分子傳感器對周圍環(huán)境中的目標(biāo)分子作出反應(yīng)，以檢測甚至量化其濃度。傳統(tǒng)上，這些技術(shù)由小的有機分子或金屬絡(luò)合物組成，對于生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境監(jiān)測，確保人類健康，安全和總體健康至關(guān)重要。在過去的二十年中，分析物響應(yīng)型水凝膠已成為一項新興技術(shù)，在世界范圍內(nèi)受到了廣泛的研究關(guān)注。已經(jīng)開發(fā)出了能夠檢測多種分析物的水凝膠，包括無機離子，碳水化合物，硫醇，氣體，生物分子(核酸和蛋白質(zhì))，甚至是微生物，例如細菌和病毒。由于在分子水平和生物相容性方面具有自下而上設(shè)計的附加優(yōu)勢，使用水凝膠傳感器進行分子檢測通常很容易執(zhí)行，并且水凝膠可以與電子設(shè)備集成在一起以提高檢測靈敏度，或者與生物醫(yī)學(xué)設(shè)備集成用于體外和體內(nèi)學(xué)習(xí)。新加坡材料研究與工程學(xué)院Jason Y. C. Lim 和Xian Jun Loh研究人員先前在《ACS Materials Letters》上綜述了Bottom-Up Engineering of Responsive Hydrogel Materials for Molecular Detection and Biosensing一文。討論了為工程水凝膠分子傳感器開發(fā)的一系列創(chuàng)新策略，重點是“自下而上”的分子工程以實現(xiàn)分析物的選擇性和靈敏度。

【凝膠特性】

水凝膠可表現(xiàn)出對外部刺激的響應(yīng)性，例如光，溫度，pH，機械力(例如，超聲)，磁場和分子分析物，其可用于諸如藥物或治療分子的按需釋放之類的功能。

水凝膠可以包含共價接枝到其結(jié)構(gòu)上的響應(yīng)分子單元，用作交聯(lián)點(例如離子水凝膠的金屬陽離子)，或簡單地物理混合到凝膠材料中而沒有任何共價鍵。

水凝膠高度多孔的分子網(wǎng)使大的暴露表面積與周圍的分析物溶液接觸，從而使它們之間保持持續(xù)快速的對話。

【圖文解析】

在存在分析物的情況下，這些基團會引起光學(xué)變化，例如可見顏色或熒光強度(示意圖1A-C)。或者，水凝膠材料本身可以通過物理體積變化(示意圖1D，1E)，凝膠化(示意圖1F)或水凝膠塌陷(示意圖1G)對分析物做出響應(yīng)。當(dāng)水凝膠的反應(yīng)單元經(jīng)過化學(xué)修飾時，例如與氧化還原活性分子(例如，硫醇或活性氧物種)反應(yīng)，超分子與分析物相互作用(例如，與DNA適體的氫鍵鍵合)或僅經(jīng)歷電離會改變聚合物上的凈電荷。通過將分子水平的識別事件轉(zhuǎn)化為宏觀變化，這種水凝膠材料可以放大檢測響應(yīng)，有時可以以非常低的濃度檢測分析物。另外，這些變化中的一些(例如，凝膠膨脹)可以與敏感的電子設(shè)備耦合，以進一步增強分析物檢測的靈敏度。例如，可以使用光學(xué)傳感器檢測凝膠體積的變化，該光學(xué)傳感器對光透射，折射或衍射的變化做出響應(yīng);壓電傳感器和微懸臂梁，可檢測膨脹后的壓力或質(zhì)量變化;或可以檢測凝膠電場變化的場效應(yīng)晶體管(FET)。水凝膠傳感器已經(jīng)開發(fā)出來，可以檢測幾乎所有可能的分析物類別，包括離子，中性分子，氣體，化學(xué)戰(zhàn)劑，甚至包括微生物，例如細菌和病毒。

示意圖1.分子響應(yīng)水凝膠的分析物傳感機理

水凝膠分子傳感器和生物傳感器

1.陽離子

由于某些物質(zhì)(例如Ni2+，Cu2+，Hg2+，Pb2+和Cd2+)的毒性以及其他物質(zhì)對生物學(xué)(Na+，K+，Mg2+，Zn2+和Fe3+)的重要性，因此檢測和定量水溶液中陽離子的濃度非常重要。

