纳米通道材料体系及纳米孔传感器的研究进展

张晓君 奇国栋 杨淼森 翁婷 梁丽媛 王德强

1（东北电力大学化学工程学院，吉林132012）

2（中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆 400714）

3（中国科学院大学重庆学院，重庆 400714）

纳米通道电学检测技术是一类利用孔道直径在纳米尺度的材料进行电化学检测的单分子传感技术。自从第一个生物纳米孔传感器α-溶血素问世以来，在过去的几十年内，纳米孔传感器引起了越来越多的关注，不论是制备纳米孔的载体材料还是器件的传感原理都有了很多突破。基于纳米通道的单分子分析平台因具有独特的纳米结构和灵敏的电学响应性而被广泛应用于材料、能源、生物医学、生态和安防等领域[1-4]。

目前，随着对纳米孔传感器检测原理探究的深入以及新型薄膜材料的拓展，纳米孔道传感器除了传统的生物纳米孔与固态纳米孔器件，还衍生出了结合多种材料体系优势的杂化纳米孔体系，已有相关文献分别对这几类纳米孔传感器及应用进行了综述介绍[5-8]。本文基于不同的纳米孔制备材料体系，分别对这三类纳米孔的最新研究进展及应用进行介绍，并对其未来的发展前景进行了展望。

1 生物纳米孔

生物纳米孔是由天然蛋白质单体自组装形成的寡聚体通道，是最早用于生物分子选择性易位的纳米孔，具有高度可重现的孔结构和稳定的孔内环境等显著优势[9-10]。目前应用较多的生物跨膜通道蛋白有金黄色葡萄球菌α-溶血素（α-HL）、耻垢分枝杆菌毒素蛋白A（MspA）、气单胞菌溶素（Ael）、细胞溶血素A（ClyA）和噬菌体Phi29（Phi29）等[11]。

1.1 α-HL

α-HL 是由金黄色葡萄球菌分泌的一种多肽毒素[12]，可组装成蘑菇状七聚体插入到磷脂双分子层中形成跨膜通道（图1A）。α-HL 纳米孔由帽状结构域和β-桶状结构域（5 nm）两部分组成，由直径为1.4 nm的内缩颈分开，是第一个被用于生物单分子检测的纳米孔[13]。最近，Liu 等[14]将α-HL 纳米孔与质谱（MS）和分子动力学（MD）模拟等技术结合，研究了阳离子肽LL-37 的两个片段（D180 与G550）的寡聚状态。根据D180 与G550 在α-HL 纳米孔中的孔堵塞频率，作者发现D180 表现出形成二聚体的趋势，而G550 表现出形成高阶低聚物的趋势，并结合MS 和MD 两项技术对该现象进行了验证。该研究将多种技术相结合，有望在单分子水平上揭示寡聚体动力学和其它肽的微弱分子间相互作用。

图1 生物纳米孔结构示意图[12]：（A）α-溶血素（α-HL）；（B）耻垢分枝杆菌毒素蛋白A（MspA）；（C）气单胞菌溶素（Ael）；（D）细胞溶血素A（ClyA）；（E）噬菌体Phi29（Phi 29）Fig.1 Schematic diagram of biological nanopore structure[12]: (A) α-Hemolysin(α-HL);(B) Mycobacterium smegmatisporin A (MspA);(C) Aerolysin (Ael);(D) Cytolysin A (ClyA);(E) Bacteriophage Phi29 (Phi29)

1.2 MspA

MspA 是来源于耻垢分枝杆菌的毒素蛋白[15]，具有短而窄（～1.2 nm 宽、～0.6 nm 长）的纳米通道，形状像烟囱（图1B）。MspA 纳米孔具有很强的热稳定性和化学稳定性，与α-HL 纳米孔相比，MspA 纳米孔可对具有一定离子电流阻滞信号差异的4 个单碱基的均聚物进行分辨[16]，也易于对多位点进行突变修饰，是一种具有良好发展前景的生物纳米孔材料。南京大学Huang 研究组[17]通过MspA 纳米孔区分了钙调素蛋白的3 种构象（有无钙离子和与目标肽结合）变化，这是首次利用MspA 纳米孔对蛋白质构象变化进行无标记检测。最近，该研究组采用机器学习辅助的MspA 电渗透势阱实现了对不同电荷蛋白质的高分辨识别[18]。

