合成纳米孔/通道的离子传输性质

刘国畅，陈 威，刘笔锋，，赵元弟*，

(1.华中科技大学生物医学工程系，生物医学光子学教育部重点实验室，湖北武汉 430074；2.华中科技大学武汉光电国家研究中心，Britton Chance生物医学光子学功能实验室，湖北武汉 430074)

1 前言

活细胞通过新陈代谢不断与外界进行信息传递和物质交换。在这种过程中，细胞膜上的膜蛋白(纳米孔/通道)起着关键的作用。得益于卓越的离子传输性质，它们控制着各种离子和分子在细胞膜上进出、传递和交换。合成纳米孔/通道有着类似且更多样的离子传输行为，基于这些行为，合成纳米孔/通道已广泛应用于能源、传感和生化等方面[1-4]。

纳米孔/通道通常是指直径小于100 nm的小孔或小洞。近年来，各种各样的生物纳米孔/通道被发现并用于生化分析及生物分子检测[5-17]。它们具有低噪音和高灵敏等优点，但由于嵌入脂双层的不稳定，生物孔易破坏，且孔径固定而尺寸无法调控。与之相比，合成固态纳米孔/通道有明显的优势，如物理化学性质稳定、孔径易控制、易操作加工、可批量化生产和易修饰改性等[1,3]，基于这些优点合成纳米孔/通道有着更广泛的应用前景。

合成纳米孔/通道的主要材质包括固态非金属单质、有机聚合物薄膜和固态无机化合物等[18-25]。其形状有圆柱形、单锥形、子弹形和漏斗形等一维通道[20,26-29]，也有3D的介孔通道[30,31]。已经报道有多种物理或化学方法可以将不同材料制备出不同形态的纳米孔/通道。基于其材质的丰富性、结构的多样性及独特的孔内电荷分布，合成纳米孔/通道展示出了几种独特的离子传输现象，如离子电流整流(ICR)[32-35]、离子电流饱和[27,29,36,37]、离子电流振荡[38-41]、离子传输迟滞[34,42,43]和负差分电阻[44-46]等。

2 纳米孔/通道的类型及特点

根据纳米孔/通道的成分和来源可将纳米孔分为天然生物纳米孔/通道和合成纳米孔/通道。天然生物纳米孔/通道来源于生物细胞，细胞膜上包含了种类繁多的纳米孔和纳米通道，这些通道控制着离子与分子进出细胞，在细胞的生命活动中起着至关重要的作用，因此生物纳米孔/通道也被称为跨膜通道蛋白。合成纳米孔/通道是通过物理或化学方法制备的人工纳米孔/通道，它具有材质多样、形状尺寸易控制、物化性质稳定、易修饰改性和可批量化生产等优点。

目前，各种各样的生物纳米孔/通道被发现并用于生化分析及生物分子检测，包括α溶血素[5]、MspA耻垢分支孔蛋白A[6]、噬菌体pHi29连接器[7,8]和气单胞菌溶素[9,10]等，基于它们天然的小孔径(通常小于5 nm)可实现单分子水平的生化分析[11]、单分子检测[10,12,13]、DNA测序[14-16]和单分子水平研究蛋白质折叠[17]。它们具有高重复性孔结构和尺寸、高测序精度、低噪音、高灵敏、可通过基因工程进行改造和修饰等优点。然而，此类生物纳米孔/通道在结构稳定性和可调控性上也有所不足，如嵌入脂双层不稳定，生物孔易被破坏，同时生物纳米孔/通道孔径固定唯一，尺寸无法灵活调控。

受生物纳米孔/通道的启发，合成纳米孔/通道备受关注。其主要材质有固态单质(碳和石墨烯等)[18,19]，聚合物薄膜(聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚碳酸酯等)[20-22]，无机固态化合物(二氧化硅、三氧化二铝、二氧化钛和氮化硅等[23-25])等，而其形状有圆柱形、锥形(又分为单锥、内双锥和外双锥)、子弹形和漏斗形等一维通道[20,26-29]，也有3D的介孔通道[30,31]。另外相较于生物纳米孔/通道，合成纳米孔/通道展示出了更为多样的离子传输行为。得益于材料的丰富性、结构多样性、离子传输行为的独特性及其易操作加工等特点，相较于生物纳米孔/通道，合成纳米孔/通道有着更广泛的应用。

