CE专辑纳通道的物质传输特性及应用 [复制链接]

色谱,Vol.38Issue(10):-

DOI:10./SP.J...

李仲秋,吴增强,夏兴华*

纳通道普遍存在于生命体中,是细胞实现物质代谢、能量转换以及信号转导等功能的重要基础。生物纳通道通常由蛋白质组成,包括水通道蛋白、膜孔蛋白和生物离子通道等,其中生物离子通道(如K+、Na+、Ca2+离子通道)最为重要,其研究也最为广泛。

这些生物离子通道在外界信号刺激下,可以通过蛋白质的构型、电荷变化实现相应离子传输的调控,表现为离子选择性、离子整流和门控传输等,进而实现特定的细胞功能。例如,大肠杆菌外膜蛋白F(OmpF)通道具有不对称的几何结构,在对称pH下,整个通道呈现负电荷状态,而在非对称pH条件下,通道两侧表面带有相反电荷,微环境的pH对细胞离子输运和整流性能有很大影响。然而,由于蛋白质结构复杂且易变的性质,生物纳通道通常具有机械强度低、稳定性差的缺点。

因此,研究者开发了许多有机/无机材料的纳通道以替代生物纳通道,称为人工纳通道。和生物纳通道相比,人工纳通道具有尺寸可调、化学稳定性高、机械性能好、容易修饰等优点,更有利于满足实际研究和应用的需要。目前,制备人工纳通道的方法主要包括离子束雕刻法、电子束缩孔法、离子径迹-化学刻蚀法、阳极氧化法、二维材料堆叠法等。人工纳通道因其特殊的物质传输性质,已经发展成为一类重要材料,广泛应用于分离、传感、能源等领域。

本综述对人工纳通道中的物质传输特性,以及纳通道技术在各个领域的应用进行了总结与展望,有助于推动新型、高效纳通道器件的构建以及纳通道技术的发展。

纳通道的孔径通常为1~nm,在这一尺度下,通道表面与通道内物质之间的相互作用大大增强。这些作用包括水合作用、静电作用、范德华作用等,其中静电作用作为一种长程作用,对物质传输性质影响最大。当通道内表面与溶液接触时,界面处会产生基团解离、离子吸附、化学反应等过程,使得通道表面存在一定量的净电荷。该电荷与溶液中的带电粒子产生静电作用,导致纳通道吸引电性相反的离子(反离子),排斥电性相同的离子(同离子),形成紧密层和扩散层,即双电层(electricdoublelayer,EDL)。双电层的厚度一般用德拜长度(Debyelength)进行描述,其数值随溶液中离子强度及离子电荷数的增加而减小,一般在几埃到几十纳米之间,与纳通道尺寸相当。在表面电荷的作用下,纳米通道中的物质传输表现出许多与宏观尺度下不同的特性,如离子选择性、离子整流特性和阻塞脉冲特性等。

1.1离子选择性

1.2离子整流特性

1.3阻塞脉冲特性

2.1门控离子传输

生物纳通道受外部环境刺激可以在开启和关闭两种状态之间转化,进而调节细胞内外的离子平衡,实现各种重要的生理功能。受此启发,人们开发了具有单重或多重响应性能的仿生人工纳通道。通过改变外部环境,即可实现通道内离子传输的调控。该通道一方面可以模拟生物纳通道,帮助理解生命体中复杂的离子传输行为;另一方面,可以在微纳流控体系中作为阀门,构建“智能”器件。通过选择特殊的通道材料或者对纳通道进行特殊修饰即可得到“智能”纳通道。根据通道性质,“智能”纳通道的响应对象可以分为pH、热、光、离子/分子、力、电等。

2.2传感

纳通道因其离子传输具有可调性被广泛应用于传感领域。传感过程主要通过监测跨膜离子电流或者离子整流性质的变化得以实现。将各种识别分子修饰到纳通道表面,当目标物或外界物理刺激存在时,通道的表面电荷分布、空间尺寸发生变化即可改变离子电流,从而实现对目标物的传感检测。DNA测序是纳通道最重要的应用之一。DNA链上ATGC4个碱基的大小和结构存在差异,当DNA穿过单个纳通道时,不同的碱基产生的阻塞脉冲信号不同,通过识别这些脉冲信号便可获得完整的DNA序列。

2.3分离

在纳通道中,溶质与通道内壁之间的相互作用,如空间排阻、静电力、亲和力、吸附(可逆和不可逆)和摩擦力等,会显著降低溶质输运速度。虽然,这些相互作用不利于物质传输,但赋予了纳通道在分离应用上的独特优势。通过对纳通道进行合理设计,充分利用通道的表面效应,可以实现分析物的高效分离。

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