劉國暢，陳 威，劉筆鋒，，趙元弟*，

(1.華中科技大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)教育部重點實驗室，湖北武漢 430074；2.華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心，Britton Chance生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)功能實驗室，湖北武漢 430074)

1 前言

活細(xì)胞通過新陳代謝不斷與外界進行信息傳遞和物質(zhì)交換。在這種過程中，細(xì)胞膜上的膜蛋白(納米孔/通道)起著關(guān)鍵的作用。得益于卓越的離子傳輸性質(zhì)，它們控制著各種離子和分子在細(xì)胞膜上進出、傳遞和交換。合成納米孔/通道有著類似且更多樣的離子傳輸行為，基于這些行為，合成納米孔/通道已廣泛應(yīng)用于能源、傳感和生化等方面[1-4]。

納米孔/通道通常是指直徑小于100 nm的小孔或小洞。近年來，各種各樣的生物納米孔/通道被發(fā)現(xiàn)并用于生化分析及生物分子檢測[5-17]。它們具有低噪音和高靈敏等優(yōu)點，但由于嵌入脂雙層的不穩(wěn)定，生物孔易破壞，且孔徑固定而尺寸無法調(diào)控。與之相比，合成固態(tài)納米孔/通道有明顯的優(yōu)勢，如物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、孔徑易控制、易操作加工、可批量化生產(chǎn)和易修飾改性等[1,3]，基于這些優(yōu)點合成納米孔/通道有著更廣泛的應(yīng)用前景。

合成納米孔/通道的主要材質(zhì)包括固態(tài)非金屬單質(zhì)、有機聚合物薄膜和固態(tài)無機化合物等[18-25]。其形狀有圓柱形、單錐形、子彈形和漏斗形等一維通道[20,26-29]，也有3D的介孔通道[30,31]。已經(jīng)報道有多種物理或化學(xué)方法可以將不同材料制備出不同形態(tài)的納米孔/通道?；谄洳馁|(zhì)的豐富性、結(jié)構(gòu)的多樣性及獨特的孔內(nèi)電荷分布，合成納米孔/通道展示出了幾種獨特的離子傳輸現(xiàn)象，如離子電流整流(ICR)[32-35]、離子電流飽和[27,29,36,37]、離子電流振蕩[38-41]、離子傳輸遲滯[34,42,43]和負(fù)差分電阻[44-46]等。

2 納米孔/通道的類型及特點

根據(jù)納米孔/通道的成分和來源可將納米孔分為天然生物納米孔/通道和合成納米孔/通道。天然生物納米孔/通道來源于生物細(xì)胞，細(xì)胞膜上包含了種類繁多的納米孔和納米通道，這些通道控制著離子與分子進出細(xì)胞，在細(xì)胞的生命活動中起著至關(guān)重要的作用，因此生物納米孔/通道也被稱為跨膜通道蛋白。合成納米孔/通道是通過物理或化學(xué)方法制備的人工納米孔/通道，它具有材質(zhì)多樣、形狀尺寸易控制、物化性質(zhì)穩(wěn)定、易修飾改性和可批量化生產(chǎn)等優(yōu)點。

目前，各種各樣的生物納米孔/通道被發(fā)現(xiàn)并用于生化分析及生物分子檢測，包括α溶血素[5]、MspA恥垢分支孔蛋白A[6]、噬菌體pHi29連接器[7,8]和氣單胞菌溶素[9,10]等，基于它們天然的小孔徑(通常小于5 nm)可實現(xiàn)單分子水平的生化分析[11]、單分子檢測[10,12,13]、DNA測序[14-16]和單分子水平研究蛋白質(zhì)折疊[17]。它們具有高重復(fù)性孔結(jié)構(gòu)和尺寸、高測序精度、低噪音、高靈敏、可通過基因工程進行改造和修飾等優(yōu)點。然而，此類生物納米孔/通道在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可調(diào)控性上也有所不足，如嵌入脂雙層不穩(wěn)定，生物孔易被破壞，同時生物納米孔/通道孔徑固定唯一，尺寸無法靈活調(diào)控。

