過量攝入糖分導(dǎo)致的肥胖和糖尿病的流行正在促使人類的飲食、生活方式和健康意識發(fā)生變化。越來越多的人選擇使用低熱量又有甜度的代糖加入到食物中代替蔗糖來減少碳水化合物的攝入。糖醇（alditol）就是食物中常見的一類代糖，其結(jié)構(gòu)中仍然存在非常多手性中心，有多種多樣的同分異構(gòu)體和差向異構(gòu)體結(jié)構(gòu)?？傮w而言，人體對糖醇的吸收率遠(yuǎn)小于糖類，但不同的糖醇同分異構(gòu)體在甜度和生理代謝水平方面具有很大差異。因此，在醫(yī)療和食品行業(yè)對糖醇水溶液的檢測和鑒別過程中糖醇分子化學(xué)結(jié)構(gòu)的相似性是需要面對的主要挑戰(zhàn)之一。常規(guī)的分析方法，例如氣相色譜法（GC）、高效液相色譜法（HPLC）、液質(zhì)聯(lián)用（LC-MS）等作為糖醇分析的標(biāo)準(zhǔn)方法已經(jīng)被國內(nèi)外分析測試公司使用，形成了比較標(biāo)準(zhǔn)的測試流程。然而，測試報告中顯示目前的檢測系統(tǒng)僅推薦對具有不同分子量或不同極性的少數(shù)幾種糖醇（例如山梨糖醇、赤蘚糖醇、木糖醇和甘露糖醇）進(jìn)行定性分析和定量檢測，未能實現(xiàn)混合物中與單醛糖相對應(yīng)的所有13種糖醇的完全區(qū)分。此外，多數(shù)現(xiàn)有的檢測方案需要通過糖醇的衍生來提高氣化的速率，這將顯著影響分析效率，且無法排除天然提取物中少量醛糖或酮糖對測試的干擾。因此亟待開發(fā)更加通用的多元醇類分子檢測方案，構(gòu)建全面的多元醇指紋數(shù)據(jù)庫，以適用于食品藥品質(zhì)檢等安全管控。 圖1. 單個苯硼酸內(nèi)嵌的MspA-PBA區(qū)分由甘油醛衍生出的15種單醛糖被還原所對應(yīng)的13種糖醇結(jié)構(gòu)納米孔單分子化學(xué)的發(fā)展為多元醇的單分子鑒定提供了很好的基礎(chǔ)。2022年6月，黃碩教授課題組在《德國應(yīng)用化學(xué)》期刊首次報道了一種內(nèi)嵌單個苯硼酸基團的異質(zhì)MspA納米孔檢測器（MspA-PBA），展示了其對于9種單糖類分析物的單分子鑒定能力。近期，該課題組進(jìn)一步展示了該檢測器對于糖醇異構(gòu)體出色的空間分辨率，構(gòu)建了目前最全面的糖醇指紋電流數(shù)據(jù)庫，包含了所有由甘油醛衍生出的15種單醛糖被還原所對應(yīng)的13種糖醇結(jié)構(gòu)，可以組成13對差向異構(gòu)體。由于MspA-PBA納米孔內(nèi)唯一的苯硼酸基團與順式二醇間可逆形成硼酸酯鍵，丙三醇和兩種丁糖醇（赤蘚醇、蘇糖醇）、三種戊糖醇（阿拉伯糖醇、木糖醇、核糖醇）、七種己糖醇（塔羅糖醇、甘露醇、古羅糖醇、半乳糖醇、山梨醇、艾杜糖醇和阿洛糖醇）通過擴散作用進(jìn)入納米孔內(nèi)即可產(chǎn)生特異性相互作用，報告特征性的電流阻塞信號，且在任意組合的混合傳感中高度可區(qū)分。圖2. 機器學(xué)習(xí)輔助的MspA-PBA糖醇自動檢測系統(tǒng)檢測市售4種零糖飲料和4種保健醫(yī)藥作者進(jìn)一步提取了糖醇標(biāo)準(zhǔn)品產(chǎn)生的離子流阻塞的七個特征構(gòu)建了機器學(xué)習(xí)分類系統(tǒng)，實現(xiàn)了對任意糖醇混合物中組分的自動化鑒定，驗證正確率達(dá)99.4%。這種基于MspA-PBA和人工智能算法的糖醇自動分類系統(tǒng)可進(jìn)一步直接用于四種市售的零糖飲料和四種含糖醇醫(yī)藥保健品的糖醇成分鑒定，無需對商品做任何純化濃縮等預(yù)處理，僅幾微升溶液或即可在幾分鐘內(nèi)完成分析。這表明這種基于 MspA-PBA 的糖醇自動檢測可能是一種極具潛力的多元醇分析新方法，具有高分辨率、高通量和便攜性等優(yōu)點。與之前該課題組構(gòu)建的單糖、單磷酸核苷及其表觀遺傳修飾的指紋電流數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，這種基于MspA-PBA的多元醇自動檢測系統(tǒng)在食品、藥品、生物提取物的分析和鑒定方面均展現(xiàn)了高分析效率和高分辨率的檢測能力，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。該工作以“Nanopore identification of alditol epimers and their application in rapid analysis of alditol-containing drinks and healthcare products”為題，于2022年7月22日發(fā)表于《美國化學(xué)學(xué)會期刊》, 南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院劉瑤博士和博士生張善雨為該論文共同第一作者，黃碩教授為該論文的通訊作者，陳洪淵院士對該工作做出了重要指導(dǎo)。此項研究得到了生命分析化學(xué)國家重點實驗室以及南京大學(xué)化學(xué)和生物醫(yī)藥創(chuàng)新研究院(ChemBIC)的重要支持，國家自然科學(xué)基金（項目編號：31972917, 91753108, 21675083）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(項目編號：020514380257, 020514380261)、江蘇省高層次創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新人才引進(jìn)計劃（個人、團體計劃）、江蘇省自然科學(xué)基金（項目編號：BK20200009）、南京大學(xué)科研計劃項目(項目編號:ZYJH004)、上海市科技重大專項（項目編號：ZYJH004)、南京大學(xué)生命科學(xué)分析化學(xué)國家重點實驗室(項目編號：5431ZZXM1902，5431ZZXM2204)、南京大學(xué)科技創(chuàng)新基金資助項目、中國博士后科學(xué)基金資助項目(項目編號：2021M691508)等提供了經(jīng)費支持。
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c04595,DOI: 10.1021/jacs.2c04595
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