1.3 Ael

Ael 是从嗜水气单胞菌中提取的β成孔蛋白，具有直径1.0～1.7 nm 的纳米通道，形状类似α-HL，但在cis 端没有前庭结构（图1C）。Long 研究组[19-23]通过突变Ael 纳米孔内特定的氨基酸成功实现了对不同长度的寡核苷酸（2～20 碱基长）的检测。Li 等[24]通过化学衍生化反应将芳香族标签引入聚糖中，在Ael纳米孔中首次实现了对不同的聚糖异构体、不同长度（单糖基数量为2～5）的聚糖以及支链聚糖的鉴定，促进了纳米孔聚糖分析技术的发展。

1.4 ClyA

ClyA 是一种由多种细菌合成的毒素[25]，通过自发组装形成长度为13 nm 的圆柱形ClyA 纳米孔（图1D）。ClyA 纳米孔是一种新型生物纳米孔，相对于其它生物纳米孔，具有较高的信噪比（SNR），可用于检测中小分子量蛋白质[26]。Zhang 等[27]设计了一种模块化纳米孔传感器，将4 种纳米抗体（Ty1、2Rs15d、2Rb17c 和nb22）设计成可替换模块，通过5～6 nm 的DNA 双链固定在ClyA 上，分别特异性识别高分子量蛋白SARS-CoV-2 刺突蛋白、中等分子量蛋白HER2 受体和低分子量蛋白鼠尿激酶型纤溶酶原激活酶（muPA）。

1.5 Phi29

Phi29 连接器是一种连接病毒头部和尾部的蛋白质，主要由12 个亚基组成[28]。这些亚基组装形成具有锥形结构（最窄的收缩孔直径为3.6 nm，宽端直径为6.0 nm）的纳米孔（图1E），适用于检测分析物[29]。最近，Zhang 等[30]利用Phi29 纳米孔在临床抽取液的样本中成功检测出乳腺癌生物标志物（GAL3 结合蛋白）（p＜0.05）。

2 固态纳米孔

与蛋白或多肽自组装跨膜离子通道相比，固态纳米通道是通过电子束、离子束、激光辅助、电介质击穿或化学刻蚀等[1,31]方法在无机/有机薄膜上加工而成。固态纳米孔因具有尺寸可调性、物化及机械稳定性、易修饰及易与其它技术集成等特点而受到研究者的关注，尤其是在生物单分子检测领域[32-34]。研究不同载体材料的固态纳米孔结构设计与检测原理具有重要意义。固态纳米孔按载体材料的不同可分为硅基纳米孔、碳材料纳米孔、聚合物孔、单原子层二维材料孔、金属-有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）纳米孔以及等离基元纳米孔等。

2.1 硅基纳米孔

硅基纳米孔中最常见的载体材料是氮化硅（SiNx）和石英玻璃。2003 年，研究者首次使用电子束和离子束在SiNx薄膜上制备了SiNx纳米孔[35-36]。SiNx纳米孔具有热稳定性好、机械强度高和孔径可控等特点，但孔的加工过程重现性低，材料内源性噪声及与生物分子的非特异性吸附等问题也是其实现测序应用的重要限制因素。因此，如何降低材料及检测体系的噪声，并开发新的加工策略以制备稳定且坚固的SiNx纳米孔仍是一个挑战。基于二氧化硅的玻璃纳米孔也是目前常见的硅基纳米孔。Tang 等[37]设计了一种环介导等温放大（LAMP）耦合玻璃纳米孔计数策略，特异性检测了恶性疟原虫（Pf）与间日疟原虫（Pv），实现了定性分析以及Pf 基因组DNA 的定量分析。这种高灵敏度高特异性的传感策略为实现简单、快速和低成本的固态纳米孔单分子检测的固态纳米孔传感器的开发提供了一条新的途径。