受生物納米孔/通道的啟發(fā)，合成納米孔/通道備受關(guān)注。其主要材質(zhì)有固態(tài)單質(zhì)(碳和石墨烯等)[18,19]，聚合物薄膜(聚氨酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚碳酸酯等)[20-22]，無機固態(tài)化合物(二氧化硅、三氧化二鋁、二氧化鈦和氮化硅等[23-25])等，而其形狀有圓柱形、錐形(又分為單錐、內(nèi)雙錐和外雙錐)、子彈形和漏斗形等一維通道[20,26-29]，也有3D的介孔通道[30,31]。另外相較于生物納米孔/通道，合成納米孔/通道展示出了更為多樣的離子傳輸行為。得益于材料的豐富性、結(jié)構(gòu)多樣性、離子傳輸行為的獨特性及其易操作加工等特點，相較于生物納米孔/通道，合成納米孔/通道有著更廣泛的應(yīng)用。

3 制備方法

隨著納米制造技術(shù)的發(fā)展，多種制備方法被研發(fā)用于將多種多樣的材料制備成不同形態(tài)的納米孔/通道，其中有激光熱熔拉制[32]、離子或電子束刻蝕[23,24]和微機械打孔[47]等物理方法，也有化學(xué)蒸汽生長[18]、電化學(xué)刻蝕[25]和限域空間化學(xué)生長等化學(xué)方法[30,31]。激光熱熔拉制法是通過微電極激光拉制儀將玻璃或石英毛細(xì)管拉制成錐形納米孔/通道；離子或電子束刻蝕是利用離子束或電子束照射數(shù)百納米厚度的固態(tài)薄片進行打孔，同樣的微機械打孔是利用微機械手臂如原子力顯微鏡的針頭使用機械力在薄片上打孔。電化學(xué)蝕刻一般是通過在金屬基板上進行電化學(xué)蝕刻氧化后而形成納米孔/通道陣列；限域空間化學(xué)生長是將可以生成沉淀的化學(xué)反應(yīng)在微米孔中發(fā)生，由于限域空間的作用形成的微塞會有納米通道。另外還有旋涂、噴鍍等其它常用的納米材料制備方法也可以用來制備納米通道[4]。

在這些納米孔/通道制備方法中，物理制備方法方便簡單快速高效，制備過程往往幾秒鐘就可以完成。但缺點是對設(shè)備依賴度較大，除操作者的技能熟練程度外，設(shè)備的狀態(tài)也對納米孔/通道的制備效果有較大影響，即使同類型設(shè)備使用相同參數(shù)制備的納米孔/通道之間也有較大差異，且設(shè)備較昂貴。也有一些不依賴設(shè)備使用手工制備納米孔/通道的方法，如通過燒結(jié)毛細(xì)管的尖端后打磨出納米孔/通道，但該方法費時且成功率不高?；瘜W(xué)制備方法往往不依賴于昂貴的設(shè)備，成本低廉，但制備的納米孔/通道往往需要清洗才能使用，且需要一定的實驗條件進行化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)廢物的處理。當(dāng)前納米制造技術(shù)的發(fā)展日新月異，相信會有越來越多的的納米孔/通道制備方法開發(fā)出來，進而快速、高效、方便的制備出各種性能優(yōu)異的納米孔/通道。

