纳通道的物质传输特性及应用

李仲秋, 吴增强, 夏兴华

(南京大学化学化工学院, 江苏 南京 210023)

纳通道普遍存在于生命体中,是细胞实现物质代谢、能量转换以及信号转导等功能的重要基础。生物纳通道通常由蛋白质组成,包括水通道蛋白、膜孔蛋白和生物离子通道等,其中生物离子通道(如K+、Na+、Ca2+离子通道)最为重要,其研究也最为广泛[1]。这些生物离子通道在外界信号刺激下,可以通过蛋白质的构型、电荷变化实现相应离子传输的调控,表现为离子选择性、离子整流和门控传输等,进而实现特定的细胞功能。例如,大肠杆菌外膜蛋白F(OmpF)通道具有不对称的几何结构,在对称pH下,整个通道呈现负电荷状态,而在非对称pH条件下,通道两侧表面带有相反电荷,微环境的pH对细胞离子输运和整流性能有很大影响[2,3]。然而,由于蛋白质结构复杂且易变的性质,生物纳通道通常具有机械强度低、稳定性差的缺点。因此,研究者开发了许多有机/无机材料的纳通道以替代生物纳通道,称为人工纳通道[4,5]。和生物纳通道相比,人工纳通道具有尺寸可调、化学稳定性高、机械性能好、容易修饰等优点,更有利于满足实际研究和应用的需要。目前,制备人工纳通道的方法主要包括离子束雕刻法[6]、电子束缩孔法[7]、离子径迹-化学刻蚀法[8,9]、阳极氧化法[10-12]、二维材料堆叠法[13-15]等。人工纳通道因其特殊的物质传输性质,已经发展成为一类重要材料,广泛应用于分离、传感、能源等领域。

本综述对人工纳通道中的物质传输特性,以及纳通道技术在各个领域的应用进行了总结与展望,有助于推动新型、高效纳通道器件的构建以及纳通道技术的发展。

1 纳通道中的物质传输特性

纳通道的孔径通常为1～100 nm,在这一尺度下,通道表面与通道内物质之间的相互作用大大增强。这些作用包括水合作用、静电作用、范德华作用等,其中静电作用作为一种长程作用,对物质传输性质影响最大[16]。当通道内表面与溶液接触时,界面处会产生基团解离、离子吸附、化学反应等过程,使得通道表面存在一定量的净电荷。该电荷与溶液中的带电粒子产生静电作用,导致纳通道吸引电性相反的离子(反离子),排斥电性相同的离子(同离子),形成紧密层和扩散层,即双电层(electric double layer, EDL)。双电层的厚度一般用德拜长度(Debye length)进行描述,其数值随溶液中离子强度及离子电荷数的增加而减小,一般在几埃到几十纳米之间,与纳通道尺寸相当。在表面电荷的作用下,纳米通道中的物质传输表现出许多与宏观尺度下不同的特性,如离子选择性、离子整流特性和阻塞脉冲特性等。

1.1 离子选择性

离子选择性是纳通道最基本的性质之一。一方面,由于带电表面和离子间的静电作用,纳通道对于反离子具有选择性;另一方面,纳通道的内壁还可能存在特异性结合位点,这些位点可以“感知”特定的离子,只有与之匹配的离子能被识别并通过,表现为特定离子选择性。生命体中,细胞可以利用不同的生物离子通道实现不同离子的选择性传输。受此启发,研究人员利用不同的功能分子对人工纳通道进行修饰,实现了钾离子[17]、银离子[18]、二价汞离子[19]、锌离子[20]、二价铅离子[21]、三价铁离子[22]、氟离子[23]等的选择性传输。Siwy等[24]设计了一种具有K+选择性的固态纳米孔,纳米孔的内壁修饰有4′-氨基苯并-18-冠醚-6,孔口修饰有单链DNA(ssDNA)分子。K+可以在通道内层自由传输,而Na+的传输可以忽略。这是由于高电荷的ssDNA具有阳离子过滤器的作用,并且K+在冠醚孔隙区域的传输阻力比Na+低很多。固态纳米孔中的高K+选择性传输特性为构建高效的分离和传感技术开辟了新道路。

