纳通道的物质传输特性及应用(3)

2.2 传感

纳通道因其离子传输具有可调性被广泛应用于传感领域。传感过程主要通过监测跨膜离子电流或者离子整流性质的变化得以实现。将各种识别分子修饰到纳通道表面,当目标物或外界物理刺激存在时,通道的表面电荷分布、空间尺寸发生变化即可改变离子电流,从而实现对目标物的传感检测[44-46]。DNA测序是纳通道最重要的应用之一。DNA链上ATGC 4个碱基的大小和结构存在差异,当DNA穿过单个纳通道时,不同的碱基产生的阻塞脉冲信号不同,通过识别这些脉冲信号便可获得完整的DNA序列[47,48]。将单层石墨烯纳米孔用于DNA测序可大大提升体系的碱基分辨率[49,50]。该方法用于DNA测序具有简单、快速、易集成、成本低等优点。然而,DNA测序只能由单个纳通道实现,当纳通道的数量较多时,所检测的是所有纳通道的叠加电流信号,无法进行单分子或单碱基识别。夏兴华等[51]则将电中性morpholino修饰在AAO通道表面,利用DNA与morpholino杂交改变表面电荷的特点,实现了高灵敏DNA检测(见图3)。此外,将蛋白质修饰在纳米孔道表面,利用pH调节蛋白质分子的表面电荷,即可测得蛋白质在限域条件下的等电点[52]。类似方法还可以用于核苷酸检测[53]、酶反应动力学研究[54]等。

2.3 分离

在纳通道中,溶质与通道内壁之间的相互作用,如空间排阻、静电力、亲和力、吸附(可逆和不可逆)和摩擦力等,会显著降低溶质输运速度。虽然,这些相互作用不利于物质传输,但赋予了纳通道在分离应用上的独特优势。通过对纳通道进行合理设计,充分利用通道的表面效应,可以实现分析物的高效分离[55-57]。

2.3.1尺寸排阻作用

当被分析物质(离子、分子、纳米粒子)与纳通道尺寸相近时,其传输过程受尺寸排阻效应的影响很大。尺寸小的粒子更容易穿过纳通道,而尺寸大的粒子则被截留。针对不同的分析物,选择不同尺寸的纳通道,可以实现精准分离[13,14]。江雷等[58]将金属有机框架化合物(ZIF-8)膜中的亚纳米孔道作为离子传输的通路,对碱金属离子在其中的传输性质进行了研究。他们发现,该亚纳米通道的Li+/Rb+选择性(4.6)与常规纳通道中的(0.6)相反。这是因为常规纳通道尺寸相对较大,离子以水合形式传输,而水合Li+的尺寸大于水合Rb+,所以Li+传输速率相对较小;对于亚纳米通道,其尺寸比水合离子小,离子穿过时需要脱水化,而脱水化后Li+尺寸小于Rb+,所以Li+传输速率更大。通过对亚纳米通道进行合理设计,可以实现金属离子的高效分离。

2.3.2静电作用

双电层重叠的纳通道中电渗流流速的剖面分布为抛物线状,在纳通道中靠近通道内壁的区域,由于静电作用,“反离子”的电泳传输速率要比通道中间区域的共离子的速率小很多[59,60]。基于此,研究人员在100 nm深的通道中利用电泳技术成功分离了不同尺寸的DNA寡聚体(10～100个碱基对)[61]。此外,研究人员还观察到了DNA输运速率与离子强度密切相关,说明电双层在调控物质传输过程中起着重要作用。对于压力驱动流动,离子的输运速率还受到自身电荷数的影响。电荷数越大的离子在流速最大的通道中心区域停留的时间越长。因此,纳通道可以实现带有不同电荷离子的分离。静电作用的长程特点也是在500 nm通道中可以实现DNA分离的重要原因[62]。

2.3.3熵作用

对于具有构象变化能力的非球形大分子,尺寸排阻效应使其很难进入纳通道。这种情况下,这些分子必须牺牲转动或构象熵,改变其形态之后才能进入纳通道。对于不同的大分子,进入通道时需要克服的熵垒不同,即所需能量不同。利用这一特性也可以进行分子、粒子分离[63,64],例如将阵列微腔(熵阱)和纳米通道结合可用于长链DNA分离。类似的设计也可以用于分离一些具有不同转动熵的刚性构象短链DNA。然而,需要指出的是,由于扩散过程很慢,这些基于熵的分离过程时间跨度很长。

2.4 能量转化

面对能源需求与环境保护的两难境地,太阳能、盐差能等清洁能源已经引起了人们的广泛关注。在自然界中有几种可以将清洁能源转化为电能的方式,如嗜盐菌中的菌紫质可以利用太阳能产生生物电能[65],电鳗可以利用大量离子通道将浓度梯度转化为电能[66]。在20世纪60年代,研究人员就已经提出液体在带电纳通道内流动时,可以在通道内产生流动电势和流动电流[67,68]。但是,受加工技术的限制,早期研究人员仅能在理论上对这一想法进行探索。近年来,随着微纳加工技术的飞速发展以及能源问题的日渐凸显,纳通道在能量转化领域的应用受到的关注越来越多。

文章来源：《传感技术学报》 网址: http://www.cgjsxb.cn/qikandaodu/2021/0502/353.html