2.2 单原子层二维材料

单原子层二维材料显著提高了纳米孔的空间分辨率，目前报道的制备固态纳米孔的二维材料包括石墨烯、氮化硼（BN）、二硫化钼（MoS2）、二硫化钨（WS2）和黑磷等。石墨烯具有超薄的结构与较好的机械稳定性，基于石墨烯的纳米孔在单分子测序领域中具有很大的应用潜力。但是，石墨烯纳米孔的1/f 噪声非常高，检测DNA 分子易位的信噪比较低，虽然与碱基间距相当的单层石墨烯在理论上有望实现核酸测序，但实际应用中的材料内源噪声及亚纳米孔加工的精度及重现性仍然是石墨烯纳米孔测序应用的瓶颈问题[38]。将氮化硼（BN）作为纳米通道材料的研究较少，主要因为氮化硼纳米结构生长条件非常苛刻，所得材料厚度低于20 nm，对生物单分子的鉴别及选择性较差。但是，与单元素石墨烯相比，双元素氮化硼作为微纳结构载体材料时具有更丰富的物化性质[39]，有望在下一代生物传感器中得到应用。目前，二硫化钼（MoS2）是一种研究较多的半导体过渡金属二卤化物（TMD），单原子层MoS2的厚度约为0.7 nm，具有优异的化学和机械稳定性[40]。Wang 等[41]利用MoS2纳米孔成功地对16 种天然氨基酸进行直接识别，分辨率低至1 Da，同时该纳米孔也适用于单个氨基酸的磷酸化修饰鉴别，为未来利用纳米孔传感器对单个蛋白质分子进行直接测序提供了可能（图2A）。二硫化钨（WS2）属于TMD 的一类，也具备优异的化学稳定性与机械加工强度。Danda 等[42]在悬空硅基芯片上的单层WS2膜上制备了纳米孔，探究了WS2纳米孔的离子传导特性和15 kbp 双链DNA 的易位情况，开发了一种用于生物分子分析的光学响应WS2纳米孔传感器（图2B），为利用其它TMD 材料制造纳米孔并进行单分子分析提供了参考。

图2 （A）二硫化钼（MoS2）纳米孔检测氨基酸装置示意图[41]；（B）用于DNA 分析的光学响应二硫化钨（WS2）纳米孔[42]Fig.2 (A)Schematic diagram of the molybdenum disulfide(MoS2)nanopore detection device for amino acids[41];(B) Optically responsive tungsten disulfide (WS2) nanopores for DNA analysis[42]

2.3 聚合物纳米孔

聚合物纳米通道具有良好的生物兼容性，并且聚合物纳米通道内分布的多官能团是潜在的修饰位点，有利于实现孔内特异性功能化。比较有代表性的聚合物纳米孔材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚碳酸酯（PC）和聚酰亚胺（PI）等。聚合物纳米孔的制备及修饰步骤主要包括径迹刻蚀、化学刻蚀和功能化修饰。首先，径迹刻蚀通过高能重离子辐照穿透聚合物膜产生潜在径迹；然后，利用化学刻蚀该区域从而得到不同形状、不同孔径大小的纳米孔，目前制备的聚合物纳米孔最小可达2.4～9.7 Å[43]；最后，通过共价修饰在纳米孔内引入特异性功能基团或小分子。Peinetti 等[44]将DNA 适配体修饰到PET膜上，利用该传感器对腺病毒和新冠病毒进行了选择性检测和传染性区分，使得这类传感器可以快速、直接和选择性地对当前或新出现的病毒进行检测和区分（图3）。

图3 形成适配体功能化的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纳米孔和对腺病毒选择性测定方案[44]Fig.3 Schematic diagram for formation of aptamer-functionalized polyethylene terephthalate (PET) nanopores and selective determination of adenovirus[44]

