综述!《ACS材料快讯》分子检测和生物传感的响应型水凝胶自下而上工程

【文献摘要】分子传感器对周围环境中的目标分子作出反应，以检测甚至量化其浓度。传统上，这些技术由小的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。在过去的二十年中，分析物响应型水凝胶已成为一项新兴技术，在世界范围内受到了广泛的研究关注。已经开发出了能够检测多种分析物的水凝胶，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的附加优势，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一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Jason
Y. C. Lim 和Xian Jun Loh研究人员先前在《ACS Materials Letters》上综述了Bottom-Up Engineering of Responsive Hydrogel Materials for Molecular Detection and
Biosensing一文。讨论了为工程水凝胶分子传感器开发的一系列创新策略，重点是“自下而上”的分子工程以实现分析物的选择性和灵敏度。【凝胶特性】水凝胶可表现出对外部刺激的响应性，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的按需释放之类的功能。水凝胶可以包含共价接枝到其结构上的响应分子单元，用作交联点（例如离子水凝胶的金属阳离子），或简单地物理混合到凝胶材料中而没有任何共价键。水凝胶高度多孔的分子网使大的暴露表面积与周围的分析物溶液接触，从而使它们之间保持持续快速的对话。【图文解析】在存在分析物的情况下，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1A-C）。或者，水凝胶材料本身可以通过物理体积变化（示意图1D，1E），凝胶化（示意图1F）或水凝胶塌陷（示意图1G）对分析物做出响应。当水凝胶的反应单元经过化学修饰时，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适体的氢键键合）或仅经历电离会改变聚合物上的净电荷。通过将分子水平的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，有时可以以非常低的浓度检测分析物。另外，这些变化中的一些（例如，凝胶膨胀）可以与敏感的电子设备耦合，以进一步增强分析物检测的灵敏度。例如，可以使用光学传感器检测凝胶体积的变化，该光学传感器对光透射，折射或衍射的变化做出响应；压电传感器和微悬臂梁，可检测膨胀后的压力或质量变化；或可以检测凝胶电场变化的场效应晶体管（FET）。水凝胶传感器已经开发出来，可以检测几乎所有可能的分析物类别，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。示意图1.分子响应水凝胶的分析物传感机理水凝胶分子传感器和生物传感器1.阳离子由于某些物质（例如Ni2+，Cu2+，Hg2+，Pb2+和Cd2+）的毒性以及其他物质对生物学（Na+，K+，Mg2+，Zn2+和Fe3+）的重要性，因此检测和定量水溶液中阳离子的浓度非常重要。主族阳离子2011年，Ballester及其同事发现，在四甲基铵（TMA+）阳离子存在下，杯[4]吡咯1（图1）的碱性水溶液可以在Na+存在下选择性地形成稳定的水凝胶。图1.
Ballester的杯[4]吡咯，用于由Na+触发的选择性溶胶-凝胶转变Xie团队随后开发了一种更通用的阳离子检测方法，即利用染料置换分析法检测Na+，Ca2+和Pb2+。在他们的方法中，将含有合适离子基团的离子选择性微滴（可选择性结合目标阳离子），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2A）。如图2B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的纳米球中。这使水相中的染料浓度保持较低，以进一步驱使染料释放。水凝胶层对于保持第一相（离子选择性微滴）与纳米球物理分离至关重要。（参考：Chem.
Commun. 2019, 55, 1774– 1777,）图2.（A）两相染料置换分析法，用于选择性感测Pb2+，Ca2+和Na+。（B）用于K+检测的改进的三相染料置换水凝胶测定法，具有更高的灵敏度。过渡金属阳离子汞是一种剧毒的重金属，会导致严重的环境和健康问题。 饮用水的限值为10 nM
Hg2+（美国环境保护署）。在2010年，Liu等人报道了一种DNA功能化的聚丙烯酰胺水凝胶，可以检测和去除环境水中的Hg2+。作者在设计中利用了Hg2+对胸腺嘧啶（T）碱基和聚（丙烯酰胺）的亲和力，将富含T的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Hg2+的水凝胶。在没有Hg2+的情况下，DNA链采用随机的卷曲结构，而当存在Hg2+时，T-Hg2+-T配位诱导了发夹结构。加入荧光染料DNA
SYBR Green I后，前者在UV激发下会发出微弱的黄色荧光，而后者会在1小时的响应时间内产生强烈的绿色荧光（图3A），即使用肉眼也可以检测到。（参考：J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 12668–
12673）图3.（A）Liu的富含T的DNA功能化的荧光水凝胶，用于检测Hg2+。（B）Gu的基于IFP的Hg2+感测水凝胶。（C）Wang的光子晶体水凝胶传感器在制造和Hg2+检测期间的尺寸变化。2.阴离子检测和定量水溶液中阴离子的浓度非常重要，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NO3–）有毒。卤化物已知卤化物会与银（I）反应形成不溶性盐，AgX的稳定常数从F