1.2 离子整流特性

离子整流特性是指当纳通道两端存在电化学势能差时,表现出正向与反向电流不对称的现象,类似于电子学中的二极管,因此,具有离子整流特性的纳通道器件也被称为纳流控二极管。1997年,Bard等[25]在研究锥形玻璃纳通道中的离子传输行为时,首次发现了离子整流特性。他们认为离子整流是由纳通道的结构不对称性和离子选择性共同作用所致。Guo等[26]对纳通道的离子整流性质进行了总结,建立了相应的理论模型。他们指出,纳通道中的不对称因素(如结构不对称、浓度分布不对称和表面电荷分布不对称)会导致通道内阴阳离子的浓度分布不对称。因此,在施加不同偏压时,通道内离子浓度产生富集或耗散,形成整流。

实现离子整流最简单有效的方法是对纳通道结构进行调控。目前,已有多种形状的纳通道用于离子整流的研究,如圆锥形[27]、子弹形[28]、雪茄形[29]等。夏兴华等[30]提出了采用分支结构阵列纳通道构建离子整流器件。他们通过两步法结合电压突变技术制备了不同分枝结构的阳极氧化铝(anodic aluminum oxide, AAO)膜,并探究了溶液pH对其整流性能的影响(见图1)。低pH时,铝羟基发生质子化使通道带正电荷,由于纳通道几何结构不对称表现出明显的整流特性;高pH时,铝羟基发生电离使通道带负电荷,整流发生反转。有限元理论模拟结果显示,纳通道中离子的富集与耗散是引起整流效应的主要原因。

当纳通道两端浓度不对称时,同样可以产生离子整流[31,32]。Guo等[32]研究了不同浓度梯度下,4 nm和20 nm的二氧化硅纳通道的整流性质。结果表明,当通道低浓度一侧的电双层重叠时,即可实现离子整流。理论模拟进一步证实,纳通道中阳离子和阴离子在不同偏压作用下形成富集和耗散是产生整流的根本原因。

虽然,结构不对称和浓度不对称可以产生整流,但其整流比(正向电流与反向电流之比)一般较低。这是由于目前的加工技术很难制备尺寸小(<10 nm)、结构复杂的纳通道,并且电解质浓度受溶解度影响也很难进行调控。因此,表面电荷调控的方法受到了更多关注[33,34]。通常可以通过不对称加工和不对称修饰在通道内构建不对称的电荷分布,如通过原位精确定位修饰的方法可制备具有表面电荷分布突变的AAO阵列纳通道(见图2)[35]。该纳通道表现出明显的整流性质,并且通道尺寸越小,整流比越高。此外,由于AAO为两性氧化物,通过改变溶液pH,可以实现通道整流性质的反转。这一特殊结构可模拟生物通道,研究生命过程的化学本质。

1.3 阻塞脉冲特性

当纳通道的尺寸与生物分子相当时(一般小于10 nm),若电场驱动生物分子迁移通过单个纳通道,则会导致纳通道内的离子电流迅速降低,产生阻塞脉冲(resistive-pulse)信号。通过分析这一脉冲信号可以得到生物分子、纳米粒子的过孔信息,包括滞留时间、电流降、阻塞频率、峰形等。进一步分析这些信息可以得到过孔物质的组成、电荷、结构等性质。该方法是目前单分子、单粒子研究的重要手段[36-38]。

