
.气体
.微生物
CO 触发 胶凝是检测它 常用策略。Zhao报告了 嵌段PMAA-b-PEO-b-PMAA和PDMAEMA-b-PEO-b-PDMAEMA共聚物 水溶液,它们 不同pKa值在存在CO 情况下导致不同程度 质子化(图 )。(参考，Macromol.Chem.Phys. 零 , , 零零 )
DNA适体水凝胶还可以方便地进行药物检测。例如,可卡因对水凝胶 破坏作用可以释放出预装 淀粉酶,该酶分解直链淀粉I 络合物,使溶液从深蓝色变成无色。碳纳米材料 结合,例如氧化石墨烯(GO)和碳纳米点进入水凝胶也可用于荧光检测药物,如抗生素。GO 较大π表面以及其上附加 羧酸和羟基使富氮杂芳族分子(如腺苷)能够通过氢键和π堆积相互作用与之相互作用,从而形成水凝胶(图 )。
Lin和他 同事分别开发了 种多刺激响应水凝胶,用于体外荧光检测氰化物,汞和半胱氨酸(图 A)。作者合成了萘酰亚胺功能化 支柱[ ]芳烃(PNA),它可以与双吡啶盐(GBP)自组装以在DMSO/H O中形成超分子水凝胶(PNAGBP, 零mM, )。该凝胶具有强黄色荧光(在λex= nm处,λem= 零nm),这是由于柱状芳烃腔中包含吡啶鎓基团引起 AIE所致。(参考，Macromolecules 零 , 零, – )
Spivak建立在上述用于检测蛋白质 “超级适体”水凝胶测定基础上(图 B),将这项技术扩展到了检测苹果茎点病毒(ASPV),将这些水凝胶进 步微成型,以形成衍射光栅传感器(图 A),其衍射距离随着凝胶对ASPV病毒 反应而收缩而减小。(Angew.Chem.,Int.Ed. 零 , , 零 – 零 ,)
Xie团队随后开发了 种更通用 阳离子检测技术,即利用染料置换分析法检测Na+,Ca +和Pb +。在他们 技术中,将含有合适离子基团 离子选购性微滴(可选购性结合目标阳离子),亲脂性离子交换盐,阳离子染料和增塑剂包埋在琼脂糖水凝胶基质中(图 A)。如图 B所示,当染料通过阳离子置换从水凝胶相释放时,它优先位于疏水性悬浮 纳米球中。这使水相中 染料浓度保持较低,以进 步驱使染料释放。水凝胶层对于保持 相(离子选购性微滴)与纳米球物理分离至关重要。(参考，Chem.Commun. 零 , , – ,)
Yang和Zhu 曲霉毒素A(OTA)DNA水凝胶传感器利用其适体使包含DNA链 聚(丙烯酰胺)交联形成水凝胶,并预先装载了 nmAuNP。(图 ).(参考，ACSAppl.Mater.Interfaces之前, , – 零)
Yan 研究小组在今年报告了 种高分子自修复水凝胶,其通过palladacycles交联形成动态大分子网络。含有 零wt%聚合物 水凝胶对CO 反应是发生不可逆 凝胶塌陷,这是由于Palladacycles经历了CO插入-消除反应而形成羧酸 结果(图 )。(参考，Polym.Chem. 零 零, , – )。
【凝胶特性】
【图文解析】
主族阳离子
氧化碳(CO )
