中科院理化所江雷院士课题组《ACS Nano》综述：仿生径迹蚀刻聚合物纳米通道 - 用于检测分析物的稳态生物传感器

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近年来，基于仿生聚合物纳米通道（又称纳米孔）的生物传感器因其可控的通道尺寸和形状、多功能表面化学、独特的离子传输特性和良好的应用稳定性而备受关注。基于稳态传感的纳米通道生物传感器在高灵敏度、快速响应、无尺寸限制的目标分析物和广泛的适用范围等方面具有明显的优势。其中，基于聚合物材料的纳米通道因其制造灵活、应用广泛而表现突出。

近期，中国科学院理化技术研究所江雷院士课题组在ACS Nano上发表了题为“Bio-inspired Track-Etched Polymeric Nanochannels: Steady-State Biosensors for Detection of Analytes”的综述文章。文章第一作者是成都理工大学材料与化学化工学院汪建副教授，通讯作者为中科院理化所周亚红博士。该工作得到了国家自然科学基金委员会的支持。这篇综述基于径迹蚀刻仿生聚合物纳米通道，总结了聚合物基纳米通道稳态生物传感器作为检测与生命体相关目标物平台的最新进展，并就该研究领域在未来的研究方向和发展前景进行了展望。

图1 聚合物纳米通道作为稳态生物传感器平台检测五类目标物

该文章首先介绍了仿生纳米通道传感器的设计策略，对比了电阻-脉冲传感器和稳态传感器的检测原理和应用范围，指出纳米通道稳态生物传感器在高灵敏度、快速响应、无尺寸限制的目标分析物和广泛的适用范围等方面具有明显的优势。概述了目前聚合物纳米通道稳态生物传感器主要检测的五类目标物，包括离子、小分子、核酸、蛋白质和病原体（图1）。

图2 离子径迹蚀刻法制备各种形状的聚合物纳米通道

图3 利用刺激响应功能分子对聚合物纳米通道内表面进行物理化学修饰

其次，作者介绍了制备聚合物纳米通道的常用方法：离子径迹蚀刻法。此方法广泛应用制备对称和非对称型纳米通道，包括柱状、沙漏形、雪茄形、哑铃形和圆锥形、漏斗形、子弹头形和非对称沙漏形等（图2）。功能化纳米通道是实现外界刺激响应性和操控纳米流体输运特性的有效手段，已经在生物传感器、药物输送、环境监测、过滤和纳流体器件中得到了广泛应用。利用功能性分子如树状大分子和肽核酸探针功能化纳米通道，可以实现高选择性和高灵敏监测目标分析物（图3）。

随后，文章介绍了近年来国内外课题组基于聚合物纳米通道稳态生物传感器对离子（阳离子与阴离子）、小分子（无机分子与有机分子）、核酸、蛋白质和病原体的检测应用（图4-10）。最后，作者指出了基于聚合物纳米通道传感器存在的问题和挑战，为今后的研究指明了方向。

图4 聚合物纳米通道生物传感器用于金属离子检测：（a）Zn²⁺，（b）Cu²⁺，（c）Fe³⁺，（d）Ag⁺

图5 聚合物纳米通道生物传感器用于卤素离子检测：（a）F^-，（b）F^-，（c）Cl^-

图6 聚合物纳米通道生物传感器用于无机小分子检测：（a）NO，（b）NO，（c）H₂S

图7 聚合物纳米通道生物传感器用于神经递质和药物检测：（a）乙酰胆碱，（b）可卡因，（c）萘普生，（d）普萘洛尔

图8 聚合物纳米通道生物传感器用于核酸分子检测：（a）DNA，（b）miRNA，（c）miRNA

图9 聚合物纳米通道生物传感器用于蛋白质检测：（a）链霉抗生物素蛋白，（b）乳铁蛋白，（c）刀豆蛋白 A，（d）磷蛋白

图10 聚合物纳米通道生物传感器用于赭曲霉毒素A检测

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c08582

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