背景介绍
单糖是为大多数生物提供活性和能量的关键生物分子，这些单糖通常以环状异构体的平衡混合物存在于体液中，不同的构型在人体细胞活动中发挥着不同的作用。例如，D-葡萄糖有两种异构体，其中α-D-葡萄糖很容易被人体直接作为能量吸收，而β-D-葡萄糖可以激活人体内的巨噬细胞和淋巴细胞，起到抗肿瘤和预防疾病的作用。此外，人体内α-D-葡萄糖和β-D-葡萄糖相对组分比例的变化可以导致潜在的疾病。因此单糖异构体的定量检测对早期疾病诊断和疾病的预防治疗至关重要。目前对单糖异构体的检测技术包括毛细管电泳、液相色谱、核磁共振和质谱等，然而这些技术无法准确提取单糖的立体结构信息，也难以精准分析异构体之间的浓度变化。因此，建立一种新的传感机制来准确灵敏地识别单糖异构体是非常重要的。
综上所述，本研究设计构建了一种4-吡啶硼酸（4PBA）修饰的STM-BJ新型单分子识别系统，用于识别和定量检测单糖异构体。利用单糖异构体上官能团的空间取向差异，与4-吡啶硼酸形成不同共价键数量的分子结，通过测量对应电导并借助单条电导曲线的聚类分析，实现了对单糖异构体的识别与定量检测。结果表明，这一传感策略对α-D-葡萄糖异构体具有优异的识别能力，对α-D-葡萄糖和β-D-葡萄糖异构体的单分子电导信号差异达60倍。对α-D-葡萄糖异构体混合物的线性检测范围为0.1 aM ~ 0.1 mM，最低检出限为 27.5 aM。
内容简介
图1：通过单分子隧穿传感器进行D-葡萄糖异构体识别
如图一a所示，研究人员通过引入探针分子4-吡啶硼酸（4BPA）与D-葡萄糖异构体形成的二醇的空间取向不同。这种结构差异导致电学性质的变化，在单分子尺度上变得尤为明显。因此，通过测量各自硼酸酯的单分子电导可以区分这两种异构体。4PBA预先固定在STM针尖和基底上以捕获葡萄糖异构体。图1c展示了在1，2，4-三氯苯（TCB）中测量两种构型的D-葡萄糖的单个电导曲线。对比-D-葡萄糖和-D-葡萄糖的分子结的一维（1D）电导直方图，两个明显的电导峰中心分别位于10-4.21 G0（4.78×10-9 S）和10-5.98 G0（8.50×10-11 S），存在约60倍的显著电导差异。图1e、f分别展示了基于-D-葡萄糖和β-D-葡萄糖的结的二维（2D）电导直方图。发现两者在加上Au-Au回拉距离0.5 nm后，相对拉伸距离为1.56和1.79 nm，这与理论计算结果一致。
图2：单分子识别性能电导测试数据图
为了评估单分子隧穿传感器用于定量测定混合溶液中葡萄糖异构体的可行性与实用性，研究人员设计了-D-葡萄糖从0.1 fM到0.1 mM的梯度浓度实验，结果如图2a所示。为了定性地确定α-D-葡萄糖的浓度，研究人员采用了无监督光谱聚类算法分析。为确保信号的完全区分，将迹线尽可能多地聚类成不同类别，根据这些类别所属的电导范围将其分为三种类型（α，β，blank），其中主要指α-D-葡萄糖的电导聚类，β主要指-D-葡萄糖的电导聚类，blank则为纯隧穿单条电导曲线的聚类。根据电化学传感中的定义，将α-D-葡萄糖响应定义为α-D-葡萄糖电导聚类/总电导聚类。得到回归方程，然后将异构体响应（IR）定义为α-D-葡萄糖电导聚类/β-D-葡萄糖电导聚类。得到数据回归方程，后续在模拟真实样品的PBS溶液中进行检测，所得平均结果的与和上述回归方程中得到的理论值之间的误差分别为-0.005和-0.041，进一步验证了该传感器在异构物鉴别方面的准确性。
图3：自组装复合物的1H核磁共振波谱
