過量攝入糖分導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，其結構中仍然存在非常多手性中心，有多種多樣的同分異構體和差向異構體結構。總體而言，人體對糖醇的吸收率遠小于糖類，但不同的糖醇同分異構體在甜度和生理代謝水平方面具有很大差異。因此，在醫療和食品行業對糖醇水溶液的檢測和鑒別過程中糖醇分子化學結構的相似性是需要面對的主要挑戰之一。
常規的分析方法，例如氣相色譜法（GC）、高效液相色譜法（HPLC）、液質聯用（LC-MS）等作爲糖醇分析的標准方法已經被國內外分析測試公司使用，形成了比較標准的測試流程。然而，測試報告中顯示目前的檢測系統僅推薦對具有不同分子量或不同極性的少數幾種糖醇（例如山梨糖醇、赤藓糖醇、木糖醇和甘露糖醇）進行定性分析和定量檢測，未能實現混合物中與單醛糖相對應的所有13種糖醇的完全區分。此外，多數現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幹擾。因此亟待開發更加通用的多元醇類分子檢測方案，構建全面的多元醇指紋數據庫，以適用于食品藥品質檢等安全管控。
圖1. 單個苯硼酸內嵌的MspA-PBA區分由甘油醛衍生出的15種單醛糖被還原所對應的13種糖醇結構
納米孔單分子化學的發展爲多元醇的單分子鑒定提供了很好的基礎。2022年6月，我室黃碩教授課題組在《德國應用化學》期刊首次報道了一種內嵌單個苯硼酸基團的異質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，該課題組進一步展示了該檢測器對于糖醇異構體出色的空間分辨率，構建了目前最全面的糖醇指紋電流數據庫，包含了所有由甘油醛衍生出的15種單醛糖被還原所對應的13種糖醇結構，可以组成13對差向異構體。由于MspA-PBA納米孔內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（赤藓醇、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）通過擴散作用進入納米孔內即可産生特異性相互作用，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分。
圖2. 機器學習輔助的MspA-PBA糖醇自動檢測系統檢測市售4種零糖飲料和4種保健醫藥
作者進一步提取了糖醇標准品産生的離子流阻塞的七個特征構建了機器學習分類系統，實現了對任意糖醇混合物中組分的自動化鑒定，驗證正確率達99.4%。這種基于MspA-PBA和人工智能算法的糖醇自動分類系統可進一步直接用于四種市售的零糖飲料和四種含糖醇醫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處理，僅幾微升溶液或即可在幾分鍾內完成分析。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點。與之前該課題組構建的單糖、單磷酸核苷及其表觀遺傳修飾的指紋電流數據庫相結合，這種基于MspA-PBA的多元醇自动检测系统在食品、药品、生物提取物的分析簣Dǚ矫婢瓜至烁叻治鲂屎透叻直媛实募觳饽芰�，具有非常广阔的应用前景。
該工作以“Nanopore identification of alditol epimers and their application in rapid analysis of alditol-containing drinks and healthcare products”爲題，于2022年7月22日發表于《美國化學學會期刊》（文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c04595, DOI: 10.1021/jacs.2c04595）, 我室劉瑤博士和博士生張善雨爲該論文共同第一作者，黃碩教授爲該論文的通訊作者，陳洪淵院士對該工作做出了重要指導。此項研究得到了我室青年人才項目以及南京大學化學和生物醫藥創新研究院(ChemBIC)的重要支持，國家自然科學基金（項目編號：31972917, 91753108, 21675083）、中央高校基本科研業務費資助項目(項目編號：020514380257, 020514380261)、江苏省高层次创业创新人才引进计划（个人、团体计划）、江苏省自然科学基金（項目編號：BK20200009）、南京大學科研計劃項目(項目編號:ZYJH004)、上海市科技重大专项（項目編號：ZYJH004)、南京大學生命科學分析化學國家重點實驗室(項目編號：5431ZZXM1902，5431ZZXM2204)、南京大學科技創新基金資助項目、中國博士後科學基金資助項目(項目編號：2021M691508)等提供了經費支持。