4 合成納米孔/通道的離子傳輸特征

隨著研究的深入，科研工作者們發(fā)現(xiàn)合成納米孔/通道在控制物質(zhì)和離子傳輸方面有著卓越的性能，其表現(xiàn)出了幾種獨特的離子傳輸現(xiàn)象，如離子電流整流(ICR)[32-35]、離子電流飽和[27,29,36,37]、離子電流振蕩[38-41]、離子傳輸遲滯[34,42,43]和負(fù)差分電阻[44-46]等。研究者們還提出了各種機制用于解釋這些離子傳輸現(xiàn)象，其中關(guān)于ICR現(xiàn)象的機制最多，如尖端的選擇通過性[32]、窄孔膜模型[48]、棘輪模型[49]等；離子電流飽和被認(rèn)為是納米孔/通道內(nèi)的離子消耗區(qū)造成的；負(fù)差分電阻現(xiàn)象的解釋是基于孔口附近的離子分布和電解質(zhì)溶液流動相互作用的“正反饋機制”；離子電流振蕩是由于納米孔/通道中電壓誘導(dǎo)的弱溶性鹽濃度變化引起的動態(tài)沉淀-清除機制；離子傳輸遲滯歸結(jié)于有限的離子遷移速率造成的納米孔/通道的記憶膜電容效應(yīng)。近年來，也有越來越多的研究者們開始基于Poisson-Nernst-Planck方程組，通過數(shù)值模擬來確定納米孔/通道的離子濃度分布和I-V曲線，來解釋試驗中的納米孔/通道的離子傳輸現(xiàn)象[50,51]。

4.1 整流

離子電流整流(ICR)是指當(dāng)電壓驅(qū)動離子通過納米孔/通道進行傳輸時，正反向驅(qū)動電壓下的離子電流大小不等，呈現(xiàn)出類二極管式的I-V曲線。它體現(xiàn)的是正反向驅(qū)動電壓下的離子通量不同，其通常與離子和分子的選擇性傳輸有關(guān)[52]。近年來，基于離子電流整流納米孔/通道已被廣泛用于構(gòu)建仿生離子通道[53]、生物傳感器[54]、離子泵[55]和滲透發(fā)電機[51,56]等。一般而言，ICR的實現(xiàn)需要納米孔/通道尺寸與德拜半徑相比在同一數(shù)量級或更小[57]，而鹽離子濃度的升高會造成德拜半徑的降低，因而ICR通常在低鹽環(huán)境下產(chǎn)生，當(dāng)電解質(zhì)濃度高于0.1 mol/L時，由于雙電層變薄納米通道中的ICR現(xiàn)象會消失[32]。越來越多的研究顯示，ICR的發(fā)生需要納米孔/通道幾何形狀[58]、化學(xué)成分[59,60]、表面電荷分布[61,62]、通道壁潤濕性[60,63]、電解質(zhì)濃度梯度[27]和環(huán)境pH梯度[64,65]等納米流體系統(tǒng)中某一對稱性條件被打破。近年來一些獨特的ICR現(xiàn)象豐富了人們對其的認(rèn)識[34,66,67]，如微米毛細(xì)管也觀察到ICR現(xiàn)象[66]、亞納米通道ICR現(xiàn)象更加強烈[34]等。

目前，研究者們已提出了多種假設(shè)和理論模型來解釋ICR現(xiàn)象，如尖端的選擇通過性[32]、窄孔膜模型[48]、高-低電導(dǎo)模型[68]、棘輪模型[49]。Poisson-Nernst-Planck方程式[50]也被用來定量描述ICR現(xiàn)象。棘輪模型中，內(nèi)壁帶負(fù)電荷的錐形納米孔/通道中由于孔內(nèi)獨特的電場分布，陽離子的電勢在管口附近最小，其與距納米孔/通道口的距離關(guān)系曲線呈棘輪狀，由于溶液中外加電場的作用，陽離子有一個外加電場造成的電勢。在正向偏置電壓下，納米孔/通道管口附近有一個“陽離子陷阱”，陽離子很難通過納米孔/通道；而反向偏置電壓下，由于沒有“陷阱”陽離子更易通過，離子通量更大，因此監(jiān)測到的離子電流更大。高-低電導(dǎo)模型中，由于納米孔/通道內(nèi)壁帶有電荷，溶液中的帶相反電荷的抗衡離子會聚集到納米孔/通道壁形成雙電層，錐形的納米孔/通道結(jié)構(gòu)會造成孔口的離子濃度大于孔內(nèi)的離子濃度，因此納米孔/通道內(nèi)從孔口向內(nèi)可以分成三個區(qū)域，高電導(dǎo)區(qū)、可轉(zhuǎn)換區(qū)和低電導(dǎo)區(qū)。當(dāng)對帶負(fù)電荷的納米孔/通道兩側(cè)施加反向電壓時，陽離子向負(fù)極移動，陽離子同時也是抗衡離子，抗衡離子向孔內(nèi)移動導(dǎo)致可轉(zhuǎn)換區(qū)的離子濃度增大，納米孔/通道的電導(dǎo)增強，此時離子電流較大。當(dāng)施加正向電壓時，陽離子向孔外移動導(dǎo)致可轉(zhuǎn)換區(qū)的離子濃度減小，納米孔/通道的電導(dǎo)降低，離子電流減小。因此納米孔/通道會在正反向電壓下表現(xiàn)出不同的離子電導(dǎo)現(xiàn)象。雖然很多機制都能解釋ICR現(xiàn)象，但I(xiàn)CR確切機制仍存在爭議，然而以下兩點得到了大家共識，一是表面電荷可以確定ICR方向和強度，二是ICR發(fā)生需要納米流體系統(tǒng)中的某一對稱性條件被打破。