主族陽離子

2011年，Ballester及其同事發(fā)現(xiàn)，在四甲基銨(TMA+)陽離子存在下，杯[4]吡咯1(圖1)的堿性水溶液可以在Na+存在下選擇性地形成穩(wěn)定的水凝膠。

圖1.Ballester的杯[4]吡咯，用于由Na+觸發(fā)的選擇性溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變

Xie團隊隨后開發(fā)了一種更通用的陽離子檢測方法，即利用染料置換分析法檢測Na+，Ca2+和Pb2+。在他們的方法中，將含有合適離子基團的離子選擇性微滴(可選擇性結(jié)合目標(biāo)陽離子)，親脂性離子交換鹽，陽離子染料和增塑劑包埋在瓊脂糖水凝膠基質(zhì)中(圖2A)。如圖2B所示，當(dāng)染料通過陽離子置換從水凝膠相釋放時，它優(yōu)先位于疏水性懸浮的納米球中。這使水相中的染料濃度保持較低，以進一步驅(qū)使染料釋放。水凝膠層對于保持第一相(離子選擇性微滴)與納米球物理分離至關(guān)重要。(參考：Chem. Commun. 2019, 55, 1774– 1777,)

圖2.(A)兩相染料置換分析法，用于選擇性感測Pb2+，Ca2+和Na+。(B)用于K+檢測的改進的三相染料置換水凝膠測定法，具有更高的靈敏度。

過渡金屬陽離子

汞是一種劇毒的重金屬，會導(dǎo)致嚴重的環(huán)境和健康問題。 飲用水的限值為10 nM Hg2+(美國環(huán)境保護署)。

在2010年，Liu等人報道了一種DNA功能化的聚丙烯酰胺水凝膠，可以檢測和去除環(huán)境水中的Hg2+。作者在設(shè)計中利用了Hg2+對胸腺嘧啶(T)堿基和聚(丙烯酰胺)的親和力，將富含T的DNA丙烯酸與丙烯酰胺和雙(丙烯酰胺)(交聯(lián)劑)共聚形成能夠吸收Hg2+的水凝膠。在沒有Hg2+的情況下，DNA鏈采用隨機的卷曲結(jié)構(gòu)，而當(dāng)存在Hg2+時，T-Hg2+-T配位誘導(dǎo)了發(fā)夾結(jié)構(gòu)。加入熒光染料DNA SYBR Green I后，前者在UV激發(fā)下會發(fā)出微弱的黃色熒光，而后者會在1小時的響應(yīng)時間內(nèi)產(chǎn)生強烈的綠色熒光(圖3A)，即使用肉眼也可以檢測到。(參考：J. Am. Chem. Soc.2010, 132, 12668– 12673)

圖3.(A)Liu的富含T的DNA功能化的熒光水凝膠，用于檢測Hg2+。(B)Gu的基于IFP的Hg2+感測水凝膠。(C)Wang的光子晶體水凝膠傳感器在制造和Hg2+檢測期間的尺寸變化。

2.陰離子

檢測和定量水溶液中陰離子的濃度非常重要，因為許多陰離子在低濃度下可能有用，但在較高濃度下(例如F–，I–和NO3–)有毒。

鹵化物

已知鹵化物會與銀(I)反應(yīng)形成不溶性鹽，AgX的穩(wěn)定常數(shù)從F

盡管可以通過Ag(I)金屬金屬的崩解檢測到較大的鹵化物，但氟化物卻不能。Zhou和Li而是利用F-對硅氧烷的反應(yīng)性來開發(fā)氟化物引發(fā)的熒光水凝膠。該對將MAA封端的CdTe量子點與烷基銨官能化的硅氧烷在水中混合，以形成熒光溶液(圖4)。(參考：ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4, 721– 724)

圖4.(A)具有F基團檢測結(jié)果的具有硅氧烷基團的Li's CdTe量子點交聯(lián)。(B)楊氏水凝膠封裝的水不溶性熒光探針2與F–的反應(yīng)。(C)用于氟化物感測的Ghosh和Pati基于吡ido醛的膠凝劑4的結(jié)構(gòu)。