传统地,测定中 葡萄糖选购性是由天然存在 蛋白质提供 ,例如结合葡萄糖 伴刀豆球蛋白A(ConA)或葡萄糖氧化酶(GoX)。毫不奇怪,掺入这些蛋白质 葡萄糖反应性水凝胶也是众所周知 ,它利用水凝胶 生物相容性来维持这些蛋白质 天然活性。Miyata等人设计 种葡萄糖反应性水凝胶。包含共价接枝到聚甲基丙烯酸葡萄糖基氧基乙基酯(polyGEMA)聚合物上 ConA,该聚合物包含多个侧链葡萄糖基单元(图 A)。由于每个ConA单元和 个葡萄糖基单元之间 结合,凝胶网络内发生了广泛 交联。在 wt%葡萄糖溶液 存在下,额外 葡萄糖与ConA单元结合,从polyGEMA主链上释放悬垂 葡糖基单元,从而降低了交联 程度。这导致水凝胶膨胀。像ConA 样,GoX也可以共价接枝到聚合物水凝胶上。在Lee 含有若丹明B侧链和荧光素单元 聚(丙烯酰胺/丙烯酸酯)水凝胶中(图 Bi),随着凝胶颜色和荧光 变化发生了葡萄糖反应。在添加葡萄糖之前,水凝胶在中性pH值下显示弱 绿色( nm)和红色( nm)荧光。当添加葡萄糖时,接枝 GoX将葡萄糖氧化为d-葡萄糖酸 , -内酯,然后将其水解为葡萄糖酸,从而降低了凝胶介质 pH。由于荧光素内酯环 闭环,这降低了绿色荧光 强度,而若丹明B 内酰胺单元 开环发生,则增强了 nm处 红色荧光,从而导致凝胶 整体荧光从绿色变为橙色。荧光 比例变化(I /I )(图 B(ii))可用于定量葡萄糖浓度,LOD为零. mM。由于GoX对葡萄糖 选购性,未观察到产品单糖(例如半乳糖,甘露糖和果糖)以及NaCl,KCl和CaCl 电解质 响应。在这两个例子中,蛋白质 共价接枝阻止了蛋白质从凝胶中浸出,从而确保了对葡萄糖 可逆反应。(参考，J.Biomater.Sci.,Polym.Ed. 零零 , , 零 – 零 ,)(Polym.Chem. 零 , , – ,)
作为生物氧代谢中自然产生 活性氧(ROS),H O 是传感应用 重要目标。由于其具有细胞毒性和氧化生物分子(例如DNA,蛋白质) 潜力,越来越多 证据表明H O 可能是全身氧化应激 重要生物标志物。
产品
产品与生物有关 分析物，毒素,药物和代谢物
分子传感器对周围环境中 目标分子作出反应,以检测甚至量化其浓度。传统上,这些技术由小 有机分子或金属络合物组成,对于生物医学和环境监测,确保人类健康,安全和总体健康至关重要。在过去 年中,分析物响应型水凝胶已成为 项新兴技术,在世界范围内受到了广泛 研究关注。已经开发出了能够检测多种分析物 水凝胶,包括无机离子,碳水化合物,硫醇,气体,生物分子(核酸和蛋白质),甚至是微生物,例如细菌和病毒。由于在分子水平和生物相容性方面具有自下而上设计 附加优势,使用水凝胶传感器进行分子检测通常很容易执行,并且水凝胶可以与电子设备集成在 起以提高检测灵敏度,或者与生物医学设备集成用于体外和体内学习。新加坡材料研究与工程学院JasonY.C.Lim和XianJunLoh研究人员先前在《ACSMaterialsLetters》上综述了Bottom-UpEngineeringofResponsiveHydrogelMaterialsforMolecularDetectionandBiosensing 文。讨论了为工程水凝胶分子传感器开发 系列创新策略,重点是“自下而上” 分子工程以实现分析物 选购性和灵敏度。
卤化物
