基于內(nèi)壁和外表面修飾的固態(tài)納米孔傳感研究進(jìn)展

固態(tài)納米孔不僅具有傳輸離子/分子的能力，而且具有良好的加工性能。具有可控表面修飾的固態(tài)納米孔作為下一代測(cè)序技術(shù)和單分子傳感平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米級(jí)分析物的高靈敏度檢測(cè)。與傳統(tǒng)的分析方法相比，基于固態(tài)納米孔的分析技術(shù)具有體積小、靈敏度高、分析速度快、無(wú)標(biāo)簽、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。分析物的特異性捕獲可以通過(guò)在固態(tài)納米孔上修飾功能元素來(lái)實(shí)現(xiàn)。在傳統(tǒng)的固態(tài)納米孔的研究中，功能元素通常不加區(qū)分地修飾在納米孔的內(nèi)壁和外表面，且大部分研究集中在內(nèi)壁修飾的功能元件（FEIW）上，而忽略了外表面修飾的功能元件（FEOS）在傳感中的作用。

近期，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）夏帆教授和張孝進(jìn)教授在Analytical Chemistry期刊發(fā)表題為“Inner Wall and Outer Surface Distinguished Solid-State Nanopores for Sensing”的綜述文章，回顧了內(nèi)壁和外表面修飾的兩類固態(tài)納米孔的研究進(jìn)展，并討論了其發(fā)展前景和面臨的挑戰(zhàn)。

圖1 內(nèi)壁/外表面修飾的固態(tài)納米孔

納米孔傳感的原理是在固定的施加電壓下，監(jiān)測(cè)分析物通過(guò)小孔引起的離子流波動(dòng)。修飾功能元素到固體納米孔內(nèi)壁是調(diào)節(jié)其輸運(yùn)特性的常用策略。為了只獲得內(nèi)壁修飾的納米孔，通常需要在修飾后對(duì)外表面進(jìn)行等離子蝕刻處理，或在修飾前在外表面鍍上一層惰性層。離子門控和分子識(shí)別是FEIW的主要功能，常用于傳感。

圖2 內(nèi)壁修飾的納米孔

外表面修飾的納米孔最顯著的優(yōu)勢(shì)是能夠檢測(cè)大規(guī)模的分析物，且FEOS的離子門控行為可以忽略不計(jì)，抗干擾是其主要功能。由于空間電荷效應(yīng)，F(xiàn)EOS（如帶負(fù)電荷的DNA）能夠使離子信號(hào)呈指數(shù)級(jí)增加。此外，F(xiàn)EOS能在不增加內(nèi)阻的情況下有效地提高納米孔的離子選擇性和輸出功率。

圖3 外表面修飾的納米孔

總體而言，F(xiàn)EOS可以阻止干擾物質(zhì)進(jìn)入孔隙，防止它們堵塞孔隙，因此，內(nèi)壁修飾的納米孔適用于檢測(cè)小尺度分析物，而外表面修飾的納米孔適用于檢測(cè)大尺度分析物。目前，內(nèi)壁和外表面獨(dú)立修飾的納米孔已實(shí)現(xiàn)了對(duì)癌癥特別是細(xì)胞的多尺度生物標(biāo)志物的原位、高靈敏度和高特異性檢測(cè)。此外，內(nèi)壁和外表面的功能分區(qū)為單分子和單細(xì)胞的精確和原位測(cè)量提供了一種方法，有助于理解量子受限超流體，實(shí)現(xiàn)精確的化學(xué)合成和高效的信息傳遞。

然而，目前已有的研究手段還難以準(zhǔn)確、清晰地表征固體納米孔中FEIW和FEOS的空間分布和物理化學(xué)性質(zhì)。未來(lái)應(yīng)通過(guò)包含多維參數(shù)的綜合評(píng)價(jià)體系來(lái)區(qū)分FEIW和FEOS的功能。且有必要更深入地研究FEOS與FEOS在納米孔中的協(xié)同作用，以便開發(fā)更好的FEOS抗干擾與FEIW高靈敏度離子輸運(yùn)相協(xié)調(diào)的傳感器。在未來(lái)，固態(tài)納米孔可以作為納米級(jí)生物系統(tǒng)的界面，并與大規(guī)模電路集成，從而獲得可靠的、量產(chǎn)的、具有單分子檢測(cè)能力的傳感器。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acs.analchem.2c04216

審核編輯 ：李倩