含氧陰離子

除鹵化物外，還需要檢測其他陰離子。 張等人研發(fā)了一種含氧陰離子觸發(fā)的水凝膠。質(zhì)子化的三聚氰胺可以在室溫下pH 2至5之間與含氧陰離子NO3-，SO42-，PO43-和5'-三磷酸腺苷(ATP)形成凝膠。通過調(diào)節(jié)至7以上的pH值或加熱至50°C以上。選擇性的基本原理是含氧陰離子在質(zhì)子化的三聚氰胺分子之間形成氫鍵“橋”的能力，因為它們具有≥3個氧原子(圖5A)。這些凝膠可在離子強度(NaCl，0-1 M)變化的溶液中形成，因此可用于檢測可能引起富營養(yǎng)化的過量環(huán)境磷酸鹽和硝酸鹽。(參考：Chem. Commun. 2010, 46, 6786– 6788)

圖5.(A)Zhang提出的三聚氰胺與含氧陰離子凝膠化的結(jié)構(gòu)。(B)(i)Hamachi熒光水凝膠中用于凝膠識別的膠凝劑5和化學(xué)傳感器6-8的結(jié)構(gòu)。(ii)在結(jié)合不同的磷酸酯衍生物后，化學(xué)傳感器6在水凝膠中的重新分布。(iii)FRET系統(tǒng)7和8在結(jié)合不同的磷酸酯衍生物時的響應(yīng)示意圖。(C)Liu的熒光水凝膠中用于ATP感應(yīng)的膠凝劑9的結(jié)構(gòu)。(D)Tu的鋅絡(luò)合物10的結(jié)構(gòu)，這些鋅絡(luò)合物形成ATP觸發(fā)的熒光水凝膠。

其他

Lin和他的同事分別開發(fā)了一種多刺激響應(yīng)水凝膠，用于體外熒光檢測氰化物，汞和半胱氨酸(圖6A)。作者合成了萘酰亞胺功能化的支柱[5]芳烴(PNA)，它可以與雙吡啶鹽(GBP)自組裝以在DMSO/H2O中形成超分子水凝膠(PNAGBP，80 mM，1：1)。該凝膠具有強黃色熒光(在λex= 365 nm處，λem= 530 nm)，這是由于柱狀芳烴腔中包含吡啶鎓基團引起的AIE所致。(參考：Macromolecules 2017, 50, 7863– 7871)

圖6.(A)Lin的PNAGBP·I2水凝膠的自組裝，用于CN-，Hg2+和Cys的熒光檢測。(B)Wang的發(fā)光納米纖維素水凝膠的自組裝。

3.與生物有關(guān)的分子和生物分子

葡萄糖

糖尿病是一種主要的代謝疾病，2014年影響全球近18歲以上人口的8.5%。毫不奇怪，龐大的葡萄糖傳感器市場是由糖尿病患者不斷監(jiān)測其血糖水平的需求所驅(qū)動的，其中85% 包括葡萄糖傳感器的生物傳感器市場。已經(jīng)開發(fā)了各種各樣的葡萄糖反應(yīng)性水凝膠以檢測和定量分析物，或者用作響應(yīng)于葡萄糖水平原位控制釋放治療劑(例如胰島素)的智能平臺。

