CN113777100A - 一种基于主客体作用的定量物质控释系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于主客体作用的定量物质控释系统及方法，所述控释系统包括物质储存腔室、控释单元、输运通道和物质检测单元；所述物质储存腔室包含有预存物质；所述控释单元由主客体流体和多孔膜组成且具有刺激响应阀门开关的作用；所述主客体流体可与靶分子作用调控储存物质的释放量；所述物质检测单元通过与释放的物质作用定量将靶分子识别信号转换为可直接读取信号。本发明结合主客体特异性识别的优势与多孔膜复合形成阀门机制，当靶分子与主体分子结合，改变物质通过控释单元的压强，实现物质的可控释放。该检测系统具有成本低、携带方便、操作简单、易于读取等特点，可用于不同检测场景的靶分子进行便携和定量检测，如诊所中疾病的快速诊断、家庭里的健康监测和现场的化学/生化安全监控等。除此之外，也可根据靶分子检测信息反馈系统控制物质释放，实现物质控释检测一体化。

Description

一种基于主客体作用的定量物质控释系统及方法
技术领域
本发明涉及物质定量控释领域，具体涉及一种基于主客体作用的定量物质控释系统及方法。
背景技术
控制释放技术是指在事先预定的一段时间内，与载体相结合的活性化学物质以受控方式(包括扩散、渗透等)释放，从而达到某一指定目标的方法或技术。物质控制释放技术涉及有机化学、高分子科学、生物学、药物学、医学和化学工程等方面，且已在生物工程、医药医学、农药化肥、化学环保等领域得到了广泛的应用。
物质控释技术的发展动力最开始来源于临床用药的需求，主要源自大多数药物少量会有治病效果但过量会对正常组织有毒性，剂量不足时则无效等原因。因而急切需要对疾病状况进行了解并通过控制药物的释放量，提高活性物质的有效利用率，减少用量，降低或避免因局部投药浓度过高引起的毒副作用，达到优化治疗的效果，同时减少药物的投加次数，降低使用成本，减少工作量。
在农药施肥方面，利用物质释放技术可以提高农作物产量，也是环境安全的重要手段。通过对农药的控释，可优化施药次数和用量，减轻农药对生物的毒性和对环境的污染，同时提高经济效益和环境效益。此外，精确控制气体释放在化学反应，天然气开采，软驱动器和软体机器人等领域具有潜在应用价值。
而目前大多数物质控释系统都是缓释机制，无法针对某一或某些特异性刺激响应控制物质释放，且使用过程中存在释放速率不稳定等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有物质控释系统存在的无法针对某一或某些特异性刺激响应控制物质释放，且使用过程中存在释放速率不稳定等问题，提供一种基于主客体作用的定量物质控释系统及方法，利用物质检测单元的刺激响应特性，通过控制释放物质，定量转换为可直接读取信号，实现对不同化学/生物分子响应控释与定量检测。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种基于主客体作用的定量物质控释系统，包括物质储存腔室、控释单元、输运通道和物质检测单元；所述物质储存腔室包含有预存物质；所述控释单元由主客体流体和多孔膜组成且具有刺激响应阀门开关的作用；所述主客体流体可与靶分子作用调控储存物质的释放量；所述物质检测单元通过与释放的物质作用定量将靶分子识别信号转换为可直接读取信号。
可选的，所述物质储存腔室中的预存物质可为二氧化碳、氧气、空气、氨气、化学药剂、药物等中的一种。
可选的，所述主客体流体含有具有疏水空腔的主体分子和表面活性剂，表面活性剂为客体，所述主体分子会与所述表面活性剂作用并改变所述主体分子表面活性。
可选的，所述具有疏水空腔的主体分子包括环糊精、葫芦脲、柱芳烃、杯芳烃等中的至少一种。
可选的，所述多孔膜包括但不限于尼龙多孔膜、再生纤维素膜、聚偏氟乙烯膜等中的一种。
可选的，所述多孔膜孔径包括但不限于0.45μm、1μm、5μm等中的一种。
可选的，所述靶分子可为生物分子、爆炸物、药物分子、酶等中的一种。
可选的，所述物质检测单元可为指示液滴、气体指示剂、酸碱指示剂、氧化还原指示剂、金属指示剂等中的一种。