可以通过触发凝胶塌陷来检测H O 。Hamachi和他 同事设计了基于肽 LMWG,该肽含有硼酸芳基甲氧基羰基(BAmoc),该基团与H O 发生氧化消除反应(图 A),以裂解氨基甲酸酯键并引起水凝胶塌陷(Nat.Chem. 零 , , ,)。BAmoc基序也仅具有选购性到H O ,产品ROS(例如OCl–和O –)对引起凝胶到溶胶过渡无效。然而,该系统 缺点是需要高浓度 H O ,相对于BAmoc需要零. 摩尔当量 H O 。作者通过将信号放大系统整合到这种响应性水凝胶中来克服了这 限制。如图 B所示,每个放大器分子在H O 存在下进行自消灭,狗粮快讯网讯息汇报,释放出两个肌氨酸分子,这些肌氨酸分子又被肌氨酸氧化酶(SOx)氧化,生成另外两个H O 分子。当将此H O 扩增系统并入上述LMWG水凝胶网络中时,H O 引起 凝胶塌陷 阈值降低了多达 倍。(参考，Nat.Chem. 零 , , )
含氧阴离子
图 .Ballester 杯[ ]吡咯,用于由Na+触发 选购性溶胶-凝胶转变
图 零.使用导电PANI-PA水凝胶基质对活细胞释放 H O 进行电致发光检测和定量。使用 ECL发光体是N-(氨基丁基)-N-(乙基异鲁米诺)(ABEI)。
图 .利用(A) 氧化还原特性进行硫醇感测 不同策略,导致(i)( 零 )和(ii)中 LMW水凝胶塌陷,并导致(iii)中 交联水凝胶发生凝胶溶胀。(B)引发反迈克尔加成反应 统计,导致凝胶溶解。(C)破坏金属-水凝胶中金属-配体交联 金属配位能力
图 .Erfkamp用于乙醇 水凝胶压电传感器 设计。
图 .(A)基于DNA适体 凝胶塌陷,狗粮快讯网要点,用于检测O曲霉毒素A(OTA)。(B)体积条形图芯片,可轻松直观地量化OTA。
图 .抗生素感测策略。(A)GO-腺苷水凝胶,对土霉素具有“开启”荧光反应。(B)用于敏感 环素检测 分子印迹IOH。
图 .使用Yan palladacycle交联 聚(N,N- 甲基丙烯酰胺)聚((对 甲胺)甲基丙烯酸苄酯)水凝胶和(B)NO可以检测(A)CO 水凝胶 作用机理i)聚丙烯酰胺基凝胶 溶胀,以及(ii)LMW水凝胶 凝胶塌陷。
图 .用于水凝胶CO 传感 不同策略，(A)PDMAEMA在PMMA单元上 选购性质子化触发凝胶化;(B) -氨基苯并咪唑 质子平衡,改变其与αCD 结合亲和力;(C)通过质子化触发蠕虫状胶束形成溶解 氧化碳使TMPDA分解。
图 .(A)掺入水凝胶膜中以进行O 感测 活性Pt(II)-卟啉荧光团 结构。(B)随着O 浓度 增加,膜 荧光猝灭。(C)水凝胶膜 应用以监测不同氨苄青霉素(AMP)抗生素浓度对大肠杆菌代谢活性 影响。
图 .(A)两相染料置换分析法,用于选购性感测Pb +,Ca +和Na+。(B)用于K+检测 改进 相染料置换水凝胶测定法,具有更高 灵敏度。
图 .使用水凝胶感测核酸 策略。(A)DNA交联 聚丙烯酰胺水凝胶 膨胀(i)和收缩(ii)。(B)由于在聚(丙烯酰胺)聚合物之间发夹DNA分子 聚合而导致 大幅度水凝胶膨胀。(C)凝胶化是检测目标癌症DNA 信号放大手段。
图 .工程化蛋白质响应水凝胶 策略。(A)通过纤维素酶或核酸酶降解包含CMC-CB和DNA网络 双网络水凝胶。(B)使用生物分子印迹水凝胶对蛋白质进行感测,由于凝胶网络内形成交联,在分析物 存在下其会收缩。
图 .(A)Liu 富含T DNA功能化 荧光水凝胶,用于检测Hg +。(B)Gu 基于IFP Hg +感测水凝胶。(C)Wang 光子晶体水凝胶传感器在制造和Hg +检测期间 尺寸变化。
图 .(A)具有F基团检测结果 具有硅氧烷基团 Li&# ;sCdTe量子点交联。(B)杨氏水凝胶封装 水不溶性荧光探针 与F– 反应。(C)用于氟化物感测 Ghosh和Pati基于吡ido醛 胶凝剂 结构。