傳統(tǒng)地，測定中的葡萄糖選擇性是由天然存在的蛋白質(zhì)提供的，例如結(jié)合葡萄糖的伴刀豆球蛋白A(ConA)或葡萄糖氧化酶(GoX)。毫不奇怪，摻入這些蛋白質(zhì)的葡萄糖反應(yīng)性水凝膠也是眾所周知的，它利用水凝膠的生物相容性來維持這些蛋白質(zhì)的天然活性。Miyata等人設(shè)計的一種葡萄糖反應(yīng)性水凝膠。包含共價接枝到聚甲基丙烯酸葡萄糖基氧基乙基酯(polyGEMA)聚合物上的ConA，該聚合物包含多個側(cè)鏈葡萄糖基單元(圖7A)。由于每個ConA單元和四個葡萄糖基單元之間的結(jié)合，凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)發(fā)生了廣泛的交聯(lián)。在1 wt%葡萄糖溶液的存在下，額外的葡萄糖與ConA單元結(jié)合，從polyGEMA主鏈上釋放懸垂的葡糖基單元，從而降低了交聯(lián)的程度。這導(dǎo)致水凝膠膨脹。像ConA一樣，GoX也可以共價接枝到聚合物水凝膠上。在Lee的含有若丹明B側(cè)鏈和熒光素單元的聚(丙烯酰胺/丙烯酸酯)水凝膠中(圖7Bi)，隨著凝膠顏色和熒光的變化發(fā)生了葡萄糖反應(yīng)。在添加葡萄糖之前，水凝膠在中性pH值下顯示弱的綠色(518 nm)和紅色(598 nm)熒光。當(dāng)添加葡萄糖時，接枝的GoX將葡萄糖氧化為d-葡萄糖酸1,5-內(nèi)酯，然后將其水解為葡萄糖酸，從而降低了凝膠介質(zhì)的pH。由于熒光素內(nèi)酯環(huán)的閉環(huán)，這降低了綠色熒光的強度，而若丹明B的內(nèi)酰胺單元的開環(huán)發(fā)生，則增強了598 nm處的紅色熒光，從而導(dǎo)致凝膠的整體熒光從綠色變?yōu)槌壬?。熒光的比例變?I598 / I518)(圖7B(ii))可用于定量葡萄糖濃度，LOD為0.87 mM。由于GoX對葡萄糖的選擇性，未觀察到其他單糖(例如半乳糖，甘露糖和果糖)以及NaCl，KCl和CaCl2電解質(zhì)的響應(yīng)。在這兩個例子中，蛋白質(zhì)的共價接枝阻止了蛋白質(zhì)從凝膠中浸出，從而確保了對葡萄糖的可逆反應(yīng)。(參考：J. Biomater. Sci., Polym. Ed. 2004, 15, 1085– 1098,)(Polym. Chem. 2016, 7, 6655– 6661,)

圖7.(A)在葡萄糖存在下宮田的ConA接枝水凝膠溶脹。通過(ii)熒光的比例變化(I598/I518)來檢測和量化葡萄糖濃度。

盡管ConA和GoX具有出色的葡萄糖選擇性，但是蛋白質(zhì)變性經(jīng)常會限制它們在傳感器中的長期使用。為了克服這種缺陷，近年來，諸如苯硼酸(PBA)之類的全合成受體變得非常流行。硼酸可以與含有順式二醇基團的單糖結(jié)合形成硼酸酯，如圖8所示，該硼酸酯在水中穩(wěn)定且可逆。

圖8.(A)果糖和葡萄糖的6-元吡喃糖和5-元呋喃糖形式之間的平衡。(B)葡萄糖與含苯基硼酸的水凝膠的結(jié)合。(C)松本的水凝膠導(dǎo)管裝置，用于皮下葡萄糖觸發(fā)的胰島素釋放。

過氧化氫(H2O2)

作為生物氧代謝中自然產(chǎn)生的活性氧(ROS)，H2O2是傳感應(yīng)用的重要目標(biāo)。由于其具有細胞毒性和氧化生物分子(例如DNA，蛋白質(zhì))的潛力，越來越多的證據(jù)表明H2O2可能是全身氧化應(yīng)激的重要生物標(biāo)志物。

可以通過觸發(fā)凝膠塌陷來檢測H2O2。Hamachi和他的同事設(shè)計了基于肽的LMWG，該肽含有硼酸芳基甲氧基羰基(BAmoc)，該基團與H2O2發(fā)生氧化消除反應(yīng)(圖9A)，以裂解氨基甲酸酯鍵并引起水凝膠塌陷(Nat. Chem. 2014, 6, 511,)。BAmoc基序也僅具有選擇性到H2O2，其他ROS(例如OCl–和O2–)對引起凝膠到溶膠過渡無效。然而，該系統(tǒng)的缺點是需要高濃度的H2O2，相對于BAmoc需要0.5摩爾當(dāng)量的H2O2。作者通過將信號放大系統(tǒng)整合到這種響應(yīng)性水凝膠中來克服了這一限制。如圖9B所示，每個放大器分子在H2O2存在下進行自消滅，釋放出兩個肌氨酸分子，這些肌氨酸分子又被肌氨酸氧化酶(SOx)氧化，生成另外兩個H2O2分子。當(dāng)將此H2O2擴增系統(tǒng)并入上述LMWG水凝膠網(wǎng)絡(luò)中時，H2O2引起的凝膠塌陷的閾值降低了多達5倍。(參考：Nat. Chem. 2014, 6, 511)

