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南开大学郭东升课题组Nat. Commun.:超分子方法便捷构筑传感阵列单元库

犬类的嗅觉非常灵敏,这是因为犬类的鼻腔中约有12500~20000万个嗅觉细胞,是人类嗅觉细胞数量的25-44倍。由此可见,更多数量的识别受体往往意味着更灵敏的感知效果。同样地,受嗅觉系统启发而构造的“化学鼻子”—化学传感阵列也需要足够数量的传感单元才能获得更精细的区分指数。


与单一传感中的特异性识别不同,阵列传感依赖于多个分析物和传感单元的交互响应,以便为每个分析物创建一个独特的“指纹”。如今,传感阵列广泛用于检测与人类健康、环境和质量控制相关的分析物。为了给分析物提供更多信息,创建有效的阵列传感系统的关键任务之一是构建传感单元库。化学合成是获得新传感单元的有效方法,但大量传感单元的合成往往意味着很大的工作量,因此,亟需发展新的传感单元构筑方法。在这项研究中,南开大学郭东升点击查看介绍)课题组充分利用分子识别与组装,发展了便捷构建阵列传感单元库的超分子方法。 

图1. 使用两种受体和两种染料形成50个传感单元。图片来源:Nat. Commun.


作者将两亲环糊精与多种两亲杯芳烃共组装以构建不同的受体,络合不同染料形成不同的传感单元。这类充分融合超分子化学的识别与组装性质传感单元具有很强的可调谐性。例如,考虑两个可以相互组装的受体和两种染料,假设染料只能与其中一种受体复合,通过使用五种不同的共组装比率和五种受体/染料比率,可以构建出一个含50个传感单元的阵列库(图1),为鉴别提供丰富的信息。在此工作中,作者设计了五种传感构筑策略,包括 (1) 改变主客体对,传感阵列的判别能力来自受体和分析物、受体和染料、染料和分析物之间的结合亲和力差异;(2) 更换染料,得益于大环的识别兼容性,减小了对大环化合物的合成工作量,区分能力来自受体和染料、染料和分析物之间的结合亲和力差异;(3) 调节组装体比例,改变共组装中的比例会影响其表面上结合位点的数量、比例和分布,进而影响与相同分析物的结合亲和力;(4) 调节主客体比例,在这种情况下,判别能力主要来自指示剂置换分析过程中荧光信号与分析物浓度之间的非线性关系(图2);(5) 改变pH,利用超分子传感单元的环境敏感性,区分能力来自于在不断变化的环境中的不同识别特性。这样,作者通过对传感单元组分、比例及环境进行调节,就可以利用有限的化合物构筑丰富的传感阵列单元,大大降低了合成的工作量。同时,通过理论模拟和实验验证,此超分子方法构筑的传感阵列具有很好的判别能力。

图2. 基于调节主客体比例的传感器阵列的构建、理论模型和实验结果。图片来源:Nat. Commun.


通过更换组分、调节比例、改变环境等手段,作者共开发了包括32个传感单元的十个四元传感阵列。基于两亲环糊精和杯芳烃构筑的传感单元具有杂多价识别的性质,更适用于分析生物大分子或者复杂体系。因此,作者首先使用蛋白质作为模型分析物对阵列的区分能力进行检验。十个传感阵列均显示出有效的辨别能力。进而,将不同策略构筑的阵列两两组合时,可以进一步提升区分判别能力,实现对目标蛋白质的全部区分。作者进一步将该超分子传感阵列应用于分析实际复杂体系—蜂蜜,传感阵列能够有效区分来自不同花卉来源和品牌的蜂蜜,以及使用糖浆或廉价蜂蜜掺假的样本。作者发展的超分子传感阵列构筑策略通过简单调节组分、比例或环境即可获得传感单元库,可以在传感单元构筑化合物有限的条件下获得更多维度的判别信息,提高传感阵列的判别效果。此类构筑策略能够推广到其他同样具有识别与组装性质的分子上,为传感阵列的构筑提供新思路。


这一成果近期发表在Nature Communications 上,文章的第一作者是南开大学博士生田嘉宏和博士后胡心悦


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

A facile way to construct sensor array library via supramolecular chemistry for discriminating complex systems

Jia-Hong Tian, Xin-Yue Hu, Zong-Ying Hu, Han-Wen Tian, Juan-Juan Li, Yu-Chen Pan, Hua-Bin Li, Dong-Sheng Guo

Nat. Commun., 202213, 4293, DOI: 10.1038/s41467-022-31986-x


郭东升教授简介


郭东升,南开大学化学学院教授/博导,主要从事生物医用超分子材料的研究工作。目前已在Nat. Chem.、Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Nat. Commun.等刊物上发表论文150余篇,累计他引6000余次。参编专著2部,授权国家发明专利22件。在国内、外学术交流会议上做学术报告60余次。


研究方向


课题组聚焦生物医用超分子材料的研究工作。从第三代大环主体—杯芳烃出发,以分子设计合成为基础,以识别和组装性质为手段,以生物医药功能为导向,致力于开发高效识别的新型超分子载体和诊疗材料,为实现精准医疗提供新方法,发展新材料。研究工作体现了多学科交叉融合的特性,涉及合成化学、超分子化学、化学生物学、生物医用材料和纳米医学等。


课题组主页

https://www.x-mol.com/groups/calixer 

http://www.calixer.cn/ 


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