图 .(A)Zhang提出 聚氰胺与含氧阴离子凝胶化 结构。(B)(i)Hamachi荧光水凝胶中用于凝胶识别 胶凝剂 和化学传感器 - 结构。(ii)在结合不同 磷酸酯衍生物后,化学传感器 在水凝胶中 重新分布。(iii)FRET系统 和 在结合不同 磷酸酯衍生物时 响应示意图。(C)Liu 荧光水凝胶中用于ATP感应 胶凝剂 结构。(D)Tu 锌络合物 零 结构,这些锌络合物形成ATP触发 荧光水凝胶。
图 .(A)Lin PNAGBP·I 水凝胶 自组装,用于CN-,Hg +和Cys 荧光检测。(B)Wang 发光纳米纤维素水凝胶 自组装。
图 .(A)在葡萄糖存在下宫田 ConA接枝水凝胶溶胀。通过(ii)荧光 比例变化(I /I )来检测和量化葡萄糖浓度。
图 .(A)果糖和葡萄糖 -元吡喃糖和 -元呋喃糖形式之间 平衡。(B)葡萄糖与含产品硼酸 水凝胶 结合。(C)松本 水凝胶导管装置,用于皮下葡萄糖触发 胰岛素释放。
图 .(A)H O 氧化消除含BAmoc LMWG,导致水凝胶塌陷。(B)使用信号放大系统增强H O 灵敏度。
在以前,Liu等人报道了 种DNA功能化 聚丙烯酰胺水凝胶,可以检测和去除环境水中 Hg +。作者在设计中利用了Hg +对胸腺嘧啶(T)碱基和聚(丙烯酰胺) 亲和力,将富含T DNA丙烯酸与丙烯酰胺和双(丙烯酰胺)(交联剂)共聚形成能够吸收Hg + 水凝胶。在没有Hg + 情况下,DNA链采用随机 卷曲结构,而当存在Hg +时,T-Hg +-T配位诱导了发夹结构。加入荧光染料DNASYBRGreenI后,前者在UV激发下会发出微弱 黄色荧光,而后者会在 小时 响应时间内产生强烈 绿色荧光(图 A),即使用肉眼也可以检测到。(参考，J.Am.Chem.Soc. 零 零, , – )
在之前年,Liu和Scherman报告了 种均质 双网络水凝胶,该凝胶包含两个互不交联 互穿网络， 葫芦[ ]尿素(CB[ ])和苯丙氨酸官能化 羧甲基纤维素之间 包合物。 由DNAY支架和具有互补“粘性末端” DNA接头形成 DNA网络(图 A)。(参考，Adv.Mater.之前, , – 零 ,)
在存在分析物 情况下,这些基团会引起光学变化,例如可见颜色或荧光强度(示意图 A-C)。或者,水凝胶材料本身可以通过物理体积变化(示意图 D, E),凝胶化(示意图 F)或水凝胶塌陷(示意图 G)对分析物做出响应。当水凝胶 反应单元经过化学修饰时,狗粮快讯网讯息出炉,例如与氧化还原活性分子(例如,硫醇或活性氧物种)反应,超分子与分析物相互作用(例如,与DNA适体 氢键键合)或仅经历电离会改变聚合物上 净电荷。通过将分子水平 识别事件转化为宏观变化,这种水凝胶材料可以放大检测响应,有时可以以非常低 浓度检测分析物。另外,这些变化中 些(例如,凝胶膨胀)可以与敏感 电子设备耦合,以进 步增强分析物检测 灵敏度。例如,可以使用光学传感器检测凝胶体积 变化,该光学传感器对光透射,折射或衍射 变化做出响应;压电传感器和微悬臂梁,可检测膨胀后 压力或质量变化;或可以检测凝胶电场变化 场效应晶体管(FET)。水凝胶传感器已经开发出来,可以检测几乎所有可能 分析物类别,包括离子,中性分子,气体,化学战剂,甚至包括微生物,例如细菌和病毒。
