人工纳米孔道研究现状及应用前景

刘家豪

（温州大学 化学与材料工程学院，浙江 温州 325035）

具有超快离子渗透和高离子选择性的多孔膜是高效矿物分离、水净化和能量转换的理想材料，但利用合成膜高效分离化合价相同、大小相近的单原子离子仍然是一个巨大的挑战[1]。在这篇综述中，对纳米孔在离子传输、化学催化和生物物理表征方面的广泛应用进行了综述[2]。

1 纳米通道的概述

1.1 纳米孔道的研究进展

近半个世纪以来，有关纳米通道的研究已经成为来自于生命科学、生物化学以及物理工程等多个学科学者们研究的焦点。α-溶血素蛋白孔道被用于构建了第一个纳米通道，它是一个232.4 kDa的蘑菇状七聚跨膜孔，包括1个前庭（直径3.6 nm）与跨膜β-管（直径约2.6 nm，长度约 5 nm）[3]。DEAMER[4]等用电场驱动单链DNA以及RNA分子穿过α-溶血素蛋白孔，通过这些纳米孔道的离子电流变化来检测核酸。龙亿涛课题组利用具有前庭结构的小孔径α-溶血素纳米通道，构建了单分子行为检测系统，发展了具有门控效应的α-溶血素生物纳米通道，并探究神经退行性疾病致病纤维蛋白的空间结构和聚集状态变化，为神经退行性疾病的早期诊断和药物筛选提供了新方法[5-6]。MspA（耻垢分枝杆菌A）是一种八聚体通道孔，类似于一个漏斗，水溶性分子可运输通过细菌的细胞膜。由Neiderweis实验室发表的晶体结构显示，它包含1个宽1.2 nm、长0.6 nm的缢痕，使用MspA可以实现核苷酸分化的位点特异性突变检测[7-8]。细菌病毒phi29的DNA包含1个由12个蛋白质gp10复制组成复杂的通道，它们环绕形成1个十二聚体通道，作为双链DNA易位的路径[9]。连接器的长度约为7 nm，而截面积通道窄端为10 nm2（直径大约3.6 nm），宽端为28 nm2（直径6 nm）。其中固态纳米孔最常作为单分子生物传感器，最初是为超灵敏的DNA测序和其他无标签生物分子传感技术而开发的，它们记录几何上受限制的单分子，这些单分子在它们的内部体积内结合或迁移，以实现无标签的感知。在典型的固态纳米孔测量中，单个的分析物在施加电位的作用下进入纳米孔，这改变了通过纳米孔的离子流动，并反映在时间相关的电流记录中[10-11]。

1.2 纳米孔道的制备方法

为更好地理解生物纳米孔道的运行机制对生命体中生物学过程的影响，科学家们利用纳米技术、界面化学、分子生物学等方法模仿生物体系的结构和功能，发展了一类具有重要基础研究价值和应用前景的仿生固态纳米孔道。国际上广泛应用于制备固态纳米孔道的方法包括离子束雕刻、电子束收缩、控制介质击穿、激光拉制玻璃或石英管、电化学沉积、纳米印刷、热处理、化学刻蚀有机膜、硬模板和金属催化等[12-13]。聚焦电子束/离子束是制备约10 nm单孔膜的常用方法，可以通过控制束光斑的大小、停留时间和在膜上的位置从而在指定位置调节孔径和形状[14]。用激光辅助光热蚀刻或电介质击穿制备的纳米孔具有横向对称的结构，即沙漏形状或圆柱结构[15]。随着人们使用独立的石墨烯薄片进行纳米孔检测，一系列二维材料都报道出具有亚纳米厚的孔道，例如氮化硼、二硫化钼（MoS2）、二硫化钨（WS2）、碲化铋（Bi2Te3）和过渡金属碳化物（MXenes）。CVD生长法可扩展到整个晶片，如在SiN层之间利用沉积数微米厚的SiO2进行纳米孔器件的改进。干蚀刻工艺或硬模板是一种选择性蚀刻方法[16]。采用局部细化的过程，以保证腐蚀区域的机械稳固性。控制介质击穿法可制备多种固体纳米孔道，如二氧化硅、二氧化钛、纳米多孔氧化铝和二氧化铪[17]。这种方法通过介质击穿可以改变孔隙表面或控制孔隙直径。

尽管上述方法能制备出尺寸精确可控的仿生固态纳米孔道，但是目前技术条件下，想要制备10 nm甚至亚纳米级别的孔道成本太高，同时在使用过程中易导致孔道的几何形状发生变化，从而限制了固态纳米孔道在生物传感方面的应用。

