液體門控技術：面向物質檢測應用

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，世界各國的醫療衛生體系面臨嚴峻挑戰。發展快速、便攜、低成本的物質檢測技術，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）是一種廣泛應用的技術，可用于工業化程度低的國家和地區，以及家庭醫療、事故現場等缺乏實驗室基礎設施的環境。特別是針對諸如新型冠狀病毒感染等傳染病檢測，POCT能很好滿足世界衛生組織對發展中國家的診斷技術建議：低成本、靈敏、特異性、用戶友好、快速可靠、無設備、可直接供用戶使用[2]。目前，已商業化的POCT設備主要有血糖儀和側向流檢測試紙條兩種：前者依靠傳感器，雖然檢測靈敏度高，但其應用和發展受限于對能量輸入和輔助顯示儀器的高要求；后者是一種應用廣泛的比色視覺檢測方法，但靈敏度較低，不借助外在設備很難實現定量分析。作為一種新興技術，液體門控技術可以兼顧高靈敏度、無需支持電源和輔助顯示儀器、可定量檢測的特點，展現出作為一種便捷式物質檢測平臺的獨特優勢，有望發展成為新一代的POCT設備。

門控液體的重構性質

受生物啟發，侯旭等人利用功能液體作為結構與功能材料成功構建了液體門控系統[3-6]。不同于液體在宏觀情況下的高流動性，液體門控系統中，液體因為微米孔道的毛細力而穩定填充在孔道內部，形成一種閉合狀態的“液體門”。在物質輸運過程中，當施加壓強超出物質跨膜壓強閾值時，“液體門”將迅速開啟，當壓強低于閾值后，“液體門”恢復到閉合狀態。這種受施加壓強驅動的“液體門”可逆開關行為，為基于刺激—響應的門控液體的界面設計及應用提供了新思路，即利用壓強閾值來反饋待測物質的有效成分與含量。表面活性劑常被譽為“工業味精”，其添加通常會使液體的界面性質發生顯著變化，從而產生豐富的界面行為。例如，表面活性劑調控液晶分子排列取向導致液晶光學形貌發生變化，可用于構筑液晶傳感平臺[7]；表面活性劑調控復雜乳狀液的形貌使其發生肉眼可見的光學變化，為化學檢測提供了光學讀取機制[8]。基于此，將表面活性劑等響應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作用機制和主客體分子的特異性識別機制，實現對液體門控系統界面性質的靈活調節，賦予其物質檢測與識別功能。

偶極誘導液體門控檢測技術

分子構型對諸如多相催化、電子傳輸電極、超疏水表面設計，以及界面化學相互作用等界面應用至關重要。基于液體門控系統設計的偶極誘導液體門控多孔膜系統，可利用門控液體中雙親性分子在氣—液界面的動態化學構象重排行為，發展一種全新的化學檢測方法[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的空間結構，誘導其電荷分布發生改變，從而使其偶極矩降低。SDBS分子中的長鏈烷烴基團表現得更疏水，宏觀上體現為門控液體的表面張力降低，進而導致系統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出更親水的性質，界面張力升高，進而導致系統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中的離子種類。

基于以上檢測機制，構建可視化檢測裝置：液體門控系統與預設的儲氣腔室相連，系統一側設有待測物入口管和出口管，并在釋放端設置指示管（里面含有帶顏色的液滴作為標記物）。待測物分子由待測物管道進入門控系統，系統氣體跨膜壓強閾值降低，預設于儲氣腔室中的氣體會被釋放，推動標記物產生位移。通過監測氣體跨膜壓強閾值的變化和觀察標記物移動的距離就可以得到待測物的成分、濃度等信息。這種液體門控系統檢測裝置操作簡單，可微型化使用，適于構建新型的POCT平臺。

主客體液體門控檢測技術

對環境和生物中的物質進行定量分析，可為藥物濫用檢測、環境污染監測、醫學測試和食品安全評估等提供指導。當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信息轉化為定量的物理信號，并通過專門的儀器設備對其進行讀取分析。然而，在資源有限的環境中這類檢測技術的應用與普及面臨著實驗室基礎設施、精密設備和專業人員的短缺等挑戰。有必要開發新的檢測技術，使其具有低成本、便攜和無設備化的特性。而一種基于主客體液體門控技術的全新檢測系統，在無需借助光學或電子設備的條件下，將生物化學分子的界面識別行為定量轉化為可視化檢測信號，就可構建一個低成本、便攜的定量檢測平臺[10]。

主客體液體門控技術的基本檢測原理如下：當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，從而降低系統的氣體跨膜壓強閾值。當引入含有疏水空腔的大環分子即主體分子時，由于靜電和疏水作用，大環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合，形成的主客體復合物更易于待在門控液體中而非停留于氣—液界面，從而導致界面處的表面活性劑減少，表現為系統的氣體跨膜壓強閾值升高。因此表面活性劑與大環分子的動態結合，可以改變氣—液界面性質，為構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時，將競爭大環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分子的疏水空腔中被置換出來，重新在氣—液界面富集，導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記物移動，或引起指示劑變色。最終，可以根據標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分子結合能力弱，無法將表面活性劑從疏水空腔中置換出來，系統仍保持較高的氣體跨膜壓強閾值，“液體門”保持關閉狀態，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了液體門控技術對生物化學分子的定量檢測，是液體門控技術面向物質檢測應用更深層次的突破。

結 語

基于界面分子重構的液體門控檢測技術可以滿足當前POCT平臺簡單操作、無設備化和結果可視化等要求。面向物質檢測應用的液體門控技術處于高速發展階段，而如何設計和制造出低成本、穩定耐用、高通量（一次可檢測多個樣品或對同一樣品進行多種檢測）和多信號輸出（檢測結果能夠以不同的信號方式表現出來，可以互助驗證，減少假信號的發生）的POCT平臺，將是液體門控檢測技術面對復雜檢測環境應用的重大挑戰。

未來，液體門控檢測技術可以與微流控、人工智能和機器學習等結合，進一步探索界面分子識別機制和宏觀信號之間的關系，提高物質檢測的靈敏性和穩定性。基于液體門控技術的檢測方法蘊含多種可開發的機制，多樣化的化學、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、腫瘤標志物、病毒、細菌等的檢測，為物質檢測領域帶來更多革新！

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關鍵詞：液體門控技術 可視化檢測 表面活性劑 即時檢測 ■