DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2026.139977
تاريخ النشر: 2026-04-16
المؤلف: Federico Sinnona وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطوير طرق الكيمياء التحليلية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة منصة جديدة للكشف الكيميائي تعتمد على إخماد الفلورية باستخدام جزيئات البوليمر المطبوعة جزيئيًا (MIP) في الهيدروجيل للكشف السريع عن البروتينات، وبشكل خاص الهيموغلوبين البقري (BHb). تعمل MIPs، التي تم وسمها بالفلوريسئين O-methacrylate، كعناصر تعرف وموصلات بصرية في آن واحد. تظهر المنصة تقاربًا عاليًا لـ BHb (ثابت التفكك $K_D = 1.91 \, \mu M$) وانتقائية مثيرة للإعجاب، مع عوامل طباعة تبلغ 2.3 و 1.7. ومن الجدير بالذكر أن الدراسة تؤكد على أداء المستشعر في البيئات الديناميكية، كاشفة أن عملية الطباعة الجزيئية تعزز الخصائص الميكانيكية لشبكة البوليمر، مما يحسن مقاومتها للتشوه ويحافظ على استقرار مواقع الربط أثناء ظروف التدفق.
حقق المستشعر المطور حد كشف يبلغ 8.38 نانومتر وحد تقدير يبلغ 25.39 نانومتر عند اختباره مع مصل الإنسان، مع معدلات استرداد تتراوح بين 97.5% و 100.7%. تشير النتائج إلى أن جزيئات MIP لا تحافظ فقط على بنية البروتين أثناء عملية البوليمرة، بل تظهر أيضًا انتقائية مقارنة بالأجسام المضادة متعددة النسائل، مع تقديم قوة أكبر وقابلية للتكرار. يضع هذا العمل مستشعرات الفلورية المعتمدة على MIP في الهيدروجيل كبديل واعد للاختبارات التقليدية المعتمدة على الأجسام المضادة للكشف عن علامات البروتين الحيوية، لا سيما في التطبيقات التشخيصية السريعة والميكروفلويدية، مما يعزز مجال تقنيات الكشف الكيميائي والبيولوجي.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور الحاسم لعلامات البروتين الحيوية في تشخيص الأمراض ورصدها، مما يبرز الحاجة إلى منصات تشخيصية محسّنة قادرة على الكشف عن الأمراض الناشئة. تعتمد الطرق التقليدية غالبًا على الأجسام المضادة ككيانات تعرف جزيئية نظرًا لتخصصها وحساسيتها؛ ومع ذلك، فإن قضايا مثل تباين الدفعات، وارتفاع تكاليف الإنتاج، والحساسية للتغيرات البيئية تحد من تطبيقها العملي. لمعالجة هذه التحديات، تقترح الورقة استخدام البوليمرات المطبوعة جزيئيًا (MIPs) كبدائل صناعية، والتي تقدم مزايا مثل الفعالية من حيث التكلفة، وقابلية التكرار، وزيادة الاستقرار الكيميائي والحراري.