3 制备方法

随着纳米制造技术的发展，多种制备方法被研发用于将多种多样的材料制备成不同形态的纳米孔/通道，其中有激光热熔拉制[32]、离子或电子束刻蚀[23,24]和微机械打孔[47]等物理方法，也有化学蒸汽生长[18]、电化学刻蚀[25]和限域空间化学生长等化学方法[30,31]。激光热熔拉制法是通过微电极激光拉制仪将玻璃或石英毛细管拉制成锥形纳米孔/通道；离子或电子束刻蚀是利用离子束或电子束照射数百纳米厚度的固态薄片进行打孔，同样的微机械打孔是利用微机械手臂如原子力显微镜的针头使用机械力在薄片上打孔。电化学蚀刻一般是通过在金属基板上进行电化学蚀刻氧化后而形成纳米孔/通道阵列；限域空间化学生长是将可以生成沉淀的化学反应在微米孔中发生，由于限域空间的作用形成的微塞会有纳米通道。另外还有旋涂、喷镀等其它常用的纳米材料制备方法也可以用来制备纳米通道[4]。

在这些纳米孔/通道制备方法中，物理制备方法方便简单快速高效，制备过程往往几秒钟就可以完成。但缺点是对设备依赖度较大，除操作者的技能熟练程度外，设备的状态也对纳米孔/通道的制备效果有较大影响，即使同类型设备使用相同参数制备的纳米孔/通道之间也有较大差异，且设备较昂贵。也有一些不依赖设备使用手工制备纳米孔/通道的方法，如通过烧结毛细管的尖端后打磨出纳米孔/通道，但该方法费时且成功率不高。化学制备方法往往不依赖于昂贵的设备，成本低廉，但制备的纳米孔/通道往往需要清洗才能使用，且需要一定的实验条件进行化学反应和反应废物的处理。当前纳米制造技术的发展日新月异，相信会有越来越多的的纳米孔/通道制备方法开发出来，进而快速、高效、方便的制备出各种性能优异的纳米孔/通道。

4 合成纳米孔/通道的离子传输特征

随着研究的深入，科研工作者们发现合成纳米孔/通道在控制物质和离子传输方面有着卓越的性能，其表现出了几种独特的离子传输现象，如离子电流整流(ICR)[32-35]、离子电流饱和[27,29,36,37]、离子电流振荡[38-41]、离子传输迟滞[34,42,43]和负差分电阻[44-46]等。研究者们还提出了各种机制用于解释这些离子传输现象，其中关于ICR现象的机制最多，如尖端的选择通过性[32]、窄孔膜模型[48]、棘轮模型[49]等；离子电流饱和被认为是纳米孔/通道内的离子消耗区造成的；负差分电阻现象的解释是基于孔口附近的离子分布和电解质溶液流动相互作用的“正反馈机制”；离子电流振荡是由于纳米孔/通道中电压诱导的弱溶性盐浓度变化引起的动态沉淀-清除机制；离子传输迟滞归结于有限的离子迁移速率造成的纳米孔/通道的记忆膜电容效应。近年来，也有越来越多的研究者们开始基于Poisson-Nernst-Planck方程组，通过数值模拟来确定纳米孔/通道的离子浓度分布和I-V曲线，来解释试验中的纳米孔/通道的离子传输现象[50,51]。