圖9.(A)H2O2氧化消除含BAmoc的LMWG，導(dǎo)致水凝膠塌陷。(B)使用信號放大系統(tǒng)增強H2O2靈敏度。

最近，Chai及其同事開發(fā)了一種創(chuàng)新的導(dǎo)電聚合物水凝膠，可使用電化學(xué)發(fā)光(ECL)檢測從活細胞釋放的H2O2。(參考：Anal. Chem. 2018, 90, 8462– 8469)

圖10.使用導(dǎo)電PANI-PA水凝膠基質(zhì)對活細胞釋放的H2O2進行電致發(fā)光檢測和定量。使用的ECL發(fā)光體是N-(氨基丁基)-N-(乙基異魯米諾)(ABEI)。

硫醇

天然存在的硫醇(RSH)在生物學(xué)中起著重要的抗氧化作用。谷胱甘肽(GSH)是一種含有半胱氨酸殘基的三肽，是動物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的最豐富的生物硫醇，對于維持最佳的生化氧化還原過程至關(guān)重要。GSH的抗氧化特性來自其在清除氧氣代謝產(chǎn)生的ROS時可逆氧化為GSSG二聚體的能力。因此，GSH與氧化的GSSG的比值是細胞氧化應(yīng)激和氧化還原環(huán)境的指標(biāo)。對于水凝膠傳感器，生物硫醇檢測方法是利用其獨特的氧化還原特性，親核性和金屬配位能力而變化的主題(圖11)。(參考：J. Clin. Med. 2017, 6, 50)

圖11.利用(A)的氧化還原特性進行硫醇感測的不同策略，導(dǎo)致(i)(107)和(ii)中的LMW水凝膠塌陷，并導(dǎo)致(iii)中的交聯(lián)水凝膠發(fā)生凝膠溶脹。(B)引發(fā)反邁克爾加成反應(yīng)的趨勢，導(dǎo)致凝膠溶解。(C)破壞金屬-水凝膠中金屬-配體交聯(lián)的金屬配位能力

酒精(乙醇)

監(jiān)測生物發(fā)酵中乙醇的濃度是啤酒工業(yè)中最重要的過程之一，因為濃度超過10 vol%會導(dǎo)致酵母活性降低和產(chǎn)量降低。

用于乙醇感測的聚合物水凝膠材料依賴于其存在引起的水凝膠體積變化。例如，Erfkamp等在壓電傳感器裝置中使用化學(xué)交聯(lián)的聚(丙烯酰胺)-雙(丙烯酰胺)水凝膠來檢測乙醇。如圖12所示，乙醇的存在會使水凝膠收縮，從而改變彎曲板上的溶脹壓力，從而導(dǎo)致與乙醇濃度成比例的測量信號中的壓阻變化。(參考：J. Sens. Sens. Syst. 2018, 7, 219– 226)

圖12.Erfkamp用于乙醇的水凝膠壓電傳感器的設(shè)計。

其他與生物有關(guān)的分析物：毒素，藥物和代謝物

Yang和Zhu的曲霉毒素A(OTA)DNA水凝膠傳感器利用其適體使包含DNA鏈的聚(丙烯酰胺)交聯(lián)形成水凝膠，并預(yù)先裝載了13 nm AuNP。(圖13).(參考：ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 6982– 6990)

圖13.(A)基于DNA適體的凝膠塌陷，用于檢測O曲霉毒素A(OTA)。(B)體積條形圖芯片，可輕松直觀地量化OTA。

DNA適體水凝膠還可以方便地進行藥物檢測。例如，可卡因?qū)λz的破壞作用可以釋放出預(yù)裝的淀粉酶，該酶分解直鏈淀粉I2絡(luò)合物，使溶液從深藍色變成無色。碳納米材料的結(jié)合，例如氧化石墨烯(GO)和碳納米點 進入水凝膠也可用于熒光檢測藥物，如抗生素。GO的較大π表面以及其上附加的羧酸和羥基使富氮雜芳族分子(如腺苷)能夠通過氫鍵和π堆積相互作用與之相互作用，從而形成水凝膠(圖14)。