تركز الدراسة على تطوير MIPs المعتمدة على الهيدروجيل التي يمكن تصنيعها في عملية واحدة، مما ينتج جزيئات صغيرة تعمل كعناصر تعرف وموصلات بصرية في آن واحد. يسمح هذا النهج المبتكر بإخماد الفلورية مباشرة عند ارتباط الهدف، مما يلغي الحاجة إلى خطوات اختبار معقدة عادة ما ترتبط بالطرق المعتمدة على الأجسام المضادة. توضح الدراسة الكشف الناجح عن الهيموغلوبين في مصل الإنسان غير المعالج، مما يبرز حساسية المنصة وقوتها في البيئات البيولوجية المعقدة. علاوة على ذلك، تؤكد الدراسة على قابلية تكيف طريقة تصنيع MIP مع علامات البروتين الحيوية ذات الصلة سريريًا، مما يشير إلى إمكاناتها لتطبيقات أوسع في الكشف عن البروتين. بشكل عام، تقدم هذه العمل نموذج استشعار قابل للتوسع وفعال يعزز من جدوى التشخيصات الخالية من الأجسام المضادة في البيئات الواقعية.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة، بما في ذلك بيرسلفات الأمونيوم (APS)، الهيموغلوبين البقري (BHb)، ألبومين مصل البقر (BSA)، فلوريسئين O-methacrylate، حمض الأسيتيك الجليدي (AcOH)، N-(هيدروكسيميثيل) أكريلاميد (NHMAm)، N,N’-ميثيلين ثنائي (أكريلاميد) (mBAm)، كبريتات الصوديوم الدودي (SDS)، وتيترا ميثيل إيثيل دايميد (TEMED)، جميعها مستمدة من Sigma-Aldrich، طوكيو، اليابان، وتم استخدامها دون مزيد من التنقية.
شملت المنهجية تطبيق المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) للتحليل التفصيلي، باستخدام نموذج JSM-7900F 8530FA من شركة JEOL، اليابان. سهل هذا النهج فحص الخصائص الهيكلية للمواد قيد الدراسة، مما يوفر رؤى حول خصائصها الشكلية.
نتائج
في هذه الدراسة، تم تصنيع البوليمرات المطبوعة جزيئيًا (MIPs) وMIPs الموصوفة بالفلوريسئين (F-MIPs) بنجاح باستخدام N-هيدروكسي إيثيل أكريلاميد (NHMAm) كالمونومر الوظيفي، وN,N’-ميثيلين ثنائي (أكريلاميد) (mBAm) كعامل ربط، وفلوريسئين O-methacrylate كعلامة فلورية. كان استخدام الماء كمذيب للبوليمرة أمرًا حاسمًا، حيث يمكن أن تؤدي المذيبات العضوية التقليدية إلى تغيير بروتينات، مما يجعلها غير مناسبة لهذا التطبيق. يدعم اختيار NHMAm فعاليته كمونومر وظيفي في MIPs المعتمدة على الهيدروجيل، مما يسهل طباعة أهداف البروتين.
أسفرت معالجة ما بعد البوليمرة عن حوالي 70% من الجزيئات الصغيرة من الكتلة الهيدروجيلية، مع حوالي 0.7 غرام من المادة القابلة للاستخدام. تم إزالة قالب البروتين (BHb) بفعالية من خلال سلسلة من الغسلات باستخدام كبريتات الصوديوم الدودي (SDS) وحمض الأسيتيك (AcOH)، الذي غير بنية البروتين وخلخل التفاعلات الكهروستاتيكية داخل مركب MIP-بروتين. أظهر تحليل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أن الجزيئات الصغيرة الناتجة كانت ذات أشكال غير منتظمة، تتراوح من 20 إلى 70 ميكرومتر في الحجم. قد تؤثر هذه اللامركزية، نتيجة لعملية الطحن والغربلة، على خصائص الربط للمواد المطبوعة، مما يبرز الحاجة إلى اعتبار دقيق لشكل الجزيئات في التطبيقات المستقبلية.
مناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة إعداد وتوصيف البوليمرات المطبوعة جزيئيًا (MIPs) والبوليمرات غير المطبوعة (NIPs)، مع التركيز على أدائها في الربط، والخصائص الميكانيكية، وتطبيقها في منصات الاستشعار. تم تصنيع MIPs باستخدام كثافة ربط تبلغ 10% مع نسبة محددة من المونومر إلى عامل الربط، مما يسمح بتحقيق ربط مثالي للبروتين. تم تقييم أداء الربط لـ MIPs مقابل NIPs باستخدام بروتين هدف (BHb) وبروتين غير هدف (BSA). أظهرت النتائج أن MIPs أظهرت نسب إعادة ربط أعلى بكثير (89.4% لـ MIPs و83.7% لـ MIPs الفلورية) مقارنةً بـ NIPs (41.9% و35.9%، على التوالي)، مما يدل على فعالية الطباعة في إنشاء مواقع ربط محددة. تم تأكيد انتقائية MIPs بشكل أكبر من خلال عوامل الطباعة المحسوبة (IF) وعوامل الانتقائية (SF)، التي تجاوزت جميعها العتبة الموصى بها 1.2، مما يدل على تخصص قوي للبروتين الهدف.
