基于内壁和外表面修饰的固态纳米孔传感研究进展

固态纳米孔不仅具有传输离子/分子的能力，而且具有良好的加工性能。具有可控表面修饰的固态纳米孔作为下一代测序技术和单分子传感平台，实现了对纳米级分析物的高灵敏度检测。与传统的分析方法相比，基于固态纳米孔的分析技术具有体积小、灵敏度高、分析速度快、无标签、操作简单等优点。分析物的特异性捕获可以通过在固态纳米孔上修饰功能元素来实现。在传统的固态纳米孔的研究中，功能元素通常不加区分地修饰在纳米孔的内壁和外表面，且大部分研究集中在内壁修饰的功能元件（FEIW）上，而忽略了外表面修饰的功能元件（FEOS）在传感中的作用。

近期，中国地质大学（武汉）夏帆教授和张孝进教授在Analytical Chemistry期刊发表题为“Inner Wall and Outer Surface Distinguished Solid-State Nanopores for Sensing”的综述文章，回顾了内壁和外表面修饰的两类固态纳米孔的研究进展，并讨论了其发展前景和面临的挑战。  

图1 内壁/外表面修饰的固态纳米孔

纳米孔传感的原理是在固定的施加电压下，监测分析物通过小孔引起的离子流波动。修饰功能元素到固体纳米孔内壁是调节其输运特性的常用策略。为了只获得内壁修饰的纳米孔，通常需要在修饰后对外表面进行等离子蚀刻处理，或在修饰前在外表面镀上一层惰性层。离子门控和分子识别是FEIW的主要功能，常用于传感。

图2 内壁修饰的纳米孔  

外表面修饰的纳米孔最显著的优势是能够检测大规模的分析物，且FEOS的离子门控行为可以忽略不计，抗干扰是其主要功能。由于空间电荷效应，FEOS（如带负电荷的DNA）能够使离子信号呈指数级增加。此外，FEOS能在不增加内阻的情况下有效地提高纳米孔的离子选择性和输出功率。

图3 外表面修饰的纳米孔

总体而言，FEOS可以阻止干扰物质进入孔隙，防止它们堵塞孔隙，因此，内壁修饰的纳米孔适用于检测小尺度分析物，而外表面修饰的纳米孔适用于检测大尺度分析物。目前，内壁和外表面独立修饰的纳米孔已实现了对癌症特别是细胞的多尺度生物标志物的原位、高灵敏度和高特异性检测。此外，内壁和外表面的功能分区为单分子和单细胞的精确和原位测量提供了一种方法，有助于理解量子受限超流体，实现精确的化学合成和高效的信息传递。

然而，目前已有的研究手段还难以准确、清晰地表征固体纳米孔中FEIW和FEOS的空间分布和物理化学性质。未来应通过包含多维参数的综合评价体系来区分FEIW和FEOS的功能。且有必要更深入地研究FEOS与FEOS在纳米孔中的协同作用，以便开发更好的FEOS抗干扰与FEIW高灵敏度离子输运相协调的传感器。在未来，固态纳米孔可以作为纳米级生物系统的界面，并与大规模电路集成，从而获得可靠的、量产的、具有单分子检测能力的传感器。

论文链接：

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

审核编辑 ：李倩