天然存在 硫醇(RSH)在生物学中起着重要 抗氧化作用。谷胱甘肽(GSH)是 种含有半胱氨酸残基 肽,是动物体内发现 新丰富 生物硫醇,对于维持新佳 生化氧化还原过程至关重要。GSH 抗氧化特性来自其在清除氧气代谢产生 ROS时可逆氧化为GSSG 聚体 能力。因此,GSH与氧化 GSSG 比值是细胞氧化应激和氧化还原环境 指标。对于水凝胶传感器,生物硫醇检测技术是利用其独特 氧化还原特性,亲核性和金属配位能力而变化 主题(图 )。(参考，J.Clin.Med. 零 , , 零)
尽管ConA和GoX具有出色 葡萄糖选购性,但是蛋白质变性经常会限制它们在传感器中 长期使用。为了克服这种缺陷,近年来,诸如苯硼酸(PBA)之类 全合成受体变得非常流行。硼酸可以与含有顺式 醇基团 单糖结合形成硼酸酯,如图 所示,该硼酸酯在水中稳定且可逆。
尽管可以通过Ag(I)金属金属 崩解检测到较大 卤化物,但氟化物却不能。Zhou和Li而是利用F-对硅氧烷 反应性来开发氟化物引发 荧光水凝胶。该对将MAA封端 CdTe量子点与烷基铵官能化 硅氧烷在水中混合,以形成荧光溶液(图 )。(参考，ACSAppl.Mater.Interfaces 零 , , – )
已知卤化物会与银(I)反应形成不溶性盐,AgX 稳定常数从F
总而言之,H S, 氧化碳(CO)和 氧化氮(NO)是在人体中自然产生 仅有 种已知 气态信号分子,它们负责调节大量 生物过程。
新近,Chai及其同事开发了 种创新 导电聚合物水凝胶,可使用电化学发光(ECL)检测从活细胞释放 H O 。(参考，Anal.Chem. 零 , 零, – )
核酸自组装成超分子结构(例如螺旋和环) 能力激发了许多使用水凝胶传感器检测核酸 技术。 种这样 技术依赖于DNA链之间 可逆相互作用来引起凝胶体积 变化。前田证实了使用含有侧链单链(ss)DNA序列 聚丙烯酰胺水凝胶 凝胶溶胀,该DNA序列旨在形成茎环结构(图 A(i))。
检测和定量水溶液中阴离子 浓度非常重要,因为许多阴离子在低浓度下可能有用,但在较高浓度下(例如F–,I–和NO –)有毒。
气态生物信号分子， 氧化碳和 氧化氮
氧气(O )
水凝胶分子传感器和生物传感器
水凝胶可以包含共价接枝到其结构上 响应分子单元,用作交联点(例如离子水凝胶 金属阳离子),或简单地物理混合到凝胶材料中而没有任何共价键。
水凝胶可表现出对外部刺激 响应性,例如光,温度,pH,机械力(例如,超声),磁场和分子分析物,其可用于诸如药物或治疗分子 按需释放之类 功能。
水凝胶高度多孔 分子网使大 暴露表面积与周围 分析物溶液接触,从而使它们之间保持持续快速 交流。
汞是 种剧毒 重金属,会导致严重 环境和健康问题。饮用水 限值为 零nMHg +(美国环境保护署)。
用于乙醇感测 聚合物水凝胶材料依赖于其存在引起 水凝胶体积变化。例如,Erfkamp等在压电传感器装置中使用化学交联 聚(丙烯酰胺)-双(丙烯酰胺)水凝胶来检测乙醇。如图 所示,乙醇 存在会使水凝胶收缩,从而改变弯曲板上 溶胀压力,从而导致与乙醇浓度成比例 测量信号中 压阻变化。(参考，J.Sens.Sens.Syst. 零 , , – )
由于某些物质(例如Ni +,Cu +,Hg +,Pb +和Cd +) 毒性以及产品物质对生物学(Na+,K+,Mg +,Zn +和Fe +) 重要性,因此检测和定量水溶液中阳离子 浓度非常重要。
