【JACS】南京师范大学古志远课题组：动态金属有机镊子实现类固醇激素的高分辨纳米孔分析

导语

类固醇激素是一类含有不对称四环骨架的亲脂性天然化合物，在生殖调控、物质代谢、应激响应等生理过程中发挥着不可替代的作用。体液中的类固醇激素水平异常往往与内分泌紊乱、肿瘤等疾病的发生发展密切相关。因此，其识别与检测具有重要的临床意义。

纳米孔技术作为一种新兴的单分子分析工具，具有低成本、仪器简化的优势。然而，类固醇激素分子尺寸小、电中性、水溶性差，且与纳米孔道相互作用弱，直接检测面临挑战。为此，研究者发展了主客体化学策略，利用环糊精、葫芦脲等刚性超分子宿主放大信号。但这类天然宿主结构刚性强、呈环状封闭构型，难以包合尺寸较大或结构多变的客体分子，限制了宿主辅助纳米孔平台的分析范围。

概述

近日，南京师范大学古志远课题组提出了一种动态、钳形超分子宿主——金属有机镊子（Metal-Organic Tweezers, MOTs），用于提升纳米孔分析的分辨率。相关研究发表于J. Am. Chem. Soc.(DOI: 10.1021/jacs.6c12576)。MOTs由有机钯（Pd）中心与含咪唑配体通过配位键组装而成，具有高度结构可设计性。与传统的刚性天然宿主不同，开放式的MOTs结构高度自适应，其两端之间的二面角可根据特定分析物动态调整，从而高效包合尺寸不等、构型各异的分析物，并在α-溶血素（α-HL）纳米孔系统中产生独特的指纹信号（图1）。通过优化MOTs中的有机钯中心和含咪唑配体，作者成功区分了一系列在生殖调控、物质代谢和应激响应中发挥关键作用的类固醇激素。值得一提的是，MOTs辅助的纳米孔还实现了模拟血浆中天然孕酮的定量检测，展示了其在复杂生物基质中的潜在应用价值。

图1. MOTs和类固醇激素在α-HL纳米孔中的示意图（来源：J. Am. Chem. Soc.）

图文解析

1. MOTs的设计合成与纳米孔信号特征

图2. MOTs的基本构筑单元（来源：J. Am. Chem. Soc.）

作者选取了五种钯双齿配合物和三种含咪唑配体来合成MOTs（图2）。典型的MOTs由两个Pd配合物和两个L配体组装而成。通过NMR、HRMS和元素分析确认了七种MOTs的成功合成。进一步研究发现，Pd配合物和配体L的尺寸与阻塞率及停留时间呈正相关，证明了MOTs通过调节金属中心和有机配体实现高度结构可设计性。

2. MOTs辅助纳米孔分析多环芳烃

图3. 最优MOTs的选取（来源：J. Am. Chem. Soc.）

为验证MOTs辅助纳米孔分析的适用性，作者首先选取芘作为模型客体分子。将芘与MOTs孵育后，对于尺寸适中的[Pd₂(TMEDA)₂ (TImB)₂]⁴⁺，芘的包合产生了显著不同的特征信号：在裸MOTs单级阻塞信号（Level 1，阻塞率0.54）的基础上，出现了新的Level 2（阻塞率0.70）和Level 3（阻塞率0.88）信号（图3）。

图4. MOTs 辅助纳米孔对PAHs的识别（来源：J. Am. Chem. Soc.）

随后，作者选取了菲、芘和苯并[a]芘三种典型PAHs。所有PAHs均产生多级信号，其中Level 1归因于裸MOTs，Level 3对所有PAHs具有相似阻塞率，表明其源于主客体复合物在纳米孔内达到二面角的立体极限。而Level 2阻塞率随客体分子尺寸增大而升高（菲0.64、芘0.70、苯并[a]芘0.76），可作为有效区分PAHs的关键特征参数。在混合样品中，三种PAHs的特征信号与单独测量时高度一致（图4）。

