近日，北京科技大学化学与生物工程学院温永强教授与张学记教授科研团队在英国Nature集团旗下的子刊《Nature Communications》（影响因子：12.35）上发表题为“Control of Capillary Behavior through Target-Responsive Hydrogel Permeability Alteration for Sensitive Visual Quantitative Detection”的文章（DOI: 10.1038/s41467-019-08952-1），该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
DNA分子是一种可以编辑的生物大分子功能材料，通常可以由人工合成或天然提取的方式得到，通过三维交联形成空间网络则可以制备得到DNA水凝胶。由于DNA本身具有良好的可编辑特性，以及近年来体外筛选技术（SELEX）的快速发展，DNA水凝胶的优秀特异识别和响应特性得到分析化学家的广泛青睐。然而由于人工合成DNA的成本高昂，DNA水凝胶的DNA用量巨大以及现有基于DNA水凝胶的传感装置的定量读取依赖大型的设备，都在一定程度上限制了基于DNA水凝胶传感器件的长足发展。
北京科技大学温永强教授与张学记教授和上海交通大学杨朝勇教授课题组合作，制备了一种新型的基于DNA水凝胶的传感装置，同时解决了上述的所有问题。研究工作基于DNA水凝胶具有热响应特性，当热的空毛细玻璃管接触DNA水凝胶时，水凝胶流动性增加，毛细作用导致水凝胶进入毛细玻璃管内，温度下降时在毛细管中形成水凝胶膜。将这种形成凝胶膜的毛细玻璃管固定在具有刻度的硬板上，组装形成简易的传感装置。
图1 毛细管中靶向响应水凝胶膜的方案用于视觉定量检测
图2 水凝胶膜的制备工艺
本研究中，特定靶标分子的加入可以增加毛细管内凝胶膜的渗透性，水凝胶膜的不同渗透性引起了毛细管自驱动行为的可视变化。他们通过时间量化这种毛细行为的变化进而实现了对靶标分子的定量可视检测，使用的DNA水凝胶只有约0.01 μL。
图3 传感器件的工作原理
图4 传感器件的实际检测效果
该工作通过可卡因作为试验靶标，实现了在不依赖其他检测设备的条件下对可卡因高灵敏、高特异性以及可视定量的检测。