圖14.抗生素感測策略。(A)GO-腺苷水凝膠，對土霉素具有“開啟”熒光反應(yīng)。(B)用于敏感四環(huán)素檢測的分子印跡IOH。

4.氣體

氣態(tài)生物信號分子：一氧化碳和一氧化氮

總而言之，H2S，一氧化碳(CO)和一氧化氮(NO)是在人體中自然產(chǎn)生的僅有的三種已知的氣態(tài)信號分子，它們負責(zé)調(diào)節(jié)大量的生物過程。

Yan的研究小組在2020年報告了一種高分子自修復(fù)水凝膠，其通過palladacycles交聯(lián)形成動態(tài)大分子網(wǎng)絡(luò)。含有30 wt%聚合物的水凝膠對CO的反應(yīng)是發(fā)生不可逆的凝膠塌陷，這是由于Palladacycles經(jīng)歷了CO插入-消除反應(yīng)而形成羧酸的結(jié)果(圖16)。(參考：Polym. Chem. 2020, 11, 779– 783)。

圖16.使用Yan的palladacycle交聯(lián)的聚(N，N-二甲基丙烯酰胺)聚((對二甲胺)甲基丙烯酸芐酯)水凝膠和(B)NO可以檢測(A)CO的水凝膠的作用機理 i)聚丙烯酰胺基凝膠的溶脹，以及(ii)LMW水凝膠的凝膠塌陷。

二氧化碳(CO2)

由生物呼吸和碳氫化合物的氧化/燃燒產(chǎn)生的二氧化碳是一種重要的溫室氣體，需要定期監(jiān)測其水平以評估室內(nèi)空氣質(zhì)量，肺功能和許多工業(yè)過程。水凝膠傳感器中的CO2檢測通常利用溶解于水中時形成碳酸的能力，從而降低水凝膠溶液的pH值和使堿性官能團質(zhì)子化，從而觸發(fā)凝膠化或水凝膠溶脹。

CO2觸發(fā)的膠凝是檢測它的常用策略。Zhao報告了三嵌段PMAA-b-PEO-b-PMAA和PDMAEMA-b-PEO-b-PDMAEMA共聚物的水溶液，它們的不同pKa值在存在CO2的情況下導(dǎo)致不同程度的質(zhì)子化(圖17)。(參考：Macromol. Chem. Phys. 2017, 218, 1700146)

圖17.用于水凝膠CO2傳感的不同策略：(A)PDMAEMA在PMMA單元上的選擇性質(zhì)子化觸發(fā)凝膠化;(B)2-氨基苯并咪唑的質(zhì)子平衡，改變其與αCD的結(jié)合親和力;(C)通過質(zhì)子化觸發(fā)蠕蟲狀膠束形成 溶解的二氧化碳使TMPDA分解。

氧氣(O2)

鉑(II)-卟啉配合物由于具有較高的光穩(wěn)定性和較長的三重態(tài)壽命，因此可以用作熒光O2傳感器，從而有效地將能量轉(zhuǎn)移至O2，從而降低了其發(fā)射強度。通過將甲基丙烯酸酯基團連接到Pt-卟啉絡(luò)合物上(圖18A)，可以將該絡(luò)合物與諸如甲基丙烯酸2-羥乙酯(HEMA)和丙烯酰胺之類的單體共聚，從而在石英玻璃基板上形成化學(xué)交聯(lián)的水凝膠薄膜。當(dāng)暴露于溶解有O2的飽和水溶液中時，觀察到快速熒光猝滅(圖18B)，僅需70 s即可獲得穩(wěn)定的熒光讀數(shù)。(參考：Chem. Rev. 2008, 108, 400– 422)

圖18.(A)摻入水凝膠膜中以進行O 2感測的活性Pt(II)-卟啉熒光團的結(jié)構(gòu)。(B)隨著O2濃度的增加，膜的熒光猝滅。(C)水凝膠膜的應(yīng)用以監(jiān)測不同氨芐青霉素(AMP)抗生素濃度對大腸桿菌代謝活性的影響。