2.4 碳材料纳米孔

碳材料类别十分丰富，主要分为零维（富勒烯）、一维（碳纳米管）、二维（石墨烯、碳膜、金刚石）以及三维（石墨烯泡沫）碳材料等[45]。近二十年来，有关碳材料的研究发展迅速，利用碳基薄膜材料制备纳米通道进行单分子传感分析也是研究热点之一。

在各种碳材料中，碳纳米管（CNTs）的发展和应用比较成熟。按照生长的管壁数量，CNTs 可分为单壁（SWCNTs）、双壁和多壁（MWCNTs）碳纳米管；按导电性，CNTs 可分为金属型和半导体型管碳纳米管[46]。每根碳管都有独立的手性，如将碳管作为离子通道，内径约1 nm 的单壁半导体单手性管是首选。Liu 等[47]通过将超短SWCNTs 插入脂质双层构建纳米通道，并将其用于研究离子传输和DNA 易位（图4A），实现了选择性检测单链DNA 中修饰的5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）。碳纳米管具有超长时间分辨率，有利于区分不同碱基序列。相比SWCNTs，MWCNTs 性质更复杂，到目前为止尚未用于DNA 分析。Henriquez 等[48]开发了一种在MWCNTs 上制备直径范围为50～160 nm 单通道的方法，为MWCNTs 用于单分子检测提供了新策略。

图4 （A）显微注射探针装置示意图（上）和单链DNA 通过单壁碳纳米管（SWCNTs）纳米孔时的典型电流信号图（下）[47]；（B）扫描透射电子显微镜电子束（STEM EB）和介质击穿（DB）两种方法在商用的碳薄膜上制备纳米孔示意图[50]Fig.4 (A) Schematic diagram of the microinjection probe device (top) and typical current signals of singlestranded DNA as it passes through the single walled carbon nanotubes (SWCNTs) nanopore (bottom)[47];(B) Preparation of nanopores on commercially available carbon films by two methods,scanning transmission electron microscope electron beam (STEM EB) and dielectric breakdown (DB)[50]

碳膜纳米孔是在碳材料所成的膜上制备具有纳米尺寸的孔道结构，其制备过程主要分为碳膜生长、膜转移及膜上纳米结构制备等。本研究组与北京大学合作，在纳米晶石墨膜上制备小尺寸纳米通道，成功用于λ-DNA 的穿孔行为研究[49]。Takai 等[50]采用扫描透射电子显微镜电子束（STEM EB）和介质击穿（DB）两种方法在6 nm 或10 nm 厚的非晶碳薄膜涂层组成的微网格上制备纳米孔（图4B）。在STEM EB方法中，孔径可以被精确控制，每个孔的制备时间在90 min 内。但是，在DB 方法中，由于碳膜具有导电性，虽然制备纳米孔的程序和设备更简单，但制备时间比STEM EB 方法长，并且成孔时电流迅速增加，导致无法对孔径精确控制。

2.5 MOFs和COFs纳米孔

MOFs 由金属团簇和有机配体构成，具有几乎等同于沸石的晶体结构，并且其结构多样，具有优越的可设计性以及物理和化学性质。因此，基于多孔MOFs 材料的传感检测研究不断增加，基于多孔MOFs和COFs 材料的传感检测都是基于分子骨架设计和共价链接分子的长度调节MOFs 和COFs 材料孔道尺寸。Yamamoto 等[51]研究了MOFs 纳米孔中的主客体电荷转移事件。通过将合成后的供体分子插入带有电子接受基团的柔性MOFs 中，成功获得了两个MOFs 客体电荷转移络合物。虽然供体物种和受体物种之间的氧化还原电位差很大，但在该MOFs 纳米孔中可以协同实现均匀分布和限制，这种协同效应称为“MOFs 诱导的电荷转移”。Zhang 等[52]利用电泳方法成功制备了由SiNx衬底支撑的MOFs 纳米孔。MOFs 纳米孔的直径范围在0.88～1.24 nm 之间，具有良好的稳定性和重现性。该研究探究了不同表面电荷、疏水性和孔径的MOFs 纳米孔的离子传输特性，进一步证实了协同机制。MOFs 纳米孔为发现新的离子传输机制提供了一个新的平台，也拓展了新型固态纳米孔的应用范围。

