中国地质大学（武汉）夏帆教授团队戴煜副教授：DNA功能化增强固态纳米孔道传感性能

关键词：纳米孔道，内表面，外表面，DNA功能化，传感，灵敏度，特异性，准确性

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经过数十亿年的演化，自然界中的生物几乎完成了对所有生命过程的智能调控。嵌入细胞膜的生物纳米孔便是这种具有智能调控能力的典型代表。生物纳米孔能够实现对各种离子和分子的可控跨膜转运，在细胞中的物质交换、信号传递、能量转换以及功能调节等分子生物学过程中发挥着关键作用。科学家们已经利用生物纳米孔进行传感分析，例如基因测序和单分子检测。然而，由于蛋白质（生物纳米孔的主要成分）稳定性较差，研究人员因此开发了具有高机械强度、强塑性和易于表面改性的固态纳米孔道。

基于固态纳米孔道的传感技术因其快速、高通量和免标记的优点，在生物学、化学和物理学等多个研究领域引起了广泛关注。通过在固态纳米孔道内表面进行探针修饰，可以实现对特定靶标的捕获。当靶标与探针结合时，孔道内的空间位阻、表面电荷以及亲疏水性会发生变化，从而影响离子电流的输出信号。目前，基于固态纳米孔道的传感技术已经能够对尺寸在100 pm-100 nm范围内的靶标进行原位检测。然而，由于直径大于1 μm的靶标（如细胞）无法通过孔道，因此内表面功能化的纳米孔道无法实现对细胞的原位检测。

事实上，纳米孔道可用于功能化的表面包括内表面和外表面。我们团队率先进行了一系列实验，区分纳米孔道的内外表面探针修饰，并证明外表面探针同样有助于检测。近年来，我们的研究主要集中在固态纳米孔道的外表面探针修饰，这为调节纳米孔道离子传输提供了一个高度可控的模型。此外，我们的工作在短时间内引起了众多研究团队的关注。在此，我们总结了区分纳米孔道内外表面的DNA功能化修饰，以提高纳米孔道传感的灵敏度、特异性和准确性，同时展望了该领域面临的挑战和未来的发展机遇。我们相信，本文的内容对纳米孔道的DNA功能化及其在传感中的应用具有一定的指导意义。

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作者团队：

固态纳米孔道不仅具有传输离子/分子的能力，还展现出优良的加工性能。具有可控表面修饰的固态纳米孔道作为下一代测序技术和单分子传感平台，能够实现对纳米级分析物的高灵敏检测。与传统分析方法相比，基于固态纳米孔道的传感技术具有体积小、灵敏度高、分析速度快、免标记、操作简单等优点。通过在固态纳米孔道内表面修饰功能分子，可以实现对分析物的特异性捕获。在传统的固态纳米孔道研究中，功能分子通常不加区分地修饰在纳米孔道的内表面和外表面，且大多数研究集中于内表面修饰的纳米孔道，而忽略了外表面修饰的功能分子在传感中的作用。

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作者团队：

内表面修饰的纳米孔道适用于检测小尺度的分析物，而外表面修饰的纳米孔道则更适用于检测大尺度的分析物。目前，内外表面区分修饰的纳米孔道已经实现了对多尺度肿瘤生物标志物的原位、高灵敏、特异性检测。此外，纳米孔道的内外表面功能分区为单分子单细胞的精准测量提供了一种新方法，并有助于深入理解量子限域超流，实现精确化学合成和高效信息传递。

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作者团队：

尽管在过去的二十年里，固态纳米孔道取得了显著进展，但与生物离子通道相比，仍有很大的改进空间。细胞中的钾离子通道每秒能够输送高达10⁸个钾离子，同时有效阻止钠离子通过，从而实现高达10³的钾/钠离子选择性。然而，固态纳米孔道在钾/钠离子的有效筛分方面仍显不足。开发高效的纳米孔道不仅可以扩展其在离子筛分、生物传感、纳流器件和能量转换等领域的应用，还能为深入理解生物体的运作机制提供理论依据。

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