3. MOTs辅助纳米孔检测与区分类固醇激素

图5. MOTs辅助纳米孔对肾上腺皮质激素的检测与区分（来源：J. Am. Chem. Soc.）

作者进一步将MOTs辅助纳米孔应用于类固醇激素分析。首先选取了四种肾上腺皮质激素：脱氧可的松、氢化可的松、醋酸氢化可的松和丁酸氢化可的松。这四种激素结构差异微小，仅在C11或C17位点存在差异。形成主客体复合物后，每种激素均快速产生特征信号。以脱氧可的松为例，其Level 2信号阻塞率为0.73。NMR滴定显示其与MOTs以1:1结合，Ka为3.51×10³ M⁻¹。通过分析Level 2信号的阻塞率和停留时间，可有效区分四种肾上腺皮质激素（图5）。

图6. MOTs 辅助纳米孔对性激素的检测与区分（来源：J. Am. Chem. Soc.）

随后，作者考察了雄烯二酮、孕酮和屈螺酮三种性激素。形成主客体复合物后，每种性激素均产生可识别的多级特征信号。Level 2阻塞率分别为0.71、0.75和0.78。控制实验证实识别过程与穿孔方向无关。添加惰性竞争分子棉子糖即使浓度增至10倍过量，也未观察到特征性信号，证明了MOTs的高特异性（图6）。

图7. MOTs响应特定客体的动态结构（来源：J. Am. Chem. Soc.）

理论模拟表明，MOTs的二面角角度根据特定类固醇激素自适应调整，七种类固醇激素复合物的二面角在91.22°至102.48°之间。类固醇激素的Level 2阻塞率随二面角的角度减小而增大（图7）。

4. 模拟血浆中孕酮的定量分析

图8. 血浆中孕酮的快速识别（来源：J. Am. Chem. Soc.）

最后，作者评估了MOTs辅助纳米孔传感器在实际样品中的可行性。建立了孕酮定量分析的标准曲线，LOD和LOQ分别为0.0247 μM和0.0822 μM。定量结果与LC-MS/MS一致，加标回收率为100.45-109.31%。在炭剥离人血清中也获得了94.34-102.65%的满意回收率。这些结果凸显了MOTs辅助纳米孔策略在低浓度下有效定量检测孕酮的能力（图8）。

论文信息

Dynamic Metal-Organic Tweezers Enables High-Resolution Nanopore Analysis of Steroid Hormones

第一作者：杨磊、关梦雪

通讯作者：古志远

论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c12576

课题组及通讯作者简介

南京师范大学古志远教授课题组致力于亚纳米分离介质研究，研究兴趣包括气相色谱分离介质、纳米孔单分子分析。课题组构筑了基于多尺度孔道和表面纳米结构的分离介质，提出了成键反应、主客体化学、调节剂诱导等构筑策略，创制了亚纳米孔分离介质；提出了一种半配体诱导合成策略，构筑了MOF固溶体（MOSS）微介孔分离介质；构建了基于亲疏水纳米图案和相近配体几何对调的二维MOF纳米片的高效富集介质。在纳米孔领域，课题组构筑了新型铁蛋白纳米孔通道，同时也开发了多种主客体适配器。课题组主页：https://www.zygulab.com/

通讯作者：

古志远，男，南京师范大学教授、博导，国家自然科学基金优秀青年基金获得者，江苏省微纳传感与分离分析重点实验室主任。2006年和2011年在南开大学获学士、博士学位。2011至2014年在美国德州农工大学进行博士后研究。以通讯作者在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等化学高水平刊物上发表SCI论文100余篇。论文总引用14492次，h因子46。主持国家级、省级、企业横向等科研项目累计1200余万元。2014年入选江苏特聘教授，2015年入选中国科协青年人才托举工程，2019年入选国家优青、江苏省优青，2024年入选江苏省高层次人才培养计划（“333工程”）第二层次培养对象，2020-2025连续六年入选Elsevier与斯坦福大学发布的全球前2%科学家“终身科学影响力排行榜”。曾获2013年度教育部自然科学奖一等奖（排名第三）、江苏省化学化工学会戴安邦青年创新奖（2019）、江苏省材料学会科学技术奖特等奖（2025）、江苏省分析测试协会科学技术奖一等奖（2025）。

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