كشفت التوصيفات الريولوجية أن MIPs تمتلك سلامة ميكانيكية معززة تحت التشوه، وهو أمر حاسم للحفاظ على استقرار الإشارة في أنظمة الكشف المدعومة بالتدفق. أظهرت MIPs حدًا أعلى من الخطية ومعامل تخزين مقارنةً بـ NIPs، مما يشير إلى أن عملية الطباعة تعزز شبكة البوليمر، مما يحافظ على بنية مواقع الربط أثناء الظروف الديناميكية. استخدمت الدراسة أيضًا منصة ميكروفلويدية مصممة خصيصًا لتقييم أداء MIPs تحت تدفقات تمددية مسطحة، مؤكدة أن الهيدروجيلات المطبوعة تحافظ على إشارات فلورية مميزة أثناء التشوه. يبرز هذا أهمية النظر في كل من تقارب الربط والخصائص الميكانيكية عند تصميم مستشعرات تعتمد على MIP للتطبيقات الواقعية، حيث تساهم بنية الشبكة المعززة في أداء موثوق في البيئات البيولوجية المعقدة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2026.139977
Publication Date: 2026-04-16
Author(s): Federico Sinnona et al.
Primary Topic: Analytical chemistry methods development
Overview
This research presents a novel fluorescence quenching-based chemical sensing platform utilizing hydrogel molecularly imprinted polymer (MIP) microparticles for the rapid detection of proteins, specifically bovine hemoglobin (BHb). The MIPs, which are fluorescently labeled with fluorescein O-methacrylate, function as both recognition elements and optical transducers. The platform demonstrates a high affinity for BHb (dissociation constant $K_D = 1.91 \, \mu M$) and impressive selectivity, with imprinting factors of 2.3 and 1.7. Notably, the study emphasizes the sensor’s performance in dynamic environments, revealing that the molecular imprinting process enhances the mechanical properties of the polymer network, thereby improving its resistance to deformation and maintaining binding-site stability during flow conditions.
The developed sensor achieved a limit of detection of 8.38 nM and a limit of quantification of 25.39 nM when tested with human serum, with recovery rates between 97.5% and 100.7%. The findings indicate that the MIP microparticles not only preserve protein structure during polymerization but also exhibit selectivity comparable to polyclonal antibodies, while offering greater robustness and reproducibility. This work positions hydrogel-based MIP fluorescence sensors as a promising alternative to traditional antibody-based assays for protein biomarker detection, particularly in rapid and microfluidic diagnostic applications, thereby advancing the field of chemical and biosensing technologies.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the critical role of protein biomarkers in disease diagnosis and monitoring, emphasizing the need for improved diagnostic platforms capable of detecting emerging diseases. Traditional methods often rely on antibodies as molecular recognition entities due to their specificity and sensitivity; however, issues such as batch variability, high production costs, and sensitivity to environmental changes limit their practical application. To address these challenges, the paper proposes the use of molecularly imprinted polymers (MIPs) as synthetic alternatives, which offer advantages such as cost-effectiveness, reproducibility, and enhanced chemical and thermal stability.