2 纳通道的应用

2.1 门控离子传输

生物纳通道受外部环境刺激可以在开启和关闭两种状态之间转化,进而调节细胞内外的离子平衡,实现各种重要的生理功能。受此启发,人们开发了具有单重或多重响应性能的仿生人工纳通道。通过改变外部环境,即可实现通道内离子传输的调控。该通道一方面可以模拟生物纳通道,帮助理解生命体中复杂的离子传输行为;另一方面,可以在微纳流控体系中作为阀门,构建“智能”器件。通过选择特殊的通道材料或者对纳通道进行特殊修饰即可得到“智能”纳通道。根据通道性质,“智能”纳通道的响应对象可以分为pH、热、光、离子/分子、力、电等。

图 1 具有分支纳通道结构的AAO膜在不同pH的0.01 mol/L KCl溶液中的电流-电压曲线和离子整流性质[30]Fig. 1 Current-voltage curves and ion current rectification properties of anodic aluminum oxide (AAO) membrane with branched nanochannels measured in 0.01 mol/L KCl at different pH values[30]

图 2 分段修饰(3-氨基丙基)三甲氧基硅烷的AAO膜的离子整流性质示意图[35]Fig. 2 Schematic illustration of ionic rectification properties for AAO membrane patterned with (3-aminopropyl)trimethoxysilane[35]

光响应纳通道具有响应迅速,可远程操控的特点。李根喜等[39]报道了一种基于偶氮DNA和氧化石墨烯(GO)的光响应纳通道。将偶氮DNA修饰在AAO的障碍层上,利用光照控制其构象,改变DNA与GO的相互作用,即可调控跨膜离子传输性质。在紫外光照下,偶氮DNA呈开启状态,GO吸附后,跨膜电流下降;在可见光照下,偶氮DNA呈折叠状态,GO发生脱附,跨膜电流上升。该光调控过程具有很好的稳定性和可逆性,为构建高效“智能”器件提供了新的思路。

具有力响应特性的柔性纳通道在外力作用下会发生一定程度的形变,导致其形状、尺寸发生可逆变化,进而影响其离子传输性质。该纳通道结构简单,稳定性高,可逆性好,调控范围大,在传感和离子分离等方面具有重要应用意义。侯旭等[40]报道了一种基于聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)和碳纳米管的动态曲率纳通道系统。他们将碳纳米管封装在PDMS中,并通过施加外力使PDMS发生形变来改变碳纳米管的曲率,实现了离子整流的实时控制和可逆转换。该方法可以动态调控通道内的离子传输性质,可用于构建“智能”纳通道,也可以通过离子流性质检测外力大小。

图 3 Morpholino修饰的AAO用于DNA检测示意图Fig. 3 Schematic illustration of DNA detection using morpholino functionalized AAO membrane

将多个响应元素结合到同一纳通道中,即可得到更加“智能”的多重响应纳通道[29,41]。该通道具有更高的离子传输可调性。江雷等[42]通过将具有pH和温度双响应的共聚物修饰在不对称的单纳米通道内,构建了双重响应纳通道。当pH在3.6 ～ 9.4范围内时,该纳米通道的温度响应性质(25 ℃和40 ℃下的电导比值)基本保持不变,但离子整流比却随pH值的增大而增大,并在pH值较高时趋于饱和。该课题组[43]还构建了“水凝胶-导电高分子”异质膜,利用pH对水凝胶骨架电荷的调控以及不同门电位下导电高分子聚吡咯氧化还原状态的改变,实现了pH和电化学双调控的离子传输。

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。

2.4.1光驱动能量转化

太阳能是一种分布广泛、廉价而且清洁的能源,是解决能源危机的最佳选择[69,70]。通过将光捕获材料与纳通道进行结合,研究人员开发了一系列模拟光收集的人工系统。江雷等[71]通过将光酸分子(photo-acid molecules)修饰在纳通道一端,构建了人工光电转换系统。光照下,光酸分子吸收光能,同时释放质子,进而在通道内形成质子梯度,在通道两端形成电势差。翟锦等[72]则利用光系统II粒子作为光收集单元,与纳通道共同作用将光能转化为电能。