4.1 整流

离子电流整流(ICR)是指当电压驱动离子通过纳米孔/通道进行传输时，正反向驱动电压下的离子电流大小不等，呈现出类二极管式的I-V曲线。它体现的是正反向驱动电压下的离子通量不同，其通常与离子和分子的选择性传输有关[52]。近年来，基于离子电流整流纳米孔/通道已被广泛用于构建仿生离子通道[53]、生物传感器[54]、离子泵[55]和渗透发电机[51,56]等。一般而言，ICR的实现需要纳米孔/通道尺寸与德拜半径相比在同一数量级或更小[57]，而盐离子浓度的升高会造成德拜半径的降低，因而ICR通常在低盐环境下产生，当电解质浓度高于0.1 mol/L时，由于双电层变薄纳米通道中的ICR现象会消失[32]。越来越多的研究显示，ICR的发生需要纳米孔/通道几何形状[58]、化学成分[59,60]、表面电荷分布[61,62]、通道壁润湿性[60,63]、电解质浓度梯度[27]和环境pH梯度[64,65]等纳米流体系统中某一对称性条件被打破。近年来一些独特的ICR现象丰富了人们对其的认识[34,66,67]，如微米毛细管也观察到ICR现象[66]、亚纳米通道ICR现象更加强烈[34]等。

目前，研究者们已提出了多种假设和理论模型来解释ICR现象，如尖端的选择通过性[32]、窄孔膜模型[48]、高-低电导模型[68]、棘轮模型[49]。Poisson-Nernst-Planck方程式[50]也被用来定量描述ICR现象。棘轮模型中，内壁带负电荷的锥形纳米孔/通道中由于孔内独特的电场分布，阳离子的电势在管口附近最小，其与距纳米孔/通道口的距离关系曲线呈棘轮状，由于溶液中外加电场的作用，阳离子有一个外加电场造成的电势。在正向偏置电压下，纳米孔/通道管口附近有一个“阳离子陷阱”，阳离子很难通过纳米孔/通道；而反向偏置电压下，由于没有“陷阱”阳离子更易通过，离子通量更大，因此监测到的离子电流更大。高-低电导模型中，由于纳米孔/通道内壁带有电荷，溶液中的带相反电荷的抗衡离子会聚集到纳米孔/通道壁形成双电层，锥形的纳米孔/通道结构会造成孔口的离子浓度大于孔内的离子浓度，因此纳米孔/通道内从孔口向内可以分成三个区域，高电导区、可转换区和低电导区。当对带负电荷的纳米孔/通道两侧施加反向电压时，阳离子向负极移动，阳离子同时也是抗衡离子，抗衡离子向孔内移动导致可转换区的离子浓度增大，纳米孔/通道的电导增强，此时离子电流较大。当施加正向电压时，阳离子向孔外移动导致可转换区的离子浓度减小，纳米孔/通道的电导降低，离子电流减小。因此纳米孔/通道会在正反向电压下表现出不同的离子电导现象。虽然很多机制都能解释ICR现象，但ICR确切机制仍存在争议，然而以下两点得到了大家共识，一是表面电荷可以确定ICR方向和强度，二是ICR发生需要纳米流体系统中的某一对称性条件被打破。

4.2 饱和

离子电流饱和是纳米孔/通道另一种有趣的离子传输现象，它指的是当电压增大到一定程度时，离子电流会出现饱和而不是随着电压的增大而继续增大。这种现象首先是在一个圆柱形纳米通道中通过数值模拟预测出来的[36]，该模拟中纳米孔/通道内壁被设置成两端带同样电荷而中间带相反电荷的状态。其后Ziwy等通过对双锥型纳米孔/通道进行不对称修饰，使纳米孔/通道内壁形成两端带相同电荷而中间带相反电荷的状态，首次在试验中观察到这种离子传输现象[29]。由于其I-V曲线两端具有平稳的饱和电流，因此被认为可以作为有两极的纳米流体晶体管。其后，在具有不均匀电荷分布的雪茄型纳米通道和双重纳米管中也观察到了这种离子传输现象[27,37]。目前研究表明，在数值模拟或实验测试中发生离子电流饱和有两个条件，一是结构与电荷分布需要沿纳米通道中心横截面呈面对称，二是通道内壁两端的电荷一致且与中间带电属性不同。有研究通过模拟计算显示，这种现象产生的原因可能是纳米通道内有离子消耗区域，高电压下消耗区的离子会被耗竭从而导致离子电流发生饱和[27,29,37]。