可选的，所述定量物质控释系统还包括滤膜支撑器，所述控释单元封装于滤膜支撑器中；所述滤膜支撑器位于物质储存腔室和物质检测单元之间。
一种基于上述定量物质控释方法，具体包括以下步骤：选择主客体流体与多孔膜配合形成控释单元；预先在物质储存腔室中储存一定量的输运物质，且腔室具有一定压强，压强的设置低于且接近物质通过控释单元所需的压强；当靶分子加入后，靶分子通过与控释单元的主体分子刺激响应结合来改变物质通过的压强阈值；储存物质将从腔室中释放并最终与物质检测单元发生作用；通过物质检测单元信号变化判断靶分子的成分和浓度等信息。
可选的，所述刺激响应是指靶分子通过氢键静电作用、疏水作用、范德华力作用等的至少一种和主体分子结合，改变所述主客体流体的性质。
可选的，所述靶分子与主体分子结合，改变主客体流体的流体性质，如通过释放表面活性剂改变主客体流体的表面张力、粘度或亲疏水性等。
本发明结合主客体特异性识别的优势与多孔膜复合形成阀门机制，当靶分子与主体分子结合，改变物质通过控释单元的压强，实现物质的可控释放。利用物质检测单元的刺激响应特性，通过控制释放物质，定量转换为可直接读取信号。主客体复合物的灵活设计实现对不同化学/生物分子响应控释与定量检测。该检测系统具有成本低、携带方便、操作简单、易于读取等特点，可用于不同检测场景的靶分子进行便携和定量检测，如诊所中疾病的快速诊断、家庭里的健康监测和现场的化学/生化安全监控等。除此之外，也可根据靶分子检测信息反馈系统控制物质释放，实现物质控释检测一体化。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明基于主客体相互作用，通过对靶分子刺激响应实现物质的可控释放。
2.本发明提供了一种将生物化学识别信号定量转化为可视化信号的新检测方法。
3.主客体复合物和靶分子的结合具有多样性，可通过改变主客体复合物就可针对不同靶分子进行定量物质控释和检测。
4.本发明系统具有成本低、便携、易操作、结果可视化等特点。
附图说明
图1为实施例的定量物质控释系统结构示意图；
其中：1-物质储存腔室、2-流体物质、3-物质输运通道、4-滤膜支撑器、5-控释单元、6-物质检测单元。
图2为实施例的控制物质释放方法的原理图；
其中：51-主客体流体，52-多孔膜。
图3为实施例1的不同浓度靶分子与物质通过控释单元的压强阈值的关系图。
图4为实施例1的不同浓度靶分子与物质释放量物质检测单元颜色变化的关系图。
图5为实施例3的不同浓度靶分子与可视化信号变化的线性关系图。
图6为实施例5的不同浓度靶分子与可视化信号变化的线性关系图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。
参考图1，一种基于主客体作用的定量物质控释系统包括物质储存腔室1、流体物质2、物质输运通道3、滤膜支撑器4、控释单元5、物质检测单元6。滤膜支撑器4将控释单元5封装于内部。物质输运通道3分设于将控释单元相对的两侧并连物质储存腔室1和物质检测单元6。控释单元5包括主客体流体51和多孔膜52，物质储存腔室1腔内起始压强PA应小于并接近物质通过控释单元5的压强，此时物质无法通过控释单元5。
所述物质储存腔室中的预存物质可为二氧化碳、氧气、空气、氨气、化学药剂、药物等中的一种。
所述主客体流体含有具有疏水空腔的主体分子和表面活性剂，表面活性剂是客体。
所述主体分子会与所述表面活性剂作用并改变主体分子表面活性。
所述具有疏水空腔的主体分子包括环糊精、葫芦脲、柱芳烃、杯芳烃等中的至少一种。
所述多孔膜包括但不限于尼龙多孔膜、再生纤维素膜、聚偏氟乙烯膜等中的一种。
所述多孔膜孔径包括但不限于0.45μm、1μm、5μm等中的一种。
所述靶分子可为生物分子、爆炸物、药物分子、酶等中的一种。
所述物质检测单元可为指示液滴、气体指示剂、酸碱指示剂、氧化还原指示剂、金属指示剂等中的一种。
所述滤膜支撑器位于物质储存腔室和物质检测单元之间。