2.4.2压力驱动能量转化

利用压力驱动液体流过表面带电的纳通道,即可产生流动电流和流动电势,将机械能转化为电能。Dekker等[73]通过对高度为70 nm的单个硅纳米通道施加压力,得到了流动电流和流动电势。实验结果表明,表面电荷极性、双电层和流体流动性质对这一能量转化过程有很大的影响。流动电流随外加压力的增加而增加,随电解质浓度的增加而减小。此外,在低浓度条件下,离子迁移率和流体黏度的降低可以提升能量转换效率。郭万林等[74]将纳米多孔的炭黑片层负载到石英片上,并通过退火和等离子体处理,在其表面引入丰富的官能团,构建了水蒸发发电装置。将此装置部分浸入到去离子水中,即可在炭黑片两端电极之间产生高达1 V的开路电压。该开路电压能在长达8天时间内稳定维持在1 V,短路电流也可达到150 nA。后续研究证明,水的持续蒸发会使水流入到多孔的炭黑片层中,在炭黑片层表面官能团的作用下,产生很大的流动电位。通过将4个发电装置进行串联,可以得到高达4.8 V的输出电压。

2.4.3盐差驱动能量转化

将不同浓度的盐溶液,如海水和淡水,进行混合,即可产生能量。这是一种重要且储量巨大的清洁能源,也称为蓝色能源(blue energy)。近年来,纳通道因其高效的渗透能-电能转换效率而备受关注,其输出能量密度随着新材料和新技术的发展得到了极大的提升[75]。Bocquet等[76]将氮化硼纳米管(BNNT)插入SiN膜上的纳米孔内,构建了一种盐差能量收集装置。盐浓度梯度驱动电解质通过纳米孔,产生流动电势,这种跨膜纳米管(t-BNNT)器件产生的最大功率可以达到4 kW/m2。随后,Radenovic等[77]制备了MoS2单纳米孔进行盐差发电。由于该纳米孔具有单层超薄结构,并且表面电荷密度高,发电的功率可以达到约106W/m2。该课题组还进一步在体系中引入激光照射,利用MoS2在光照下表面电荷密度增加的特点,使发电功率进一步提高[78]。此外,通过将单个纳通道进行并联,形成多孔膜,理论上可以大大提升输出功率。然而,由于纳通道界面离子浓度极化区域的耦合,多孔膜体系的界面电阻使得通道内阻急剧增加,输出功率远小于理论值。为克服这一瓶颈,一方面可控制多孔膜中每个通道之间的距离,使浓度极化区域发生去耦合;另一方面,可增加通道表面电荷,以提高体系在高离子浓度下的能量转化效率[79]。

3 总结与展望

受到自然界中生物纳通道的启发,人们开发了具有各种结构和功能的纳通道,并将其成功应用于传感、分离、能源等领域。然而,基于纳通道的技术及纳米尺度的物质传输理论尚处于萌芽期,其进一步发展仍面临许多问题。一是如何制备超薄纳通道膜。超薄膜厚一方面可以提升纳通道在单分子检测过程中的分辨率,实现高精度分析;另一方面,还可以显著减小通道的内阻,增加离子通量,提升通道的能量转换效率。二是如何通过表面功能化有效调控通道界面性质,如获得高表面电荷密度、超亲水性、超疏水性等。纳通道的界面性质是实现纳米通道各种功能的关键,如高表面电荷可以大大增强通道的电荷分离能力,提升其能量转换效率。三是如何在纳米甚至亚纳米尺度下,实现纳通道结构和尺寸的精准加工。纳米限域效应是纳通道物质传输特性的根源,进一步将通道尺寸控制到亚纳米级别,可以引发一系列新的物理、化学变化,如溶液介电常数变化、离子脱水化等,有助于探索新的物质传输理论。纳通道为化学、材料学、光学、热学等学科交叉提供了一个平台,将各学科的前沿技术交叉应用到纳通道体系的研究中,将能推动纳通道技术的高速发展。