4.3 震荡

4.4 滞后

离子电流滞后是指对纳米孔/通道进行正反向电位扫描时，当扫描至反向电位，离子电流的方向不是随电位的反转立即反转，而是有一个相对的滞后，产生类似于磁滞回线的I-V曲线[34,42,43]。它是由纳米孔/通道的离子膜电容效应导致的，表明纳米孔/通道的离子电流不仅取决于施加的驱动电压还取决纳米孔/通道之前的状态。在选定的扫描速率和电位范围内，离子通过纳米孔/通道进行传输时，可以产生与纳米孔/通道正电容和负电容相对应的类似磁滞回线的I-V曲线。在不同的扫描速率下，在低电导率状态和高电导率状态之间会有一个恒定的交叉点电势，这个电势同时也将正常和负磁滞回线的I-V曲线分开[42]。分子动力学模拟显示，当受到周期性外部电场的作用时，离子溶液中的纳米孔/通道在各种频率和电场强度下均充当具有记忆力的电容器，这种记忆效应是由于离子的迁移速率有限，外加电场改变时，离子在带电荷的纳米孔/通道内重新分布时不能立刻达到平衡所致。

4.5 负差分电阻

负差分电阻(NDR)也是一种重要的现象，它不同于一般的电器设备-电流随驱动力的增加而增加，而是随着施加电压的增加电流减小。在锥形的纳米孔/通道内、外侧分别装入高、低电导率的电解质溶液，在纳米孔/通道的内侧施加恒定的压力，从正电压向负电压扫描并监测离子电流，就可以观察到离子负差分电阻现象[44-46]。离子NDR现象的解释是基于孔口附近的离子分布和电解质溶液流动相互作用的“正反馈机制”。当同时在纳米孔/通道上施加正压力和负电压时，压力会驱使孔内高浓度电解质溶液向孔外流动，而电渗流驱使孔外低浓度的电解质溶液进入纳米孔/通道。排除纳米孔表面电荷的影响，这两种流动将决定纳米孔内的阳离子和阴离子的分布，进而决定纳米孔的电导。施加的压力保持恒定，当施加的电压扫描到负值，随着负电势的增大，纳米孔内的溶液流动平衡将从低电压下的向外压力为主的流动转变为高电压下的内向电渗流为主的流动。流动方向的变化导致纳米孔口附近的阳离子和阴离子浓度降低，双电层厚度增加，电渗流增强，从而进一步降低孔口附近离子浓度。电渗流和孔口离子浓度之间的这种正反馈作用会导致“开关电位”处的电流突然下降，进而发生离子NDR现象。研究发现纳米孔的NDR对纳米孔开口附近的表面电荷极为敏感，表明这种现象或在电化学传感方面有潜在用途。

5 展望

合成纳米孔/通道的离子传输行为已在能量转化、生化分析和生物传感等方面得到了应用[51,54,56,69]，如在能量转化方面，利用纳米孔/通道的离子选择透过性可以实现盐浓差的发电；在生化分析方面，利用各种生物分子或微生物单细胞穿孔的离子电流分析其穿孔过程的动力学；在生物传感方面，生物信号或生物大分子可以与合成纳米孔/通道内壁的官能团作用，引起纳米孔/通道离子传输行为的改变，通过监测纳米孔离子电流可以实现生物信号或生物大分子的检测。当然纳米孔在离子电导扫描显微镜、逻辑电路和仿生纳米通道等方面也有着广泛的应用。目前已有一些综述文章[1-4]对这些应用进行了具体介绍。

合成纳米孔/通道已经展现了高超的离子传输能力和广阔的应用前景，因此研究新形态纳米孔/通道的制备方法、发现新的离子传输行为，对理解物质在纳米孔中的传输和拓展纳米孔/通道的应用具有重要意义。同时在纳米孔/通道的应用上，相关研究设备的微型化一直是一个挑战。虽然纳米孔/通道很小，但目前制备的各种形态纳米孔/通道膜及其它纳米孔/通道结构依然是宏观尺寸物体，而且纳米孔/通道离子传输行为的测试需要将纳米孔/通道与电解池组装成纳米流体装置，这更增加了纳米孔/通道研究设备微型化的难度。因此在今后的研究中，开发将纳米孔/通道直接生长或集成到到微电解池装置中的方法，对纳米孔设备的微型化、推动纳米孔设备在微观环境下的应用至关重要。