本发明的控制物质释放方法的原理如图2所示，控释单元5中主体分子与表面活性剂客体形成复合物，屏蔽表面活性剂的表面活性。此时物质储存腔室1腔内的压强PA小于物质通过控释单元5的压强，导致物质无法通过控释单元5。当控释单元5引入靶分子时，靶分子与主体分子发生刺激响应，改变主客体流体性质，降低其物质通过压强。此时根据控释单元5阀门的开关大小，调控物质的释放量。物质储存腔室1中的物质通过控释单元5并进入物质检测单元6，与物质检测单元6中指示剂作用，根据其信号变化即可获得靶分子的成分及浓度信息。
实施例1
以图1所示结构为基础，选取葫芦脲8(CB8)和阳离子表面活性剂十六烷基溴化铵(CTAB)复合物作为主客体流体，通过浸润孔径1μm亲水的尼龙膜，构成控释单元。物质储存腔室中预先装载二氧化碳气体，此时物质储存腔室中的压强小于控释单元中的物质通过压强，二氧化碳气体无法到达物质检测单元。如图3所示，当主客体流体中存在靶分子生物分子苯丙氨酸-甘氨酸-甘氨酸时，CTAB从CB8的疏水空腔中被置换出来，物质通过控释单元的压强降低，二氧化碳通过控释单元并进入到物质检测单元，与二氧化碳指示剂溴麝香草酚蓝作用。如图4所示，根据指示剂颜色的变化可判断物质释放量和靶分子的浓度。该系统实现了物质可控释放和对生物分子苯丙氨酸-甘氨酸-甘氨酸的可视化定量检测。
实施例2
选取葫芦脲8(CB8)和阳离子表面活性剂十六烷基溴化铵(CTAB)复合物作为主客体流体，通过浸润孔径1μm亲水的再生纤维素膜，构成控释单元。物质储存腔室中预先装载空气，此时物质储存腔室中的压强，小于控释单元中的物质通过压强，空气无法到达物质检测单元。当主客体流体中存在靶分子生物分子苯丙氨酸-甘氨酸-甘氨酸时，CTAB从CB8的疏水空腔中被置换出来，物质通过控释单元的压强降低，空气通过控释单元并进入到物质检测单元，与指示液滴墨水作用。根据指示液滴墨水的移动距离可判断物质释放量和靶分子的浓度。该系统实现了物质可控释放和生物分子苯丙氨酸-甘氨酸-甘氨酸的可视化定量检测。
实施例3
选取葫芦脲8(CB8)和阳离子表面活性剂十六烷基溴化铵(CTAB)复合物作为主客体流体，通过浸润孔径5μm亲水的尼龙膜，构成控释单元。物质储存腔室中预先装载空气，此时物质储存腔室中的压强小于控释单元中的物质通过压强，空气无法到达物质检测单元。当主客体流体中存在靶分子生物分子苯丙氨酸-甘氨酸-甘氨酸时，CTAB从CB8的疏水空腔中被置换出来，物质通过控释单元的压强降低,，空气通过控释单元并进入到物质检测单元，与指示液滴墨水作用。如图5所示，根据指示液滴墨水的移动距离可判断物质释放量和靶分子的浓度。该系统实现了物质可控释放和生物分子苯丙氨酸-甘氨酸-甘氨酸的可视化定量检测。
实施例4
选取葫芦脲8(CB8)和非离子表面活性剂司盘20(Tween 20)复合物作为主客体流体，通过浸润孔径1μm亲水的尼龙膜，构成控释单元。物质储存腔室中预先装载二氧化碳气体，此时物质储存腔室中的压强小于控释单元中的物质通过压强，二氧化碳气体无法到达物质检测单元。当主客体流体中存在靶分子爆炸物分子三硝基甲苯，Tween 20从CB8的疏水空腔中被置换出来，控释单元中的物质通过压强降低。二氧化碳通过控释单元并进入到物质检测单元，与二氧化碳指示剂溴麝香草酚蓝作用。根据检测管中指示剂的变色范围可判断物质释放量和靶分子的浓度。该系统实现了物质可控释放和对爆炸物分子三硝基甲苯的可视化定量检测。
实施例5
选取β-环糊精(β-CD)和阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)复合物作为主客体流体，通过浸润孔径1μm亲水的尼龙膜，构成控释单元。物质储存腔室中预先装载空气，此时物质储存腔室中的小于控释单元中的物质通过压强，空气无法到达物质检测单元。当主客体流体中存在靶分子药物分子盐酸美金刚，SDBS从β-CD的疏水空腔中被置换出来，控释单元中的物质通过压强降低，空气通过控释单元并进入到物质检测单元，与指示液滴墨水作用。如图6所示，根据指示液滴墨水的移动距离可判断物质释放量和靶分子的浓度。该系统实现了物质可控释放和对药物分子盐酸美金刚的可视化定量检测。
实施例6