为阐明识别机制，研究人员采用核磁共振波谱法，通过监测葡萄糖异构体与4PBA共价结合过程中的脱水程度，来确定硼酸酯单分子结的构型。研究人员选择受影响最小的质子作为参考，从而可以通过其积分峰面积进行定量。随着α-D-葡萄糖相较于4-吡啶硼酸的当量逐渐增加，Hk信号的积分逐渐降低，这表明硼酸羟基逐渐被消耗。在相同当量下的比较表明，α-D-葡萄糖比β-D-葡萄糖能使峰面积显著更大程度地降低。这表明α-D-葡萄糖能够与4PBA形成了数量更多的共价键，导致更大程度的脱水，从而证实了图1a中提出的反应机制。
图4：探针分子4PBA和葡萄糖单糖异构体的输运特性
研究人员通过进一步构建两种异构体结合形成的构型来计算器件输运性质，结果表明α-D-葡萄糖的透射系数大于β-D-葡萄糖的透射系数，这与图1d中的实验观察结果一致。4PBA二聚体的计算传输系数大于α-D-葡萄糖和β-D-葡萄糖的传输系数，这与实验观察结果一致。实验中观测到的4PBA电导峰强度较低可能与其分子间氢键构型的稳定性较弱有关。图4b中α-D-葡萄糖的传输路径（蓝色箭头）集中经分子骨架后通向另一侧的吡啶环。然而对于β-D-葡萄糖的传输路径较分散，正向路径蓝色箭头受阻挡而反射，导致β-D-葡萄糖的电导率低于α-D-葡萄糖。
图5：D-半乳糖异构体和L-阿拉伯糖异构体的识别
最后，为了验证的单分子隧道传感器在不同单糖异构体中的通用性，研究人员测量了两种结构相似的单糖异构体，即D-半乳糖（α-D-半乳糖和β-D-半乳糖）和L阿拉伯糖（β-L-阿拉伯糖和α-L-阿拉伯糖）。结果发现，α-D-半乳糖和β-D-半乳糖之间的电导差异超过30倍，从电导直方图（图5a）中可以明显区分出来。α-L阿拉伯糖和β-L-阿拉伯糖之间也观察到了较大的电导差异（图5b），这证实了单分子隧道传感器策略在识别和检测各种单糖异构体的巨大潜力。
总结概述
在这项工作中，研究人员设计构建了一种新的单分子电子学传感器，该传感器采用4-吡啶硼酸修饰STM-BJ策略，结合聚类分析用于对单糖异构体的高灵敏度和定量测定。这一策略可以直接对6种单糖异构体进行识别，单分子电导信号差异可达30~50倍。更重要的实验结果是，该传感器具有0.1 fM至0.1 mM的超宽线性检测范围，最低检测限为27.5 aM。这一优异成果代表了目前单糖同分异构体传感器的最高水平。也为设计下一代超灵敏异构体传感器提供了新的途径，同时这也表明单分子电子学检测技术在体外快速疾病检测和环境污染物分析方面具有巨大的潜力。
文章信息
该工作于2026年3月以“Quantitative Sensing of Monosaccharide Isomers with High Resolution and Attomolar Limit of Detection”为题发表在《ACS Sensors》期刊上，通讯作者是厦门大学洪文晶教授、白杰副教授、李晓慧副研究员与福州市马尾区总医院朱于坚主任。文章第一作者董学军是洪文晶教授2020级博士生，2024年1月入选新疆维吾尔自治区“天池人才”引进计划，入职于石河子大学化学化工学院，副教授/硕士生导师。主要研究方向是基于单分子电子学的传感与检测以及有机硅材料的开发与应用，以第一作者或通讯作者在ACS Senors, Analytical Chemistry, Journal of Materials Science, Chemical Engineering Journal, Journal of Energy Storage等国际期刊上发表多篇学术论文。
厦门大学化学化工学院博士生汤子云与南开大学陈力川研究员为本论文的共同第一作者。
（图文：董学军 初审：张海洋 复审：刘平 终审：徐炜杰）
