Single-molecule profiling of per- and polyfluoroalkyl substances by cyclodextrin mediated host-guest interactions within a biological nanopore

纳米孔 环糊精 分子 仿形(计算机编程) 化学 寄主(生物学) 纳米技术 材料科学 生物 有机化学 计算机科学 遗传学 操作系统
作者
Xiaojun Wei,Aditya Choudhary,Leon Y. Wang,Lixing Yang,Mark J. Uline,Mario Tagliazucchi,Qian Wang,Dmitry Bedrov,Chang Liu
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:10 (45)
标识
DOI:10.1126/sciadv.adp8134
摘要

Biological nanopores are increasingly used in molecular sensing due to their single-molecule sensitivity. The detection of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) like perfluorooctanoic acid and perfluorooctane sulfonic acid is critical due to their environmental prevalence and toxicity. Here, we investigate selective interactions between PFAS and four cyclodextrin (CD) variants (α-, β-, γ-, and 2-hydroxypropyl-γ-CD) within an α-hemolysin nanopore. We demonstrate that PFAS molecules can be electrochemically sensed by interacting with a γ-CD in a nanopore. Using HP-γ-CDs with increased steric resistance, we can identify homologs of the perfluoroalkyl carboxylic acid and the perfluoroalkyl sulfonic acid families and detect common PFAS in drinking water at 0.4 to 2 parts per million levels, which are further lowered to 400 parts per trillion by sample preconcentration. Molecular dynamics simulations reveal the underlying chemical mechanism of PFAS-CD interactions. These insights pave the way toward nanopore-based in situ detection with promises in environmental protection against PFAS pollution.
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