4.2 飽和

離子電流飽和是納米孔/通道另一種有趣的離子傳輸現(xiàn)象，它指的是當(dāng)電壓增大到一定程度時，離子電流會出現(xiàn)飽和而不是隨著電壓的增大而繼續(xù)增大。這種現(xiàn)象首先是在一個圓柱形納米通道中通過數(shù)值模擬預(yù)測出來的[36]，該模擬中納米孔/通道內(nèi)壁被設(shè)置成兩端帶同樣電荷而中間帶相反電荷的狀態(tài)。其后Ziwy等通過對雙錐型納米孔/通道進行不對稱修飾，使納米孔/通道內(nèi)壁形成兩端帶相同電荷而中間帶相反電荷的狀態(tài)，首次在試驗中觀察到這種離子傳輸現(xiàn)象[29]。由于其I-V曲線兩端具有平穩(wěn)的飽和電流，因此被認(rèn)為可以作為有兩極的納米流體晶體管。其后，在具有不均勻電荷分布的雪茄型納米通道和雙重納米管中也觀察到了這種離子傳輸現(xiàn)象[27,37]。目前研究表明，在數(shù)值模擬或?qū)嶒灉y試中發(fā)生離子電流飽和有兩個條件，一是結(jié)構(gòu)與電荷分布需要沿納米通道中心橫截面呈面對稱，二是通道內(nèi)壁兩端的電荷一致且與中間帶電屬性不同。有研究通過模擬計算顯示，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是納米通道內(nèi)有離子消耗區(qū)域，高電壓下消耗區(qū)的離子會被耗竭從而導(dǎo)致離子電流發(fā)生飽和[27,29,37]。

4.3 震蕩

4.4 滯后

離子電流滯后是指對納米孔/通道進行正反向電位掃描時，當(dāng)掃描至反向電位，離子電流的方向不是隨電位的反轉(zhuǎn)立即反轉(zhuǎn)，而是有一個相對的滯后，產(chǎn)生類似于磁滯回線的I-V曲線[34,42,43]。它是由納米孔/通道的離子膜電容效應(yīng)導(dǎo)致的，表明納米孔/通道的離子電流不僅取決于施加的驅(qū)動電壓還取決納米孔/通道之前的狀態(tài)。在選定的掃描速率和電位范圍內(nèi)，離子通過納米孔/通道進行傳輸時，可以產(chǎn)生與納米孔/通道正電容和負(fù)電容相對應(yīng)的類似磁滯回線的I-V曲線。在不同的掃描速率下，在低電導(dǎo)率狀態(tài)和高電導(dǎo)率狀態(tài)之間會有一個恒定的交叉點電勢，這個電勢同時也將正常和負(fù)磁滯回線的I-V曲線分開[42]。分子動力學(xué)模擬顯示，當(dāng)受到周期性外部電場的作用時，離子溶液中的納米孔/通道在各種頻率和電場強度下均充當(dāng)具有記憶力的電容器，這種記憶效應(yīng)是由于離子的遷移速率有限，外加電場改變時，離子在帶電荷的納米孔/通道內(nèi)重新分布時不能立刻達(dá)到平衡所致。

