人工納米孔道研究現狀及應用前景

劉家豪

（溫州大學 化學與材料工程學院，浙江 溫州 325035）

具有超快離子滲透和高離子選擇性的多孔膜是高效礦物分離、水凈化和能量轉換的理想材料，但利用合成膜高效分離化合價相同、大小相近的單原子離子仍然是一個巨大的挑戰[1]。在這篇綜述中，對納米孔在離子傳輸、化學催化和生物物理表征方面的廣泛應用進行了綜述[2]。

1 納米通道的概述

1.1 納米孔道的研究進展

近半個世紀以來，有關納米通道的研究已經成為來自于生命科學、生物化學以及物理工程等多個學科學者們研究的焦點。α-溶血素蛋白孔道被用于構建了第一個納米通道，它是一個232.4 kDa的蘑菇狀七聚跨膜孔，包括1個前庭（直徑3.6 nm）與跨膜β-管（直徑約2.6 nm，長度約 5 nm）[3]。DEAMER[4]等用電場驅動單鏈DNA以及RNA分子穿過α-溶血素蛋白孔，通過這些納米孔道的離子電流變化來檢測核酸。龍億濤課題組利用具有前庭結構的小孔徑α-溶血素納米通道，構建了單分子行為檢測系統，發展了具有門控效應的α-溶血素生物納米通道，并探究神經退行性疾病致病纖維蛋白的空間結構和聚集狀態變化，為神經退行性疾病的早期診斷和藥物篩選提供了新方法[5-6]。MspA（恥垢分枝桿菌A）是一種八聚體通道孔，類似于一個漏斗，水溶性分子可運輸通過細菌的細胞膜。由Neiderweis實驗室發表的晶體結構顯示，它包含1個寬1.2 nm、長0.6 nm的縊痕，使用MspA可以實現核苷酸分化的位點特異性突變檢測[7-8]。細菌病毒phi29的DNA包含1個由12個蛋白質gp10復制組成復雜的通道，它們環繞形成1個十二聚體通道，作為雙鏈DNA易位的路徑[9]。連接器的長度約為7 nm，而截面積通道窄端為10 nm2（直徑大約3.6 nm），寬端為28 nm2（直徑6 nm）。其中固態納米孔最常作為單分子生物傳感器，最初是為超靈敏的DNA測序和其他無標簽生物分子傳感技術而開發的，它們記錄幾何上受限制的單分子，這些單分子在它們的內部體積內結合或遷移，以實現無標簽的感知。在典型的固態納米孔測量中，單個的分析物在施加電位的作用下進入納米孔，這改變了通過納米孔的離子流動，并反映在時間相關的電流記錄中[10-11]。

1.2 納米孔道的制備方法

為更好地理解生物納米孔道的運行機制對生命體中生物學過程的影響，科學家們利用納米技術、界面化學、分子生物學等方法模仿生物體系的結構和功能，發展了一類具有重要基礎研究價值和應用前景的仿生固態納米孔道。國際上廣泛應用于制備固態納米孔道的方法包括離子束雕刻、電子束收縮、控制介質擊穿、激光拉制玻璃或石英管、電化學沉積、納米印刷、熱處理、化學刻蝕有機膜、硬模板和金屬催化等[12-13]。聚焦電子束/離子束是制備約10 nm單孔膜的常用方法，可以通過控制束光斑的大小、停留時間和在膜上的位置從而在指定位置調節孔徑和形狀[14]。用激光輔助光熱蝕刻或電介質擊穿制備的納米孔具有橫向對稱的結構，即沙漏形狀或圓柱結構[15]。隨著人們使用獨立的石墨烯薄片進行納米孔檢測，一系列二維材料都報道出具有亞納米厚的孔道，例如氮化硼、二硫化鉬（MoS2）、二硫化鎢（WS2）、碲化鉍（Bi2Te3）和過渡金屬碳化物（MXenes）。CVD生長法可擴展到整個晶片，如在SiN層之間利用沉積數微米厚的SiO2進行納米孔器件的改進。干蝕刻工藝或硬模板是一種選擇性蝕刻方法[16]。采用局部細化的過程，以保證腐蝕區域的機械穩固性。控制介質擊穿法可制備多種固體納米孔道，如二氧化硅、二氧化鈦、納米多孔氧化鋁和二氧化鉿[17]。這種方法通過介質擊穿可以改變孔隙表面或控制孔隙直徑。

盡管上述方法能制備出尺寸精確可控的仿生固態納米孔道，但是目前技術條件下，想要制備10 nm甚至亞納米級別的孔道成本太高，同時在使用過程中易導致孔道的幾何形狀發生變化，從而限制了固態納米孔道在生物傳感方面的應用。