COFs 是一种由有机建筑单元构成的新型多孔晶体材料，其显著特点是具有可调、可设计和可功能化的纳米空间。因此，利用COFs 内的纳米空间为制备纳米孔传感器提供了可能性。Yuan 等[53]首次报道了COFs 纳米孔用于氨基酸选择性识别的研究（图5A）。首先通过C3对称三乙醛和含有或不含有二乙烯基的二胺混合物的亚胺缩合，得到两种乙烯基官能化COFs。这两种多变量COFs 都提供了由层状六角形网络的AA 或AB 堆叠形成的一维直纳米孔。将COFs 进行β-环糊精（β-CD）修饰，制备成能够选择性运输氨基酸的独立混合基质膜（MMM）。作者通过监测跨膜离子电流的特征和渗透基质的浓度变化，揭示了不同COFs 结构的手性识别能力。COFs 的有机骨架与生物分子之间具有很高的亲和力，大大减缓了DNA 通过COFs 纳米孔的速度。Xing 等[54]将2 个孔径分别为1.1 nm（COFs-1.1）和1.3 nm（COFs-1.3）的超薄COFs 纳米片剥离，利用电泳使其紧密覆盖在孔径为（20±5）nm 的石英纳米移液管上，形成COFs纳米孔（图5B）。在此纳米孔中发现了与二维材料相比最慢的DNA 传输速度（270 μs/base）。在此纳米孔基础上进行短至6 个碱基的DNA 均聚物的易位检测，通过易位时间对不同长度的DNA 均聚物进行了识别[55]。该研究为基于COFs 纳米孔的DNA 测序提供了新的方向。

图5 （A）共价有机框架（COFs）纳米孔用于氨基酸对映选择性运输示意图[53]；（B）基于COFs 的原子可控纳米孔的DNA 分析示意图[54]Fig.5 (A) Diagram of covalent organic frameworks (COFs) nanopore for enantioselective transport of amino acids[53];(B) Schematic diagram of COFs-based atomically controllable nanopore analysis of DNA[54]

2.6 等离基元纳米孔

等离基元纳米孔是一种在固态纳米通道中引入能产生等离子体共振效应的金属结构而获得的功能性纳米通道。通常，等离基元纳米孔的制备主要分为纳米孔通道的制备、金属结构的设计与蒸镀或沉积等步骤。目前的等离基元纳米结构主要包括蝴蝶结天线、等离子体靶心纳米结构、等离子体纳米阱和等离子体纳米腔。

Jonsson 等[56]将金蝴蝶结纳米天线与固态纳米孔相结合，在等离子体系统内制造了纳米孔（图6A）。该研究组还将等离子体系统与表面增强拉曼光谱（SERS）测量相结合，对DNA 测序的可行性进行了理论研究[57]。最近，该研究组将等离子纳米天线与固态纳米孔相结合，实现了对10 kbp 双链DNA 分子的无标记光学传感[58]。此外，该研究组还制造了倒蝴蝶结等离子体纳米孔，在透射光强度下利用此结构对λ-DNA 的易位进行了光学检测[59]。所制造的等离子体纳米孔传感器与传统的单分子传感器相比，在时间分辨率、易位时间、灵敏度和检测带宽等方面均显著改进，并且可在并行阵列中进行大规模制造，为高通量光学单分子传感提供了方向和策略。

图6 （A）金蝴蝶结纳米天线等离子体纳米孔制造示意图[56]；（B）在Au 涂层的SiNx 膜上制备等离子体靶心结构装置图[60]；（C）等离子体纳米阱纳米孔（PNW-NP）器件装置图[62]；（D）等离子体纳米腔集成的SiNx 纳米孔装置及测试图[63]Fig.6 (A) Schematic diagram of the fabrication of a plasma nanopore for a gold bowtie nanoantenna[56];(B) Diagram of a plasma bullseye structure prepared on an Au-coated SiNx film[60];(C) Plasmaonic nanowellnanopore (PNW-NP) device diagram[62];(D) Plasma nano-cavity integrated SiNx nanopore device and test diagram[63]

