固態納米孔不僅具有傳輸離子/分子的能力，而且具有良好的加工性能。具有可控表面修飾的固態納米孔作為下一代測序技術和單分子傳感平臺，實現了對納米級分析物的高靈敏度檢測。與傳統的分析方法相比，基于固態納米孔的分析技術具有體積小、靈敏度高、分析速度快、無標簽、操作簡單等優點。分析物的特異性捕獲可以通過在固態納米孔上修飾功能元素來實現。在傳統的固態納米孔的研究中，功能元素通常不加區分地修飾在納米孔的內壁和外表面，且大部分研究集中在內壁修飾的功能元件（FEIW）上，而忽略了外表面修飾的功能元件（FEOS）在傳感中的作用。

近期，中國地質大學（武漢）夏帆教授和張孝進教授在Analytical Chemistry期刊發表題為“Inner Wall and Outer Surface Distinguished Solid-State Nanopores for Sensing”的綜述文章，回顧了內壁和外表面修飾的兩類固態納米孔的研究進展，并討論了其發展前景和面臨的挑戰。

圖1 內壁/外表面修飾的固態納米孔

納米孔傳感的原理是在固定的施加電壓下，監測分析物通過小孔引起的離子流波動。修飾功能元素到固體納米孔內壁是調節其輸運特性的常用策略。為了只獲得內壁修飾的納米孔，通常需要在修飾后對外表面進行等離子蝕刻處理，或在修飾前在外表面鍍上一層惰性層。離子門控和分子識別是FEIW的主要功能，常用于傳感。

圖2 內壁修飾的納米孔

外表面修飾的納米孔最顯著的優勢是能夠檢測大規模的分析物，且FEOS的離子門控行為可以忽略不計，抗干擾是其主要功能。由于空間電荷效應，FEOS（如帶負電荷的DNA）能夠使離子信號呈指數級增加。此外，FEOS能在不增加內阻的情況下有效地提高納米孔的離子選擇性和輸出功率。

圖3 外表面修飾的納米孔

總體而言，FEOS可以阻止干擾物質進入孔隙，防止它們堵塞孔隙，因此，內壁修飾的納米孔適用于檢測小尺度分析物，而外表面修飾的納米孔適用于檢測大尺度分析物。目前，內壁和外表面獨立修飾的納米孔已實現了對癌癥特別是細胞的多尺度生物標志物的原位、高靈敏度和高特異性檢測。此外，內壁和外表面的功能分區為單分子和單細胞的精確和原位測量提供了一種方法，有助于理解量子受限超流體，實現精確的化學合成和高效的信息傳遞。

然而，目前已有的研究手段還難以準確、清晰地表征固體納米孔中FEIW和FEOS的空間分布和物理化學性質。未來應通過包含多維參數的綜合評價體系來區分FEIW和FEOS的功能。且有必要更深入地研究FEOS與FEOS在納米孔中的協同作用，以便開發更好的FEOS抗干擾與FEIW高靈敏度離子輸運相協調的傳感器。在未來，固態納米孔可以作為納米級生物系統的界面，并與大規模電路集成，從而獲得可靠的、量產的、具有單分子檢測能力的傳感器。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acs.analchem.2c04216

審核編輯 ：李倩