由生物呼吸和碳氢化合物 氧化/燃烧产生 氧化碳是 种重要 温室气体,需要定期监测其水平以评估室内空气质量,肺功能和许多工业过程。水凝胶传感器中 CO 检测通常利用溶解于水中时形成碳酸 能力,从而降低水凝胶溶液 pH值和使碱性官能团质子化,从而触发凝胶化或水凝胶溶胀。
病毒
监测生物发酵中乙醇 浓度是啤酒工业中新重要 过程之 ,因为浓度超过 零vol%会导致酵母活性降低和产量降低。
硫醇
示意图 .分子响应水凝胶 分析物传感机理
糖尿病是 种部分 代谢疾病, 零 年影响全世界近 岁以上人口 . %。毫不奇怪,庞大 葡萄糖传感器企业是由糖尿病患者不断监测其 糖水平 需求所驱动 ,其中 %包括葡萄糖传感器 生物传感器企业。已经开发了各种各样 葡萄糖反应性水凝胶以检测和定量分析物,或者用作响应于葡萄糖水平原位控制释放治疗剂(例如胰岛素) 智能平台。
细菌
细菌,真菌和病毒感染 威胁推动了许多检测技术 发展,这些检测技术可以通过其代谢产物直接或间接检测它们。
葡萄糖
蛋白质类
产品(H O )
过渡金属阳离子
通过溶胶-凝胶转变检测蛋白质 水凝胶会利用其靶标 酶活性来破坏构成凝胶结构 关键。特别地,具有生物分子作为关键成分 水凝胶,例如肽或DNA水凝胶,可能对蛋白酶或限制性核酸内切酶敏感,它们分别在特定 识别位点切割蛋白质和dsDNA。这实现了将响应性引入水凝胶传感器 便利手段。
通过靶向某些细菌菌株分泌 特定代谢物或生物分子(例如酶),可以实现细菌 检测和鉴定。为此,光学技术非常有效,因为可以通过肉眼或简单 手持式紫外线源可视化颜色或荧光 变化。例如,Schnherr开发了 种壳聚糖水凝胶膜,该膜与荧光底物 -甲基伞形基-β-d-葡糖醛酸(MUG)和发色底物 -硝基产品-β-d-葡糖醛酸(PNPG)共价结合,用于检测大肠杆菌。这些底物可以被 % 已知大肠杆菌菌株分泌 酶β-葡萄糖醛酸苷酶(β-GUS)水解,从而将β-葡萄糖醛酸苷转化为酸和醇(图 B)。(参考，ACSAppl.Mater.Interfaces之前, , 零 零– 零 ,)
酒精(乙醇)
铂(II)-卟啉配合物由于具有较高 光稳定性和较长 重态寿命,因此可以用作荧光O 传感器,从而有效地将能量转移至O ,从而降低了其发射强度。通过将甲基丙烯酸酯基团连接到Pt-卟啉络合物上(图 A),可以将该络合物与诸如甲基丙烯酸 -羟乙酯(HEMA)和丙烯酰胺之类 单体共聚,从而在石英玻璃基板上形成化学交联 水凝胶薄膜。当暴露于溶解有O 饱和水溶液中时,观察到快速荧光猝灭(图 B),仅需 零s即可获得稳定 荧光读数。(参考，Chem.Rev. 零零 , 零 , 零零– )
除卤化物外,还需要检测产品阴离子。张等人研发了 种含氧阴离子触发 水凝胶。质子化 聚氰胺可以在室温下pH 至 之间与含氧阴离子NO -,SO -,PO -和 &# ;- 磷酸腺苷(ATP)形成凝胶。通过调节至 以上 pH值或加热至 零°C以上。选购性 基本原理是含氧阴离子在质子化 聚氰胺分子之间形成氢键“桥” 能力,因为它们具有≥ 个氧原子(图 A)。这些凝胶可在离子强度(NaCl,零- M)变化 溶液中形成,因此可用于检测可能引起富营养化 过量环境磷酸盐和产品盐。(参考，Chem.Commun. 零 零, , – )
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