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)檢測技術(shù)，對于各類疾病的早期篩查等具有重要意義[1]。即時檢測（point of care testing，POCT）是一種廣泛應(yīng)用的技術(shù)，可用于工業(yè)化程度低的國家和地區(qū)，以及家庭醫(yī)療、事故現(xiàn)場等缺乏實驗室基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境。特別是針對諸如新型冠狀病毒感染等傳染病檢測，POCT能很好滿足世界衛(wèi)生組織對發(fā)展中國家的診斷技術(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)向流檢測試紙條兩種：前者依靠傳感器，雖然檢測靈敏度高，但其應(yīng)用和發(fā)展受限于對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方法，但靈敏度較低，不借助外在設(shè)備很難實現(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、可定量檢測的特點，展現(xiàn)出作為一種便捷式物質(zhì)檢測平臺的獨特優(yōu)勢，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性，液體門控系統(tǒng)中，液體因為微米孔道的毛細力而穩(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)輸運過程中，當(dāng)施加壓強超出物質(zhì)跨膜壓強閾值時，“液體門”將迅速開啟，當(dāng)壓強低于閾值后，“液體門”恢復(fù)到閉合狀態(tài)。這種受施加壓強驅(qū)動的“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)計及應(yīng)用提供了新思路，即利用壓強閾值來反饋待測物質(zhì)的有效成分與含量。表面活性劑常被譽為“工業(yè)味精”，其添加通常會使液體的界面性質(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[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)檢測提供了光學(xué)讀取機制[8]?；诖耍瑢⒈砻婊钚詣┑软憫?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)作用機制和主客體分子的特異性識別機制，實現(xiàn)對液體門控系統(tǒng)界面性質(zhì)的靈活調(diào)節(jié)，賦予其物質(zhì)檢測與識別功能。

偶極誘導(dǎo)液體門控檢測技術(shù)

分子構(gòu)型對諸如多相催化、電子傳輸電極、超疏水表面設(shè)計，以及界面化學(xué)相互作用等界面應(yīng)用至關(guān)重要?；谝后w門控系統(tǒng)設(shè)計的偶極誘導(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（簡稱SDBS，含有疏水的長鏈烷烴基團和親水的磺酸鹽離子基團）加入門控液體后，其分子自動分布到氣—液界面，使得界面張力降低，從而降低系統(tǒng)的氣體跨膜壓強閾值。進一步，在門控液體中添加不同的陽離子待測物，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分子中的長鏈烷烴基團表現(xiàn)得更疏水，宏觀上體現(xiàn)為門控液體的表面張力降低，進而導(dǎo)致系統(tǒng)具有更低的氣體跨膜壓強閾值。在特定濃度下，不同類型的陽離子使得氣體跨膜壓強閾值降低的程度不同。而添加少量乙醇，會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，進而導(dǎo)致系統(tǒng)中氣體跨膜壓強閾值增加。因此，通過檢測氣體跨膜壓強的變化就能夠檢測和分辨系統(tǒng)中的離子種類。

基于以上檢測機制，構(gòu)建可視化檢測裝置：液體門控系統(tǒng)與預(yù)設(shè)的儲氣腔室相連，系統(tǒng)一側(cè)設(shè)有待測物入口管和出口管，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）。待測物分子由待測物管道進入門控系統(tǒng)，系統(tǒng)氣體跨膜壓強閾值降低，預(yù)設(shè)于儲氣腔室中的氣體會被釋放，推動標(biāo)記物產(chǎn)生位移。通過監(jiān)測氣體跨膜壓強閾值的變化和觀察標(biāo)記物移動的距離就可以得到待測物的成分、濃度等信息。這種液體門控系統(tǒng)檢測裝置操作簡單，可微型化使用，適于構(gòu)建新型的POCT平臺。

主客體液體門控檢測技術(shù)

對環(huán)境和生物中的物質(zhì)進行定量分析，可為藥物濫用檢測、環(huán)境污染監(jiān)測、醫(yī)學(xué)測試和食品安全評估等提供指導(dǎo)。當(dāng)前生物傳感機制主要依賴于分子間相互作用，將待測物的生物化學(xué)信息轉(zhuǎn)化為定量的物理信號，并通過專門的儀器設(shè)備對其進行讀取分析。然而，在資源有限的環(huán)境中這類檢測技術(shù)的應(yīng)用與普及面臨著實驗室基礎(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)分子的界面識別行為定量轉(zhuǎn)化為可視化檢測信號，就可構(gòu)建一個低成本、便攜的定量檢測平臺[10]。

主客體液體門控技術(shù)的基本檢測原理如下：當(dāng)門控液體中僅存在表面活性劑分子時，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)的氣體跨膜壓強閾值。當(dāng)引入含有疏水空腔的大環(huán)分子即主體分子時，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)的氣體跨膜壓強閾值升高。因此表面活性劑與大環(huán)分子的動態(tài)結(jié)合，可以改變氣—液界面性質(zhì)，為構(gòu)建主客體檢測平臺提供一個可行性的框架。

待測物分子進入液體門控系統(tǒng)時，將競爭大環(huán)分子即主體分子的活性位點，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)致儲氣腔室壓強高于氣體跨膜壓強閾值，“液體門”打開，儲氣腔室中的氣體被釋放，釋放的氣體會推動液滴標(biāo)記物移動，或引起指示劑變色。最終，可以根據(jù)標(biāo)記物移動的距離或指示液顏色變化判斷待測物的信息。

此外，該機制具有特異性，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閾值，“液體門”保持關(guān)閉狀態(tài)，進而阻止儲氣腔室中的氣體釋放（P閾值 ﹥ P腔）。主客體液體門控檢測機制首次實現(xiàn)了液體門控技術(shù)對生物化學(xué)分子的定量檢測，是液體門控技術(shù)面向物質(zhì)檢測應(yīng)用更深層次的突破。

結(jié) 語

基于界面分子重構(gòu)的液體門控檢測技術(shù)可以滿足當(dāng)前POCT平臺簡單操作、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)計和制造出低成本、穩(wěn)定耐用、高通量（一次可檢測多個樣品或?qū)ν粯悠愤M行多種檢測）和多信號輸出（檢測結(jié)果能夠以不同的信號方式表現(xiàn)出來，可以互助驗證，減少假信號的發(fā)生）的POCT平臺，將是液體門控檢測技術(shù)面對復(fù)雜檢測環(huán)境應(yīng)用的重大挑戰(zhàn)。

未來，液體門控檢測技術(shù)可以與微流控、人工智能和機器學(xué)習(xí)等結(jié)合，進一步探索界面分子識別機制和宏觀信號之間的關(guān)系，提高物質(zhì)檢測的靈敏性和穩(wěn)定性。基于液體門控技術(shù)的檢測方法蘊含多種可開發(fā)的機制，多樣化的化學(xué)、生物和物理相互作用機制均可納入門控液體中，從而拓展到諸如對生物酶、腫瘤標(biāo)志物、病毒、細菌等的檢測，為物質(zhì)檢測領(lǐng)域帶來更多革新！

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