1.5 生物分子：肽，核酸和抗原核酸

核酸自組裝成超分子結(jié)構(gòu)(例如螺旋和環(huán))的能力激發(fā)了許多使用水凝膠傳感器檢測核酸的方法。一種這樣的方法依賴于DNA鏈之間的可逆相互作用來引起凝膠體積的變化。前田證實了使用含有側(cè)鏈單鏈(ss)DNA序列的聚丙烯酰胺水凝膠的凝膠溶脹，該DNA序列旨在形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)(圖21A(i))。

圖21.使用水凝膠感測核酸的策略。(A)DNA交聯(lián)的聚丙烯酰胺水凝膠的膨脹(i)和收縮(ii)。(B)由于在聚(丙烯酰胺)聚合物之間發(fā)夾DNA分子的聚合而導(dǎo)致的大幅度水凝膠膨脹。(C)凝膠化是檢測目標(biāo)癌癥DNA的信號放大手段。

蛋白質(zhì)類

通過溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變檢測蛋白質(zhì)的水凝膠會利用其靶標(biāo)的酶活性來破壞構(gòu)成凝膠結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。特別地，具有生物分子作為關(guān)鍵成分的水凝膠，例如肽或DNA水凝膠，可能對蛋白酶或限制性核酸內(nèi)切酶敏感，它們分別在特定的識別位點切割蛋白質(zhì)和dsDNA。這實現(xiàn)了將響應(yīng)性引入水凝膠傳感器的便利手段。

在2015年，Liu和Scherman報告了一種均質(zhì)的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，該凝膠包含兩個互不交聯(lián)的互穿網(wǎng)絡(luò)：(1)葫蘆[8]尿素(CB [8])和苯丙氨酸官能化的羧甲基纖維素之間的包合物。(2)由DNA Y支架和具有互補“粘性末端”的DNA接頭形成的DNA網(wǎng)絡(luò)(圖22A)。(參考：Adv. Mater. 2015, 27, 3298– 3304,)

圖22.工程化蛋白質(zhì)響應(yīng)水凝膠的策略。(A)通過纖維素酶或核酸酶降解包含CMC-CB和DNA網(wǎng)絡(luò)的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠。(B)使用生物分子印跡水凝膠對蛋白質(zhì)進行感測，由于凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)形成交聯(lián)，在分析物的存在下其會收縮。

6.微生物

細菌，真菌和病毒感染的威脅推動了許多檢測方法的發(fā)展，這些檢測方法可以通過其代謝產(chǎn)物直接或間接檢測它們。

病毒

Spivak建立在上述用于檢測蛋白質(zhì)的“超級適體”水凝膠測定基礎(chǔ)上(圖22B)，將這項技術(shù)擴展到了檢測蘋果莖點病毒(ASPV)，將這些水凝膠進一步微成型，以形成衍射光柵傳感器(圖24A)，其衍射距離隨著凝膠對ASPV病毒的反應(yīng)而收縮而減小。(Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 2095– 2098,)

細菌

通過靶向某些細菌菌株分泌的特定代謝物或生物分子(例如酶)，可以實現(xiàn)細菌的檢測和鑒定。為此，光學(xué)方法非常有效，因為可以通過肉眼或簡單的手持式紫外線源可視化顏色或熒光的變化。例如，Schnherr開發(fā)了一種殼聚糖水凝膠膜，該膜與熒光底物4-甲基傘形基-β-d-葡糖醛酸(MUG)和發(fā)色底物4-硝基苯基-β-d-葡糖醛酸(PNPG)共價結(jié)合，用于檢測大腸桿菌。這些底物可以被98%的已知大腸桿菌菌株分泌的酶β-葡萄糖醛酸苷酶(β-GUS)水解，從而將β-葡萄糖醛酸苷轉(zhuǎn)化為酸和醇(圖24B)。(參考：ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 20190– 20199,)

圖24.使用“超級適體”水凝膠衍射光柵檢測微生物，例如(A)ASPV。(B)通過染料修飾的殼聚糖水凝膠膜通過檢測細菌分泌的β-GUS酶對大腸桿菌進行熒光和比色檢測的機理。(C)使用生物電致變色測定法感測細菌細胞代謝活力的機制，其中普魯士藍(PB)納米顆粒的形成和深藍色指示存在的活細菌。