2 人工纳米孔道的应用前景

在纳米限域空间中，会出现与宏观物质迥异的性质，例如量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应和量子隧道效应等[18]。对于纳米孔道来说，其界面的物理化学性质对液体的流动有很显著的影响，从而导致一系列特定的离子运输行为：纳米孔道可以选择特定类型的离子通过，这被称为离子选择性。纳米孔道还可以调节离子的输运方向，即离子优先从通道的一侧通过，这被称为离子整流。纳米孔道呈现离子门控特性，在外部环境刺激下通道会打开和关闭。由于纳米孔道的独特的离子特性，从而在生物传感、能量转换、纳米流体和分子过滤等多个领域具有广阔的应用前景[19]。

2.1 仿生纳米孔道的应用前景

仿生固态纳米孔道在模拟生物系统中纳流体的传输及开发高效的生物和化学传感器方面有巨大的潜力。这种潜力是基于其科学家们利用各种表面功能化策略去修饰纳米孔道壁，从而将各种响应性单元集成到纳米孔道中产生不同的门控机制。这种门控机制受体积效应、电荷分布或者特定的识别基团控制。孔道内常用的表面功能化策略有物理沉积、化学聚合、吸滤、离子溅射等[20]。不同的功能化方法可以单独或结合使用去扩大纳米孔道应用的范围，可以实现生物分子和离子的高灵敏度高特异性检测。然而，通过纳米孔的快速运输往往阻止了单个酶内部的多次交换。这一限制最近得到了解决。在一个例子中，引入了蛋白质阻碍剂来固定纳米孔内的生物素化肽，从而可以测量多个构象转变通路[21]。

2.2 纳米孔道与MOF的结合应用

金属有机框架（MOFs）是指金属离子与有机配体通过自组装形成的具有周期性网络结构的晶体多孔材料[22]。与传统的多孔材料（如沸石和碳）相比，MOFs具有一些传统多孔材料所不具有的独特性能。因此，MOFs是封装许多不同功能元素的理想平台。MOFs的内孔表面可以直接或通过组装后修饰进行精确的功能化或修饰。通过将无机SBUs中的金属离子替换为其他金属离子或将有机连接剂功能化可以合成出等结构的MOFs。通过这种方法，可以制备结构相同但功能不同的MOFs，并用于研究孔隙中的化学环境如何影响被封装的客体物种的性能。MOFs的这一特性使它们成为在其大腔内容纳功能元素的理想宿主，同时防止内化的功能元素浸出或聚集。同时由于其结晶性，MOFs由均匀的腔体组成，分布在其三维结构中，具有长程顺序。因此，使用MOFs作为宿主可以使整个MOF晶格中的离散客体分子有序排列，从而促进了通过晶体学方法研究宿主MOFs和被捕获客体之间的相互作用。MOF材料可以通过修改连接器和金属节点或封装网元来实现功能化。将多个功能位点集成到一个系统中，可以让它们协同工作，这在其他材料中很难实现。但MOFs的实际应用受到其低稳定性的阻碍，大多数MOF在高温下会发生分解。此外，外源分子可以插入到金属连接键中，从而破坏了框架，降低了MOFs的化学稳定性。如果它们想要找到工业应用，开发稳定的MOF材料是至关重要的。目前有3种主要方法来增强MOFs的稳定性。第一种是利用高酸性金属或高碱性连接剂直接合成稳定的MOFs，从而形成强金属-连接剂键。第二种是功能化有机连接剂，以保护金属连接键免受与外源分子的相互作用。第三种方法是给MOF涂上保护层。这些方法在一定程度上提高了纯MOFs的热稳定性和化学稳定性。然而，提高MOFs封装网元稳定性的进一步工作仍有待进行。迄今为止报道的大多数MOFs都属于微孔范围（孔径＜2 nm）。这种小孔径阻碍了化学物质的扩散，限制了它们与MOFs中活性位点的相互作用。如前所述，增加有机连接体的长度和使用大体积有机支架是合成中观MOFs的有用工具。然而，这种连接剂的合成是复杂的，所获得的MOFs几乎不可避免地存在互穿、崩解和不稳定性的问题。这些困难使这种功能化方法无法被广泛用于中观MOFs的形成。近年来，模版法、蚀刻法、无模版法和缺陷诱导法已被开发用于在大体积MOF晶体中创建分层结构。然而，控制MOFs孔隙结构的大小、形状、空间分布和长程顺序仍是一个巨大的挑战。

3 结 论

设计具有定制结构的纳米孔腔，然后捕获在纳米孔内的反应物分子可以被催化形成一种进一步释放并通过纳米孔转运的产物，这将为定制化化学品的生产提供一种自下而上的方法。纳米孔将为单分子催化的精确控制提供良好的环境。利用在分子尺度上设计的纳米孔，可以将催化位点应用到DNA测序和表观遗传修饰分析之外，现在被用于生物液体和其他生物标本中的分子生物标志物（蛋白质、代谢物和核酸）的检测。鉴于纳米孔应用的快速增长，纳米孔技术很可能成为单分子体外诊断的重要技术[23]。