2 人工納米孔道的應用前景

在納米限域空間中，會出現與宏觀物質迥異的性質，例如量子尺寸效應、表面效應、小尺寸效應和量子隧道效應等[18]。對于納米孔道來說，其界面的物理化學性質對液體的流動有很顯著的影響，從而導致一系列特定的離子運輸行為：納米孔道可以選擇特定類型的離子通過，這被稱為離子選擇性。納米孔道還可以調節離子的輸運方向，即離子優先從通道的一側通過，這被稱為離子整流。納米孔道呈現離子門控特性，在外部環境刺激下通道會打開和關閉。由于納米孔道的獨特的離子特性，從而在生物傳感、能量轉換、納米流體和分子過濾等多個領域具有廣闊的應用前景[19]。

2.1 仿生納米孔道的應用前景

仿生固態納米孔道在模擬生物系統中納流體的傳輸及開發高效的生物和化學傳感器方面有巨大的潛力。這種潛力是基于其科學家們利用各種表面功能化策略去修飾納米孔道壁，從而將各種響應性單元集成到納米孔道中產生不同的門控機制。這種門控機制受體積效應、電荷分布或者特定的識別基團控制。孔道內常用的表面功能化策略有物理沉積、化學聚合、吸濾、離子濺射等[20]。不同的功能化方法可以單獨或結合使用去擴大納米孔道應用的范圍，可以實現生物分子和離子的高靈敏度高特異性檢測。然而，通過納米孔的快速運輸往往阻止了單個酶內部的多次交換。這一限制最近得到了解決。在一個例子中，引入了蛋白質阻礙劑來固定納米孔內的生物素化肽，從而可以測量多個構象轉變通路[21]。

2.2 納米孔道與MOF的結合應用

金屬有機框架（MOFs）是指金屬離子與有機配體通過自組裝形成的具有周期性網絡結構的晶體多孔材料[22]。與傳統的多孔材料（如沸石和碳）相比，MOFs具有一些傳統多孔材料所不具有的獨特性能。因此，MOFs是封裝許多不同功能元素的理想平臺。MOFs的內孔表面可以直接或通過組裝后修飾進行精確的功能化或修飾。通過將無機SBUs中的金屬離子替換為其他金屬離子或將有機連接劑功能化可以合成出等結構的MOFs。通過這種方法，可以制備結構相同但功能不同的MOFs，并用于研究孔隙中的化學環境如何影響被封裝的客體物種的性能。MOFs的這一特性使它們成為在其大腔內容納功能元素的理想宿主，同時防止內化的功能元素浸出或聚集。同時由于其結晶性，MOFs由均勻的腔體組成，分布在其三維結構中，具有長程順序。因此，使用MOFs作為宿主可以使整個MOF晶格中的離散客體分子有序排列，從而促進了通過晶體學方法研究宿主MOFs和被捕獲客體之間的相互作用。MOF材料可以通過修改連接器和金屬節點或封裝網元來實現功能化。將多個功能位點集成到一個系統中，可以讓它們協同工作，這在其他材料中很難實現。但MOFs的實際應用受到其低穩定性的阻礙，大多數MOF在高溫下會發生分解。此外，外源分子可以插入到金屬連接鍵中，從而破壞了框架，降低了MOFs的化學穩定性。如果它們想要找到工業應用，開發穩定的MOF材料是至關重要的。目前有3種主要方法來增強MOFs的穩定性。第一種是利用高酸性金屬或高堿性連接劑直接合成穩定的MOFs，從而形成強金屬-連接劑鍵。第二種是功能化有機連接劑，以保護金屬連接鍵免受與外源分子的相互作用。第三種方法是給MOF涂上保護層。這些方法在一定程度上提高了純MOFs的熱穩定性和化學穩定性。然而，提高MOFs封裝網元穩定性的進一步工作仍有待進行。迄今為止報道的大多數MOFs都屬于微孔范圍（孔徑＜2 nm）。這種小孔徑阻礙了化學物質的擴散，限制了它們與MOFs中活性位點的相互作用。如前所述，增加有機連接體的長度和使用大體積有機支架是合成中觀MOFs的有用工具。然而，這種連接劑的合成是復雜的，所獲得的MOFs幾乎不可避免地存在互穿、崩解和不穩定性的問題。這些困難使這種功能化方法無法被廣泛用于中觀MOFs的形成。近年來，模版法、蝕刻法、無模版法和缺陷誘導法已被開發用于在大體積MOF晶體中創建分層結構。然而，控制MOFs孔隙結構的大小、形狀、空間分布和長程順序仍是一個巨大的挑戰。

3 結 論

設計具有定制結構的納米孔腔，然后捕獲在納米孔內的反應物分子可以被催化形成一種進一步釋放并通過納米孔轉運的產物，這將為定制化化學品的生產提供一種自下而上的方法。納米孔將為單分子催化的精確控制提供良好的環境。利用在分子尺度上設計的納米孔，可以將催化位點應用到DNA測序和表觀遺傳修飾分析之外，現在被用于生物液體和其他生物標本中的分子生物標志物（蛋白質、代謝物和核酸）的檢測。鑒于納米孔應用的快速增長，納米孔技術很可能成為單分子體外診斷的重要技術[23]。