4.5 負(fù)差分電阻

負(fù)差分電阻(NDR)也是一種重要的現(xiàn)象，它不同于一般的電器設(shè)備-電流隨驅(qū)動力的增加而增加，而是隨著施加電壓的增加電流減小。在錐形的納米孔/通道內(nèi)、外側(cè)分別裝入高、低電導(dǎo)率的電解質(zhì)溶液，在納米孔/通道的內(nèi)側(cè)施加恒定的壓力，從正電壓向負(fù)電壓掃描并監(jiān)測離子電流，就可以觀察到離子負(fù)差分電阻現(xiàn)象[44-46]。離子NDR現(xiàn)象的解釋是基于孔口附近的離子分布和電解質(zhì)溶液流動相互作用的“正反饋機制”。當(dāng)同時在納米孔/通道上施加正壓力和負(fù)電壓時，壓力會驅(qū)使孔內(nèi)高濃度電解質(zhì)溶液向孔外流動，而電滲流驅(qū)使孔外低濃度的電解質(zhì)溶液進入納米孔/通道。排除納米孔表面電荷的影響，這兩種流動將決定納米孔內(nèi)的陽離子和陰離子的分布，進而決定納米孔的電導(dǎo)。施加的壓力保持恒定，當(dāng)施加的電壓掃描到負(fù)值，隨著負(fù)電勢的增大，納米孔內(nèi)的溶液流動平衡將從低電壓下的向外壓力為主的流動轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠妷合碌膬?nèi)向電滲流為主的流動。流動方向的變化導(dǎo)致納米孔口附近的陽離子和陰離子濃度降低，雙電層厚度增加，電滲流增強，從而進一步降低孔口附近離子濃度。電滲流和孔口離子濃度之間的這種正反饋作用會導(dǎo)致“開關(guān)電位”處的電流突然下降，進而發(fā)生離子NDR現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)納米孔的NDR對納米孔開口附近的表面電荷極為敏感，表明這種現(xiàn)象或在電化學(xué)傳感方面有潛在用途。

5 展望

合成納米孔/通道的離子傳輸行為已在能量轉(zhuǎn)化、生化分析和生物傳感等方面得到了應(yīng)用[51,54,56,69]，如在能量轉(zhuǎn)化方面，利用納米孔/通道的離子選擇透過性可以實現(xiàn)鹽濃差的發(fā)電；在生化分析方面，利用各種生物分子或微生物單細(xì)胞穿孔的離子電流分析其穿孔過程的動力學(xué)；在生物傳感方面，生物信號或生物大分子可以與合成納米孔/通道內(nèi)壁的官能團作用，引起納米孔/通道離子傳輸行為的改變，通過監(jiān)測納米孔離子電流可以實現(xiàn)生物信號或生物大分子的檢測。當(dāng)然納米孔在離子電導(dǎo)掃描顯微鏡、邏輯電路和仿生納米通道等方面也有著廣泛的應(yīng)用。目前已有一些綜述文章[1-4]對這些應(yīng)用進行了具體介紹。

合成納米孔/通道已經(jīng)展現(xiàn)了高超的離子傳輸能力和廣闊的應(yīng)用前景，因此研究新形態(tài)納米孔/通道的制備方法、發(fā)現(xiàn)新的離子傳輸行為，對理解物質(zhì)在納米孔中的傳輸和拓展納米孔/通道的應(yīng)用具有重要意義。同時在納米孔/通道的應(yīng)用上，相關(guān)研究設(shè)備的微型化一直是一個挑戰(zhàn)。雖然納米孔/通道很小，但目前制備的各種形態(tài)納米孔/通道膜及其它納米孔/通道結(jié)構(gòu)依然是宏觀尺寸物體，而且納米孔/通道離子傳輸行為的測試需要將納米孔/通道與電解池組裝成納米流體裝置，這更增加了納米孔/通道研究設(shè)備微型化的難度。因此在今后的研究中，開發(fā)將納米孔/通道直接生長或集成到到微電解池裝置中的方法，對納米孔設(shè)備的微型化、推動納米孔設(shè)備在微觀環(huán)境下的應(yīng)用至關(guān)重要。