中国地质大学（武汉）夏帆教授团队戴煜副教授：DNA功能化增强固态纳米孔道传感性能

近日，中国地质大学（武汉）夏帆教授团队戴煜副教授的AMR述评文章“DNA-Functionalized Solid-State Nanochannels with Enhanced Sensing”在线发表。文章总结了区分纳米孔道内外表面的DNA功能化修饰，以提高纳米孔道传感的灵敏度、特异性和准确性，同时展望了该领域面临的挑战和未来的发展机遇。

关键词：纳米孔道，内表面，外表面，DNA功能化，传感，灵敏度，特异性，准确性

随着科学和技术的不断发展，我们团队率先意识到纳米孔道有“内表面”和“外表面”两个部分，因此发展了纳米孔道结构可控构筑策略，揭示了纳米孔道内外表面功能分子对离子传输的影响规律，实现不同尺度分析物的高灵敏、特异性检测。

01 文章内容简介

经过数十亿年的演化，自然界中的生物几乎完成了对所有生命过程的智能调控。嵌入细胞膜的生物纳米孔便是这种具有智能调控能力的典型代表。生物纳米孔能够实现对各种离子和分子的可控跨膜转运，在细胞中的物质交换、信号传递、能量转换以及功能调节等分子生物学过程中发挥着关键作用。科学家们已经利用生物纳米孔进行传感分析，例如基因测序和单分子检测。然而，由于蛋白质（生物纳米孔的主要成分）稳定性较差，研究人员因此开发了具有高机械强度、强塑性和易于表面改性的固态纳米孔道。

基于固态纳米孔道的传感技术因其快速、高通量和免标记的优点，在生物学、化学和物理学等多个研究领域引起了广泛关注。通过在固态纳米孔道内表面进行探针修饰，可以实现对特定靶标的捕获。当靶标与探针结合时，孔道内的空间位阻、表面电荷以及亲疏水性会发生变化，从而影响离子电流的输出信号。目前，基于固态纳米孔道的传感技术已经能够对尺寸在100 pm-100 nm范围内的靶标进行原位检测。然而，由于直径大于1 μm的靶标（如细胞）无法通过孔道，因此内表面功能化的纳米孔道无法实现对细胞的原位检测。

事实上，纳米孔道可用于功能化的表面包括内表面和外表面。我们团队率先进行了一系列实验，区分纳米孔道的内外表面探针修饰，并证明外表面探针同样有助于检测。近年来，我们的研究主要集中在固态纳米孔道的外表面探针修饰，这为调节纳米孔道离子传输提供了一个高度可控的模型。此外，我们的工作在短时间内引起了众多研究团队的关注。在此，我们总结了区分纳米孔道内外表面的DNA功能化修饰，以提高纳米孔道传感的灵敏度、特异性和准确性，同时展望了该领域面临的挑战和未来的发展机遇。我们相信，本文的内容对纳米孔道的DNA功能化及其在传感中的应用具有一定的指导意义。

02 AMR：您选择该领域的初心是？

作者团队：

固态纳米孔道不仅具有传输离子/分子的能力，还展现出优良的加工性能。具有可控表面修饰的固态纳米孔道作为下一代测序技术和单分子传感平台，能够实现对纳米级分析物的高灵敏检测。与传统分析方法相比，基于固态纳米孔道的传感技术具有体积小、灵敏度高、分析速度快、免标记、操作简单等优点。通过在固态纳米孔道内表面修饰功能分子，可以实现对分析物的特异性捕获。在传统的固态纳米孔道研究中，功能分子通常不加区分地修饰在纳米孔道的内表面和外表面，且大多数研究集中于内表面修饰的纳米孔道，而忽略了外表面修饰的功能分子在传感中的作用。

03 AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！

作者团队：

内表面修饰的纳米孔道适用于检测小尺度的分析物，而外表面修饰的纳米孔道则更适用于检测大尺度的分析物。目前，内外表面区分修饰的纳米孔道已经实现了对多尺度肿瘤生物标志物的原位、高灵敏、特异性检测。此外，纳米孔道的内外表面功能分区为单分子单细胞的精准测量提供了一种新方法，并有助于深入理解量子限域超流，实现精确化学合成和高效信息传递。

04 AMR：您认为该领域当前最值得关注/最有争议的研究热点是什么？

作者团队：

尽管在过去的二十年里，固态纳米孔道取得了显著进展，但与生物离子通道相比，仍有很大的改进空间。细胞中的钾离子通道每秒能够输送高达10⁸个钾离子，同时有效阻止钠离子通过，从而实现高达10³的钾/钠离子选择性。然而，固态纳米孔道在钾/钠离子的有效筛分方面仍显不足。开发高效的纳米孔道不仅可以扩展其在离子筛分、生物传感、纳流器件和能量转换等领域的应用，还能为深入理解生物体的运作机制提供理论依据。

作者简介

中国地质大学（武汉）材料与化学学院副教授 戴煜

戴煜，中国地质大学（武汉）副教授，主要从事纳米孔道、纳米酶等方面的研究，主持国家自然科学基金、湖北省自然科学基金等，在Accounts of Materials Research、Analytical Chemistry等期刊上发表第一/通讯作者SCI论文50余篇。

中国地质大学（武汉）材料与化学学院教授 夏帆

中国地质大学（武汉）副校长、杰青、国务院特殊津贴专家、基金委重大项目首席科学家、科技部重点研发计划项目负责人、科技部青年973首席科学家，主要从事生命分析化学的研究，提出“靶标—探针—界面”三元检测系统，率先发展了纳米孔道结构可控构筑策略，揭示了纳米孔道内外表面功能分子对离子传输的影响规律，发展了针对不同种类生物信息分子（蛋白、核酸、分子、离子）的多种检测信号增强机制，实现不同尺度生物信息分子的高灵敏、特异性检测，发表SCI论文300余篇，SCI他引18000余次，H因子72。

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DNA-Functionalized Solid-State Nanochannels with Enhanced Sensing

Xiaojin Zhang, Haowen Cai, Tiantian Hu, Meihua Lin, Yu Dai*, and Fan Xia

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00323

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