南京大学夏兴华教授：纳米孔生化传感器

近日，南京大学夏兴华教授团队撰写的AMR述评文章“Developing Solid-State Single-, Arrayed-, and Composite-Nanopore Sensors for Biochemical Sensing Applications”在线发表。文章以团队近年来的工作为基础，介绍了纳米孔材料的制备与功能化修饰方法，阐述了纳米限域离子传输理论和纳米孔传感策略，综述了纳米孔传感器在生化传感领域的重要进展，并在最后讨论了纳米孔传感领域的挑战和机遇。

关键词：纳米孔；传感器；纳米限域；离子传输；瞬态分析；稳态分析

Through introducing recognition elements into these nanopores, the interaction between the analyte and the recognition elements can induce predictable changes in the nanopore properties, such as diameter, pore shape, surface charge and wettability, resulting in readable changes in ion-current signals.

1 文章内容简介

离子、小分子和生物大分子是人体重要的组成部分，它们与人类健康密切相关，在众多生命过程中发挥着关键作用。然而，由于浓度低、相互之间易干扰，这些离子和分子的准确、可靠测量仍然是一个巨大的挑战。纳米孔传感器通过采集目标分子引起纳米孔电化学信号的变化来进行传感，具有灵敏度高、响应速度快、采样频率高和实验装置简单等优点。随着材料科学、微/纳加工技术和纳米尺度传质理论的发展，纳米孔传感器已成为离子、生物分子和纳米颗粒分析的有力工具。

根据结构特点，纳米孔材料可分为三类：单纳米孔、阵列纳米孔和复合纳米孔。单纳米孔传感器具有极高的检测灵敏度，适用于单分子、单粒子、单细胞等单一个体的分析；阵列纳米孔传感器具有易制备、成本低和高通量等优点，在生物化学和环境分析中得到了广泛应用；复合纳米孔将纳米孔与其他功能材料（如导电聚合物、贵金属纳米材料等）结合，可以进一步增强传感分析的灵敏度和准确性。

本述评文章以团队近年来的研究成果为基础，围绕纳米孔传感器展开评述：首先，简要介绍了单纳米孔、阵列纳米孔和复合纳米孔材料及其相应的制备方法；然后，总结了纳米孔中引入特异性识别位点的功能化技术；接着，阐述了纳米孔传感的基本原理，包括纳米尺度下的离子传输机制和两种典型的纳米孔传感策略（瞬态分析和稳态分析）；随后，综述了单纳米孔传感器、阵列纳米孔传感器和复合纳米孔传感器在实际应用中的最新进展；最后，讨论了纳米孔传感领域的挑战和机遇，并对该传感技术的发展进行了展望。

2 AMR：您对该领域的发展有何种愿景？

作者团队：

纳米孔传感技术具有灵敏度高、响应速度快、采样频率高和实验装置简单等优点。经过近20年的发展，纳米孔传感技术已逐渐步入商业化阶段。牛津纳米孔技术公司推出的一系列单分子测序产品有力地证明了纳米孔传感技术的巨大应用潜力。纳米孔传感技术涉及了材料学、电化学、工程学、生物学等多个领域，各学科之间应加强合作，将加速纳米孔传感技术的发展，推出更多创新产品，解决生产、生活中的实际问题。

3 AMR：您认为该领域当前最值得关注的研究热点是什么？

作者团队：

尽管纳米孔传感技术在过去几十年发展迅速，但仍有许多关键问题亟待解决。首先，我们需要投入更多努力来探索纳米孔传感机制。在纳米限域效应作用下，纳米孔中的分析物识别过程通常与体相环境的不同。利用高灵敏、高精准、超快速的原位观测技术探究纳米孔中的分子识别过程有助于揭示传感机制，指导高性能器件的设计与研制。其次，对于单分子传感，分子信息通常埋藏在大量离子电流信号中，难以高效、准确提取。借助计算机科学，尤其是机器学习算法，可以大大提升数据处理的效率和准确性。

扫码阅读夏兴华教授团队的精彩Account文章：

Developing Solid-State Single-, Arrayed-, and Composite-Nanopore Sensors for Biochemical Sensing Applications

Zhong-Qiu Li, Li-Qiu Huang, Kang Wang, and Xing-Hua Xia*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00090

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