选取β-环糊精(β-CD)和阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)复合物作为主客体流体，通过浸润孔径1μm亲水的尼龙膜，构成控释单元。物质储存腔室中预先装载氧气气体，此时物质储存腔室中的压强小于控释单元中的物质通过压强，氧气气体无法到达物质检测单元。当主客体流体中存在待检测α-淀粉酶，α-淀粉酶降解β-CD，使得SDS从β-CD的疏水空腔中被释放出来，控释单元中的物质通过压强降低，氧气通过控释单元并进入到物质检测单元，与含有美兰刃天青的氧气指示剂作用。根据指示剂颜色的变化可判断靶分子的浓度。该系统实现了物质可控释放和对生物酶α-淀粉酶活性的可视化定量检测。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种基于主客体流体门控的可视化定量检测系统及方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于主客体作用的定量物质控释系统，其特征在于，包括物质储存腔室、控释单元、输运通道和物质检测单元；所述物质储存腔室包含有预存物质；所述控释单元由主客体流体和多孔膜组成且具有刺激响应阀门开关的作用；所述主客体流体可与靶分子作用调控储存物质的释放量；所述物质检测单元通过与释放的物质作用定量将靶分子识别信号转换为可直接读取信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于主客体作用的定量物质控释系统，其特征在于，所述预存物质为二氧化碳、氧气、空气、氨气、化学药剂、药物中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于主客体作用的定量物质控释系统，其特征在于，所述主客体流体含有具有疏水空腔的主体分子和表面活性剂，所述主体分子与所述表面活性剂发生作用并改变所述主体分子表面活性。
4.根据权利要求3所述的一种基于主客体作用的定量物质控释系统，其特征在于，所述具有疏水空腔的主体分子包括环糊精、葫芦脲、柱芳烃、杯芳烃中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于主客体作用的定量物质控释系统，其特征在于，所述多孔膜为尼龙多孔膜、再生纤维素膜、聚偏氟乙烯膜中的一种，所述多孔膜孔径包括但不限于0.45μm、1μm、5μm等中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种基于主客体作用的定量物质控释系统，其特征在于，所述靶分子可为生物分子、爆炸物、药物分子、酶等中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种基于主客体作用的定量物质控释系统，其特征在于，所述物质检测单元为指示液滴、气体指示剂、酸碱指示剂、氧化还原指示剂、金属指示剂中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种基于主客体作用的定量物质控释系统，其特征在于，所述定量物质控释系统还包括滤膜支撑器，所述控释单元封装于滤膜支撑器中；所述滤膜支撑器位于物质储存腔室和物质检测单元之间。
9.根据权利要求1～8任一项所述的一种基于主客体作用的定量物质控释方法，其特征在于，包括如下步骤：选择主客体流体与多孔膜配合形成控释单元；预先在物质储存腔室中储存物质，且设置腔室压强低于物质通过控释单元所需的压强；当靶分子加入后，靶分子通过与控释单元的主体分子刺激响应结合来改变物质通过的压强阈值；储存物质将从腔室中释放并最终与物质检测单元发生作用，通过物质检测单元信号变化判断靶分子的成分和浓度。
10.根据权利要求9所述的一种基于主客体作用的定量物质控释方法，其特征在于，所述刺激响应是指靶分子通过氢键静电作用、疏水作用、范德华力作用中的至少一种和主体分子结合，改变所述主客体流体的表面张力、粘度或亲疏水性。
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