中国地质大学（武汉）夏帆教授课题组ACS Nano：用于增强传感性能的外表面功能化固态纳米通道—进展与展望

纳米通道普遍存在于生物膜中，包括细胞膜和细胞器膜，它们在材料运输和信息传输中起着关键作用。从这些生物纳米通道中汲取灵感，已经开发了多种固态纳米通道。这些纳米通道有各种材料，包括有机、无机和混合成分，以及不同的物理结构，如圆柱形、圆锥形和雪茄形，它们表现出从0D到3D的不同维度。此外，这些固态纳米通道可以响应不同的刺激，包括光、pH和磁，这种多样性和普适性有助于其在当代生物传感研究中的重要性。

在掺入功能元件后，这些固态纳米通道被进一步改进，用于各种生物标志物的生化传感，通过记录电阻脉冲和稳态电流的方法来实现。虽然这些纳米通道为传感系统提供了良好的灵敏度，但要获得更高程度的灵敏度和特异性，还有很长的路要走。这种愿望涉及模拟生物纳米通道的复杂结构和功能。例如，考虑生物蛋白质通道，其中功能蛋白质位于纳米通道的外表面和内壁上，协同调节材料运输和信息传递。这一有趣的特征促使科学家探索外表面在固态纳米通道中用于离子和分子传输的潜在意义。在生化传感领域，深入研究纳米通道的外表面有望产生具有增强性能的传感系统。这包括更高的灵敏度、更高的特异性和更好的抗干扰性。

近年来，基于这一原理设计了一系列具有功能外表面的固态纳米通道。通过对固体纳米通道外表面功能元件（FEOS）的改性，实现了对空间位阻、电荷分布和亲水性能的精确调节。因此，已经为各种生物标志物开发了一系列高灵敏度和特异性的传感系统。这些纳米通道具有FEOS功能，能够检测大型分析物，通常不需要分析物进入或通过纳米通道。当将探针用作FEOS时，很明显，外部相对自由的空间赋予纳米通道一系列属性。这些优点包括直接固定、精确表征和适应外来基材的能力。外表面功能化纳米通道的应用已扩展到检测一系列分析物。这包括离子、小分子、核酸、蛋白质，甚至有助于原位检测较大的分析物，如细胞。此外，在理解固态纳米通道外表面自主调节离子传输的能力方面也取得了进展。通过应用泊松方程和能斯特-普朗克方程，阐明了这一现象背后的机制。

基于固态纳米通道的传感系统因其无标记、高灵敏度和高通量筛选而成为传感丰富生物标志物的有力工具。然而，对固态纳米通道的研究主要集中在内壁上修饰的官能团上，而忽略了对外表面的研究。实际上，外表面作为纳米通道的一部分，在调节离子电流方面也起着关键作用。当目标接近纳米通道的入口并准备通过时，它还会与位于纳米通道外表面的官能团相互作用，导致离子电流的后续变化。最近，外表面的探针已经通过实验证明了它们独立调节离子电流的能力，揭示了原位目标检测的优势，特别是对于大于纳米通道直径而无法通过它们的目标。在这篇综述里，中国地质大学（武汉）黄羽教授（点击查看介绍）和夏帆教授（点击查看介绍）团队回顾了过去十年在具有多种外表面功能化的纳米通道方面的进展，旨在增强传感性能，包括电荷修改、浸润性调整和探针固定化。随后，中国地质大学（武汉）黄羽教授和夏帆教授团队讨论了与外表面功能化固态纳米通道相关的潜在前景和挑战。最后，从纳米通道中超快离子传输的量子效应的角度出发，作者还提出了开发先进固态纳米通道及其化学传感系统的潜在机会。

图1. 基于外表面固态纳米通道的传感系统方案及其在量子约束超流体（QSF）中的应用.（A）外表面带有电荷修饰的纳米通道。（B）外表面浸润性调节的纳米通道。（C）外表面有探针的纳米通道。（D）具有量子约束超流体的纳米通道。

图2.（A）生物和固态纳米通道中的QSF。生物K⁺通道：K⁺由中间含有两个K⁺离子和一个水分子的离子链运输。生物 H₂O 通道：H₂O由具有有序水链的分子链运输。经参考文献 38 许可转载。版权所有2004 Wiley-VCH。K⁺的固态纳米通道具有巨大的整流，这与圆柱形段长度的增加有关，并且是由量子化流动引起的。经参考文献32许可转载。版权所有2016 Wiley-VCH。（B）基于常规动作电位理论的神经信号通过离子扩散传递。（C）神经信号传递中的QSF过程。通过所有钠钾纳米通道的超快离子传输不会发生能量损失，并导致沿神经元轴突的Na⁺和K⁺密度波。经参考文献 35 许可转载。版权所有 2019 Springer。（D）用于高效化学反应的纳米限超流体。在22 ℃的温度下，Knoevenagel缩合反应实现了约100%的转化率，反应时间非常短，不到29 s。经参考文献 39 许可转载。版权所有2023 Elsevier。

总结与展望

本文全面概述了三种不同类型的外表面功能化纳米通道，包括电荷修饰、浸润性调整和探针固定化。中国地质大学（武汉）黄羽教授和夏帆教授团队通过分析负/正电荷分布、疏水/亲水浸润特性和空间位阻来评估它们对离子电流的影响。外表面功能化纳米通道的进步彻底改变了与各种生物过程相关的生物标志物的检测。这些进步不仅能够直接原位检测小于纳米通道本身尺寸的靶标，包括离子、小分子、核酸、肽和蛋白质，甚至可以原位检测较大的分析物，如细胞。同时，还实现了清晰的传感机制。此外，在纳米或分子水平上精确制备具有不同功能分区的固态纳米通道，以及用量子约束超流体（QSF）构建固态纳米通道，将是具有单分子检测和超高精度时空分辨率的生物标志物传感器的可能方向。超快的离子传输和低能耗将允许更多的离子和分子以更小的外力（例如伏放大差）通过纳米通道。QSF阐明了生物纳米孔内的超快离子传输现象，并显着改善了固态纳米通道中的离子通量。因此，基于QSF的纳米通道的灵敏度分辨率将经历实质性的放大。具有外表面修饰的纳米通道在实现各种模式下的QSF方面具有巨大的潜力。这包括通过疏水相互作用减小固态纳米通道的有效直径，影响离子或分子接近纳米通道时的分布状态，以及其他可能性。因此，我们认为具有功能化外表面的固态纳米通道的设计以及QSF的实现将有效克服实现通用单分子检测和超高精度时空分辨率的挑战。虽然某些挑战仍然存在，但通过外表面功能化纳米通道的创新设计和构建，有望取得重大进展。这些开创性的纳米通道不仅将扩大生物传感器的应用范围，还将促进传质机制的探索，从而在解开生命的神秘复杂性方面具有深远的重要性。

上述综述发表在ACS Nano。中国地质大学（武汉）黄羽教授为本文的通讯作者，戴力（中国地质大学（武汉）材料与化学学院博士研究生）和张炜奇（中国地质大学（武汉）材料与化学学院博士研究生）为本文的共同第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Outer-Surface Functionalized Solid-State Nanochannels for Enhanced Sensing Properties: Progress and Perspective

Li Dai,^‡a Wei-Qi Zhang,^‡a Defang Ding,a Cihui Luo,a Lei Jiang,b Yu Huang,*a and Fan Xiaa

ACS Nano, 2024, 18, 7677–7687, DOI: 10.1021/acsnano.3c12270

导师介绍

黄羽

https://www.x-mol.com/university/faculty/380766 

夏帆

https://www.x-mol.com/university/faculty/50061