 通讯作者：夏帆 通讯单位：中国地质大学（武汉）材料与化学学院 纳米孔分析是一种新兴的分子尺度分析技术，具有快速、高通量、无荧光标记的特点已广泛应用于生物、化学和物理领域。受生物纳米孔的启发，固态纳米通道（SSNs）得到了巨大的发展。由于分子被限制在内部，它们具有巨大的机械强度和多样化的表面化学性质，为生物传感提供了一种有前景的方法。 中国地质大学（武汉）材料与化学学院夏帆教授课题组报告了一个基于纳米通道的传感平台，主要是通过表面功能化实现了SSNs外表面（FEOS）和内壁（FEIW）功能元件的明确的功能划分，传感平台展现出增强的特异性和灵敏度。相关工作以“Regional and functional division of functional elements of solid-state nanochannels for enhanced sensitivity and specificity of biosensing in complex matrices”为题发表在Nature Protocols上。  图1. OS和FEIW功能化SSN用于复杂矩阵中的生物传感应用。ET，电子转移；FE，功能元件；IT，离子传输；IW，内壁；NPS，核孔复合物；OS，外表面。 详细地，在SSNs中，首先在OS或IW的特定位置沉积Au层。氧化铟锡（ITO）用作惰性区域，其中几乎不会固定FE。而FE通过金-硫醇相互作用固定。飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）与激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）相结合，证实FE分别位于IW和OS。最终，实现SSNs中FE的功能划分。 FEIW用于识别分析物，影响离子门控并产生离子输出，而疏水性或高电荷FEOS用于抵抗干扰分子，即可能影响纳米通道离子信号的非目标分子，从而减少错误信号并有助于在复杂基质中实现高度特异性的离子输出。 基于设计的电光双信号输出SSNs系统对糖尿病患者的40份治疗（胰岛素注射或其他药物治疗）前后的尿液样本进行了测试，证明了SSNs在诊断测试中的应用。  图2. 在纳米通道的OS（FEOS）和纳米通道的IW（FEIW）上对FE进行显式空间划分。（a）使用硅烷偶联将DNA固定在纳米通道表面上，用于ITO表面或AAO表面上的氨基修饰DNA，以及Au表面上硫醇修饰DNA的Au-硫醇相互作用；（b，f，j，n）通过不同沉积顺序在纳米通道中形成不同Au和ITO分布的四个样品；（c，g，k，o）纳米通道入口处z轴（<5 μm）使用ToF-SIMS进行表征。虚线代表5%峰强度的边界线。ToF-SIMS中强度高于最大强度5%的元素范围定义为纳米通道中元素的深度；（d，h，l，p）硫醇修饰和氨基修饰的DNA位于四个样品中的Au和ITO修饰的表面（或AAO），在纳米通道中产生四种不同的FE分布；（e，i，m，q）LSCM中的Z轴扫描以表征荧光标记的DNA沿纳米通道的分布。白色虚线代表Cy5和FITC区域之间的边界；白色箭头用作边界指示符。箭头代表LSCM中纳米通道的横向视图。  图3. 离子和电解输出系统：（a）IC和EC的双电流方案，用于量化FEOS和FEIW对离子门控的贡献。WE、RE、AE、AAO、V和A分别指工作电极、参比电极、辅助电极、电压表和电流表；（b）从三电极系统中的电解输出测量的纳米通道的OS和IW处DNA探针的数量和相应的接枝密度。浅灰色条分别表示FEIW的密度（左）和面积（右）。深灰色条分别表示FEOS的密度（左）和面积（右）。紫红色和绿色条形分别表示FEIW和FEOS的数量。误差棒代表独立三重实验的标准偏差；（c）组装好的双信号输出系统和相应组件的照片。  图4. DNA夹心结构作为FEs的高效离子门控系统：（a）使用ssw-DNA作为FEs通过纳米通道的离子传输（IT；灰色箭头）和电子传输（ET；蓝色箭头）方案，其中包含一个ATP适配体，可在ATP存在下导致ssw-DNA分解。CP、SP1和SP2组成sswDNA，分别作为捕获探针（cpDNA-SH）、单链探针1和单链探针2；（b-d）在纳米通道的不同区域由ATP触发的ssw-DNA分解的SWV曲线。由于ssw-DNA的解体，纳米通道表面的电活性MB总量减少，电子转移减弱，导致SWV曲线中氧化还原峰强度降低。插图中的粉色、绿色和灰色部分分别是指Au、ITO和AAO。黑线和绿线指的是ATP触发的ssw-DNA分解前后的EC；（e）通过ATP识别减少ssw-DNA固定纳米通道的EC信号；（f-h）ssw-DNA固定化纳米通道在ATP识别触发ssw-DNA分解前后的I-V曲线。ssw-DNA通过纳米通道阻断离子传输。ssw-DNA解体后IC增加。ssw-DNA的不同位置导致IC振幅的不同变化；IW（f）处的ssw-DNA、OS（g）处的ssw-DNA和IW（h）处的ssw-DNA；（i）通过ATP识别增加ssw-DNA固定纳米通道的IC。定量比较表明，单独使用FEOS的离子门控能力可以忽略不计，但加入FEIW后，这一点得到了加强。误差棒代表三个实验重复的标准偏差。 参考文献： Pengcheng Gao, Dagui Wang, Cheng Che, Qun Ma, Xiaoqing Wu, Yajie Chen, Hongquan Xu, Xinchun Li, Yu Lin, Defang Ding, Xiaoding Lou, Fan Xia, Regional and functional division of functional elements of solid-state nanochannels for enhanced sensitivity and specificity of biosensingin complex matrices, Nat. Protoc. 2021, https://www./articles/s41596-021-00574-6. |
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