基于纳米孔器件的光响应分子的应用

　　摘 要 探索生物大分子和小分子的构象以及它们在外界环境中的响应和作用规律对理解有机质的结构与性能的关系十分重要。纳米孔作为新兴的第三代单分子基因测序技术， 可以实时监测待测物分子的构象变化过程， 在单分子检测及核酸和蛋白测序方面展现了良好的应用前景。为了进一步提高检测的分辨率和精确度，可以采用光电联合检测方法，通过引入光响应分子以满足更高的检测需求。本文综述了目前纳米孔器件的研究进展以及代表性光响应分子在纳米孔检测系统中的设计与应用，主要介绍了偶氮苯及其衍生物、螺吡喃和二芳基乙烯三类光响应分子分别在生物孔和固态孔中的光响应性能。光调控是一种操作简捷有效的分子结构监控方式，其与纳米孔检测技术的结合在单分子识别方面的应用潜力对多功能纳米器件的设计与应用具有重要的指导意义。

　　关键词 纳米孔; 光调控; 生物传感器; 光响应分子; 结构反转; 评述

　　1 引 言

　　核酸是生命体的遗传物质，发挥着传递遗传信息、维持生命体进行正常生命活动的重要作用，充分了解核酸的结构信息和运行机制十分重要。DNA除双螺旋结构外，还存在其它二级结构，这些结构与某些癌症和遗传性疾病关联，所以相继出现了一些基于核酸二级结构的靶向治疗方法[1]。在活细胞中直接观察核酸的结构变化以及作用机制十分困难，纳米孔检测技术可以实时监测待测物分子的构象变化过程，具有单分子检测精度[2]，且检测范围广泛，包括小分子有机物[3]、纳米粒子[4]和生物分子聚合物[5]等。目前，按纳米孔载体材料不同可将纳米孔分为生物纳米孔和固态纳米孔，生物纳米孔通常是由蛋白质在磷脂双分子层上自组装成的通道结构，具有孔径和孔型稳定、可重复性好和信噪比高等优点，但是，由于支撑蛋白孔的磷脂双层的不稳定，使其使用寿命受到限制; 固态纳米孔孔径和孔型可控，环境耐受性强，易于实现孔表面的功能性组装及标记与修饰，但可重复性和信噪比不及生物纳米孔[6]。为了克服生物纳米孔和固态纳米孔各自的缺点， 并结合它们的优点，研究者诱导生物纳米孔在固态纳米孔中自组装制备杂化纳米孔[7]，使其具有高稳定性和可重复性; 另外DNA折纸技术的自组装特性和纳米级精确度也为杂化纳米孔的构建指明了方向[8]。

　　鉴于纳米孔自身的特性及纳米孔限域空间内电学信号检测精度对分析结果的影响[9]，采用光电联合检测方法可进一步提高检测灵敏度和精确度。光电联合检测方法将光调控与电化学分析相结合，在纳米器件表面或待测物分子上修饰光响应分子， 获得光诱导电信号[10，11]，从而进行待测物分析，或进行物质传输等[12]。光调节是一种精确、简单、可重复， 且光照时间、位置、强度都可调控的方法，有利于控制分子的运动和构象的变化[13]。近年来有很多报道关于光响应分子在纳米孔检测技术中的应用，以完成纳米孔自组装[14]，实现离子选择性传输[15]，控制纳米孔开关状态[16]，或者使待测物分子功能化[17，18]等。通过单一的光学检测技术实现单分子检测较为困难，因为目前光学传感体积无法控制在单分子级别，新型的等离激元纳米孔将等离激元和纳米孔检测两种传感模式相结合，同时提高了检测精确度和信噪比[19]。本文将主要介绍偶氮苯及其衍生物[20]、螺吡喃[21]和二芳基乙烯[22]三类不同的光响应分子的光响应机制以及它们在光控纳米孔器件中的应用。

　　2 偶氮苯及其衍生物在光响应体系中的应用

　　偶氮苯及其衍生物是一种常用的光敏开关，紫外光下呈现为顺式构象(cis-azo)，切换可见光，则呈现为反式构象(trans-azo)，且此过程可逆(图1)。偶氮苯衍生物可以通过聚酰胺修饰在DNA双链的小凹槽上[23]，平面的trans-azo与DNA碱基对之间通过π-π堆叠作用稳定双链，而cis-azo会使双链DNA解链[24，25]。据此，研究者做了很多探索，如光调控生物分子在多通道纳米器件上的自组装[26]，以及适配体探针的修饰，不同光照条件下两种不同结构的适配体探针与目标物之间的亲和力差异有助于阐释适配体与目标物之间的相互作用，在靶向药物传递和光动力治疗中具有广阔的应用前景[27]。体外控制DNA的解链和杂交是DNA纳米技术的重要步骤，可通过调节温度实现，若利用光调控， 则需要使DNA序列功能化，而偶氮苯衍生物可与DNA序列发生非共价作用，凭借平面反式构象稳定DNA双链，在紫外光和可见光的调控下实现DNA双链可逆的解链与杂交[28]，在恒定温度条件下， 可逆地控制DNA纳米结构的组装与拆分，这有望成为光调控DNA纳米技术的一种新方法。

　　环糊精(CD)和葫芦脲(CB[n])可作为偶氮苯及其衍生物的主体分子[35，36]。生物系统中离子通道的开关状态受配体、pH值及电位等因素的影响，对于体外实验，单分子级别的人为调控对实验条件要求较高，而在纳米孔中引入光响应分子有望实现这一目标，并且在纳米阵列中亦有很大的应用潜力。固态纳米孔结构稳定，易于进行表面功能化， 以优化性能[37]。 Xie等[38]通过在聚酰亚胺(PI)纳米孔表面修饰偶氮苯调控纳米孔的开关状态(图2)，利用偶氮苯与β-环糊精(β-CD)的主客体反应，改变纳米孔表面的亲疏水性，从而使纳米孔在非导电和导电状态之间切换。该系统不仅具有光响应性，还具有电压调控性，当非导电纳米孔两侧的电压达到极限值(2.6 V)时，纳米孔切换为导电状态，该模型特有的光响应性和电压调控性有助于研究和操纵纳米约束环境下的水行为。此外，纳米孔器件的功能化常受到分子马达的启发，如在可见光作用下，细菌视紫红质质子泵系统将质子从细胞质转移到细胞外，完成跨膜运输(图3A)。Xie等[39]模拟该生物质子泵设计了一个仿生光驱动大通量运输系统(图3B)，修饰有偶氮苯的PI纳米孔经光调控使表面亲疏水性发生变化，处于纳米孔限域空间的偶氮基团在可见光和紫外光的循环照射下，构象连续反转，将积累在通道中的分子排出，其疏水性只允许β-CD通過纳米孔，所展现的高选择性在药物传递中有潜在的应用价值。除了将偶氮苯修饰在纳米孔表面外，Liu等[40]在PI纳米孔内修饰了β-CD，制备了基于主客体系的光调控纳米流体二极管(图4)，通过调节pH值实现高精度整流，具有不同表面性质和状态的纳米通道为光敏纳米流体器件和药物传输与释放提供了一个新的纳米流体平台。

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文章名称： 基于纳米孔器件的光响应分子的应用

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