近年來(lái),基于仿生聚合物納米通道(又稱(chēng)納米孔)的生物傳感器因其可控的通道尺寸和形狀、多功能表面化學(xué)、獨(dú)特的離子傳輸特性和良好的應(yīng)用穩(wěn)定性而備受關(guān)注;诜(wěn)態(tài)傳感的納米通道生物傳感器在高靈敏度、快速響應(yīng)、無(wú)尺寸限制的目標(biāo)分析物和廣泛的適用范圍等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。其中,基于聚合物材料的納米通道因其制造靈活、應(yīng)用廣泛而表現(xiàn)突出。
近期,中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所江雷院士課題組在ACS Nano上發(fā)表了題為“Bio-inspired Track-Etched Polymeric Nanochannels: Steady-State Biosensors for Detection of Analytes”的綜述文章。文章第一作者是成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院汪建副教授,通訊作者為中科院理化所周亞紅博士。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的支持。這篇綜述基于徑跡蝕刻仿生聚合物納米通道,總結(jié)了聚合物基納米通道穩(wěn)態(tài)生物傳感器作為檢測(cè)與生命體相關(guān)目標(biāo)物平臺(tái)的最新進(jìn)展,并就該研究領(lǐng)域在未來(lái)的研究方向和發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
圖1 聚合物納米通道作為穩(wěn)態(tài)生物傳感器平臺(tái)檢測(cè)五類(lèi)目標(biāo)物
該文章首先介紹了仿生納米通道傳感器的設(shè)計(jì)策略,對(duì)比了電阻-脈沖傳感器和穩(wěn)態(tài)傳感器的檢測(cè)原理和應(yīng)用范圍,指出納米通道穩(wěn)態(tài)生物傳感器在高靈敏度、快速響應(yīng)、無(wú)尺寸限制的目標(biāo)分析物和廣泛的適用范圍等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。概述了目前聚合物納米通道穩(wěn)態(tài)生物傳感器主要檢測(cè)的五類(lèi)目標(biāo)物,包括離子、小分子、核酸、蛋白質(zhì)和病原體(圖1)。
圖2 離子徑跡蝕刻法制備各種形狀的聚合物納米通道
圖3 利用刺激響應(yīng)功能分子對(duì)聚合物納米通道內(nèi)表面進(jìn)行物理化學(xué)修飾
其次,作者介紹了制備聚合物納米通道的常用方法:離子徑跡蝕刻法。此方法廣泛應(yīng)用制備對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)型納米通道,包括柱狀、沙漏形、雪茄形、啞鈴形和圓錐形、漏斗形、子彈頭形和非對(duì)稱(chēng)沙漏形等(圖2)。功能化納米通道是實(shí)現(xiàn)外界刺激響應(yīng)性和操控納米流體輸運(yùn)特性的有效手段,已經(jīng)在生物傳感器、藥物輸送、環(huán)境監(jiān)測(cè)、過(guò)濾和納流體器件中得到了廣泛應(yīng)用。利用功能性分子如樹(shù)狀大分子和肽核酸探針功能化納米通道,可以實(shí)現(xiàn)高選擇性和高靈敏監(jiān)測(cè)目標(biāo)分析物(圖3)。
隨后,文章介紹了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外課題組基于聚合物納米通道穩(wěn)態(tài)生物傳感器對(duì)離子(陽(yáng)離子與陰離子)、小分子(無(wú)機(jī)分子與有機(jī)分子)、核酸、蛋白質(zhì)和病原體的檢測(cè)應(yīng)用(圖4-10)。最后,作者指出了基于聚合物納米通道傳感器存在的問(wèn)題和挑戰(zhàn),為今后的研究指明了方向。
圖4 聚合物納米通道生物傳感器用于金屬離子檢測(cè):(a)Zn2+,(b)Cu2+,(c)Fe3+,(d)Ag+
圖5 聚合物納米通道生物傳感器用于鹵素離子檢測(cè):(a)F-,(b)F-,(c)Cl-
圖6 聚合物納米通道生物傳感器用于無(wú)機(jī)小分子檢測(cè):(a)NO,(b)NO,(c)H2S
圖7 聚合物納米通道生物傳感器用于神經(jīng)遞質(zhì)和藥物檢測(cè):(a)乙酰膽堿,(b)可卡因,(c)萘普生,(d)普萘洛爾
圖8 聚合物納米通道生物傳感器用于核酸分子檢測(cè):(a)DNA,(b)miRNA,(c)miRNA
圖9 聚合物納米通道生物傳感器用于蛋白質(zhì)檢測(cè):(a)鏈霉抗生物素蛋白,(b)乳鐵蛋白,(c)刀豆蛋白 A,(d)磷蛋白
圖10 聚合物納米通道生物傳感器用于赭曲霉毒素A檢測(cè)
原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c08582
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