纳米孔中的温度控制对于进一步了解生物分子非常重要，可以扩大其检测范围。Crick 等[60]开发了一种具有等离子体靶心结构的固态纳米孔器件。该器件是采用FIB 将等离子体靶心结构研磨在Au 涂层的SiNx膜上制得（图6B），使用632.8 nm 单色光源对纳米孔进行精确加热，并考察了纳米孔加热的效率、准确性和实用性。该研究组[61]使用新的制造步骤在基于耐热玻璃衬底的氮化硅（Py-SiNx）纳米孔上形成等离子体靶心结构。该平台能够以非常低的电噪声提供精确加热，可作为检测和研究单个DNA 分子易位的传感器。

Assad 等[62]将纳米孔嵌入采用金制成的等离子体纳米阱中，构建了用于荧光增强单分子检测的等离子体纳米阱纳米孔（PNW-NP）器件（图6C），这是电学与光学组合测量结合的首个研究报道。该研究将等离子体结构与单分子纳米孔传感器耦合，探究了PNW-NP 器件的抑制荧光背景、增强荧光信号以及同步光信号和电信号的能力，为基于纳米孔的传感开辟了新的领域。

通过纳米孔径操纵流体传输对于许多纳流体应用如传感和分离系统非常重要。Li 等[63]将等离子体纳米腔与SiNx集成，制造了一种通过调整整体照明功率来调节电阻的等离子体纳米孔器件（图6D）。在激光照明下，该器件可以可逆地导致孔电阻大幅增加（≥500%），同时产生整流离子电流-电压特性。此外，该器件在高电阻状态下可作为可逆离子整流器运行，无需对纳米孔表面进行化学修饰或改变缓冲液特性。该研究组还考察了激光激发和改变偏压对等离子体纳米空腔孔的非对称噪声的影响[64]。

3 杂化纳米孔

与传统的单一材料所制备的纳米孔不同，杂化纳米孔是由两种或多种不同材料组合构建的纳米通道。通过使用不同材料的组合，杂化纳米孔可以融合每种材料的优势，并扩展其应用领域。

在结构固定的固态纳米孔中嵌入内表环境均一的生物纳米孔进而形成杂化纳米通道，可以提高纳米孔的生物相容性、选择性和信噪比，实现更精确的单分子结构分析。Hall 等[65]通过电泳易位将α-HL 蛋白插入到SiNx纳米孔中，成功形成了第一个功能性杂化纳米孔，并利用此纳米孔进行了单链DNA 检测。Cressiot 等[66]通过电泳易位将耐热病毒G20c 的亲水性门户蛋白插入到SiNx纳米孔中，构建了一种新型无脂杂化纳米孔（图7A），并通过此杂化纳米孔成功地对双链DNA、发夹结构的DNA、TPX3 肽和折叠球状胰岛素蛋白进行了检测。Senl 等[67]将工程外膜蛋白G（eOmpG）插入双层二硫化钼（BL-MoS2）中形成杂化纳米孔（图7B），并对dA30 进行了检测，与BL-MoS2固态纳米孔相比，该纳米孔噪声降低了31.7%，电流偏差降低了8%，SNR 提高了1.9 倍。这种新型杂化纳米孔为实现低噪声和高灵敏的单分子检测提供了新策略。最近，Wang 等[68]利用细菌视紫红质（bR）蛋白与SiNx纳米孔构建了一种生物纳米流体装置，通过生物自供电稳态离子电流纳米孔传感策略（在0 V 外加电压下），实现了bR 质子泵送活性及其光响应的纳米流体单分子探测（图7C），促进了生物传感和能量转换应用中杂化纳米孔流体装置的发展。