The study focuses on the development of hydrogel-based MIPs that can be synthesized in a one-pot process, producing microparticles that serve as both recognition elements and optical transducers. This innovative approach allows for direct fluorescence quenching upon target binding, eliminating the need for complex assay steps typically associated with antibody-based methods. The research demonstrates the successful detection of hemoglobin in untreated human serum, showcasing the platform’s sensitivity and robustness in complex biological environments. Furthermore, the study emphasizes the adaptability of the MIP synthesis method to various clinically relevant biomarkers, indicating its potential for broader applications in protein detection. Overall, the work presents a scalable and efficient sensing paradigm that enhances the feasibility of antibody-free diagnostics in real-world settings.
Methods
In this study, various materials were utilized, including ammonium persulfate (APS), bovine hemoglobin (BHb), bovine serum albumin (BSA), fluorescein O-methacrylate, glacial acetic acid (AcOH), N-(hydroxymethyl)acrylamide (NHMAm), N,N’-methylenebis(acrylamide) (mBAm), sodium dodecyl sulfate (SDS), and tetramethylethyldiamide (TEMED), all sourced from Sigma-Aldrich, Tokyo, Japan, and used without further purification.
The methodology involved the application of scanning electron microscopy (SEM) for detailed analysis, employing a JSM-7900F 8530FA model from JEOL Co., Japan. This approach facilitated the examination of the structural characteristics of the materials under investigation, providing insights into their morphological properties.
Results
In this study, molecularly imprinted polymers (MIPs) and fluorescently labelled MIPs (F-MIPs) were successfully synthesized using N-hydroxyethylacrylamide (NHMAm) as the functional monomer, N,N’-methylenebisacrylamide (mBAm) as the crosslinker, and fluorescein O-methacrylate as the fluorescent label. The use of water as a polymerization solvent was crucial, as traditional organic solvents can denature proteins, making them unsuitable for this application. The choice of NHMAm is supported by its demonstrated effectiveness as a functional monomer in hydrogel-based MIPs, facilitating the imprinting of protein targets.
Post-polymerization processing yielded approximately 70% microparticles from the bulk hydrogel monolith, with around 0.7 g of usable material. The protein template (BHb) was effectively removed through a series of washes with sodium dodecyl sulfate (SDS) and acetic acid (AcOH), which denatured the protein and disrupted the electrostatic interactions within the MIP-protein complex. Scanning electron microscopy (SEM) analysis revealed that the resulting microparticles were irregularly shaped, ranging from 20 to 70 μm in size. This irregularity, a consequence of the grinding and sieving process, may influence the binding properties of the imprinted materials, highlighting the need for careful consideration of particle morphology in future applications.
Discussion
In this section, the preparation and characterization of molecularly imprinted polymers (MIPs) and non-imprinted polymers (NIPs) are discussed, focusing on their binding performance, mechanical properties, and application in sensing platforms. MIPs were synthesized using a 10% crosslinking density with a specific monomer-to-crosslinker ratio, allowing for optimal protein binding. The binding performance of MIPs was evaluated against NIPs using a target protein (BHb) and a non-target protein (BSA). Results indicated that MIPs exhibited significantly higher rebinding percentages (89.4% for MIPs and 83.7% for fluorescent MIPs) compared to NIPs (41.9% and 35.9%, respectively), demonstrating the effectiveness of imprinting in creating specific binding sites. The selectivity of MIPs was further confirmed through calculated imprinting factors (IF) and selectivity factors (SF), both exceeding the recommended threshold of 1.2, indicating strong specificity for the target protein.
Rheological characterization revealed that MIPs possess enhanced mechanical integrity under deformation, which is crucial for maintaining signal stability in flow-assisted detection systems. The MIPs demonstrated a higher linearity limit and storage modulus compared to NIPs, suggesting that the imprinting process reinforces the polymer network, thereby preserving binding-site architecture during dynamic conditions. The study also employed a custom-designed microfluidic platform to assess the performance of MIPs under planar extensional flows, confirming that the imprinted hydrogels maintain distinct fluorescence signals during deformation. This highlights the importance of considering both binding affinity and mechanical properties when designing MIP-based sensors for real-world applications, as the reinforced network structure contributes to reliable performance in complex biological environments.