图7 （A）G20c 蛋白插入SiNx 纳米孔形成杂化纳米孔示意图[66]；（B）工程外膜蛋白G（eOmpG）插入BL-MoS2 中形成杂化纳米孔示意图[67]；（C）细菌视紫红质（bR）蛋白插入SiNx 纳米孔形成杂化纳米孔示意图[68]Fig.7 (A) Schematic representation of G20c protein inserted into SiNx nanopore to form hybrid nanopore[66];(B) Schematic representation of engineered outer membrane protein G (eOmpG) inserted into BL-MoS2 to form hybrid nanopore[67];(C) Schematic representation of bacterial retinoblast (bR) protein inserted into SiNx nanopore to form hybrid nanopore[68]

近年来，随着DNA 折纸纳米技术的快速发展，可以精确地人工合成稳定的纳米通道结构，这种结构可以通过牵引的方式嵌入到固态纳米孔中形成DNA 折纸纳米孔。目前，报道较多的用于杂化纳米孔构筑的DNA 折纸结构有漏斗形和纳米板形。Bell 等[69]合成了顶部面积为27.5 nm×27.5 nm、底部面积为7.5 nm×7.5 nm 的漏斗形折纸结构，通过施加正向电压将其插入到SiNx纳米孔中形成DNA 折纸纳米孔（图8A），并对λ-DNA 进行了检测，为DNA 折纸杂化纳米孔用作电阻脉冲传感器开辟了道路。Zhu 等[70]设计合成了尺寸约为60 nm×54 nm、中心具有15 nm×14 nm 矩形孔的DNA 纳米板，并将其铺在SiNx纳米孔上方形成DNA 折纸纳米孔（图8B），推测了纳米板在纳米孔中的迁移有平面、正交和随机3 种取向，为使用固态纳米孔研究DNA 折纸的机械刚性和纳米结构的易位动力学提供了可能。Xing 等[71]开发了一种不同于传统设计DNA 折纸纳米孔的方法，将DNA 双链体组装成模块化单元，并将这些单元连接成可调整的形状，然后利用孔腔的大尺寸和孔壁受体的精确修饰，可以直接对蛋白质进行检测。

图8 （A）漏斗形DNA 折纸纳米孔形成示意图[69]；（B）DNA 纳米板与SiNx 纳米孔相互作用示意图[70]Fig.8 (A) Diagram of funnel-shaped DNA origami nanopore formation[69];(B) Schematic representation of the interaction of DNA nanoplate with SiNx nanopore[70]

最近，Yan 等[72]通过分子设计和有机合成工艺共价合成了一种新型纳米孔结构。该研究构建了一种基于喹啉衍生螺旋的新型仿生人工质子通道，其管腔直径为1 Å，只允许质子跨膜渗透，有效地过滤了阳离子、阴离子和水分子。将这种有机螺旋纳米通道与其它纳米结构器件融合，有望在一些手性分子的鉴别过程中发挥重要作用。

4 总结和展望

本文针对纳米通道制备的材料体系，介绍了典型的生物纳米孔、固态纳米孔及杂化纳米通道的应用研究进展。生物纳米孔具有结构高度可重现性、通道内表环境均一、噪声低以及生物相容性好等显著优势，但孔的单一化尺寸及支撑生物孔的磷脂双层的稳定性仍制约着生物纳米孔的规模化应用。相较而言，固态孔的机械及物化稳定性、尺寸可调及易修饰和兼容集成等优点大大拓展了纳米孔器件的应用范围。其中，探索制造不同形状结构的等离基元纳米结构，将大大扩展基于纳米孔传感在光电联合检测中的应用。相对于以上两种常见类型的纳米孔，将两种或多种材料的优势相结合构建的杂化纳米通道能提供性能更优越的单分子分析器件平台，但不同体系的兼容及漏电流等问题也是复合体系无法规避的问题。因此，未来的研究将在纳米通道新材料开发、复合体系的集成策略及传感原理创新方面寻求更多的突破，以推动纳米通道单分子分析走向实际应用。

总之，随着类型各异的纳米孔传感器检测原理的不断创新及材料体系的推陈出新，纳米孔传感器已经成为一个重要的分析工具。未来的发展应更加多样化和综合化，为科学研究和技术创新提供更多的可能性。