摘 要 探索生物大分子和小分子的構(gòu)象以及它們在外界環(huán)境中的響應(yīng)和作用規(guī)律對理解有機質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系十分重要。納米孔作為新興的第三代單分子基因測序技術(shù)， 可以實時監(jiān)測待測物分子的構(gòu)象變化過程， 在單分子檢測及核酸和蛋白測序方面展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。為了進一步提高檢測的分辨率和精確度，可以采用光電聯(lián)合檢測方法，通過引入光響應(yīng)分子以滿足更高的檢測需求。本文綜述了目前納米孔器件的研究進展以及代表性光響應(yīng)分子在納米孔檢測系統(tǒng)中的設(shè)計與應(yīng)用，主要介紹了偶氮苯及其衍生物、螺吡喃和二芳基乙烯三類光響應(yīng)分子分別在生物孔和固態(tài)孔中的光響應(yīng)性能。光調(diào)控是一種操作簡捷有效的分子結(jié)構(gòu)監(jiān)控方式，其與納米孔檢測技術(shù)的結(jié)合在單分子識別方面的應(yīng)用潛力對多功能納米器件的設(shè)計與應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

　　關(guān)鍵詞 納米孔; 光調(diào)控; 生物傳感器; 光響應(yīng)分子; 結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn); 評述

　　1 引 言

　　核酸是生命體的遺傳物質(zhì)，發(fā)揮著傳遞遺傳信息、維持生命體進行正常生命活動的重要作用，充分了解核酸的結(jié)構(gòu)信息和運行機制十分重要。DNA除雙螺旋結(jié)構(gòu)外，還存在其它二級結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)與某些癌癥和遺傳性疾病關(guān)聯(lián)，所以相繼出現(xiàn)了一些基于核酸二級結(jié)構(gòu)的靶向治療方法[1]。在活細胞中直接觀察核酸的結(jié)構(gòu)變化以及作用機制十分困難，納米孔檢測技術(shù)可以實時監(jiān)測待測物分子的構(gòu)象變化過程，具有單分子檢測精度[2]，且檢測范圍廣泛，包括小分子有機物[3]、納米粒子[4]和生物分子聚合物[5]等。目前，按納米孔載體材料不同可將納米孔分為生物納米孔和固態(tài)納米孔，生物納米孔通常是由蛋白質(zhì)在磷脂雙分子層上自組裝成的通道結(jié)構(gòu)，具有孔徑和孔型穩(wěn)定、可重復(fù)性好和信噪比高等優(yōu)點，但是，由于支撐蛋白孔的磷脂雙層的不穩(wěn)定，使其使用壽命受到限制; 固態(tài)納米孔孔徑和孔型可控，環(huán)境耐受性強，易于實現(xiàn)孔表面的功能性組裝及標記與修飾，但可重復(fù)性和信噪比不及生物納米孔[6]。為了克服生物納米孔和固態(tài)納米孔各自的缺點， 并結(jié)合它們的優(yōu)點，研究者誘導(dǎo)生物納米孔在固態(tài)納米孔中自組裝制備雜化納米孔[7]，使其具有高穩(wěn)定性和可重復(fù)性; 另外DNA折紙技術(shù)的自組裝特性和納米級精確度也為雜化納米孔的構(gòu)建指明了方向[8]。

　　鑒于納米孔自身的特性及納米孔限域空間內(nèi)電學(xué)信號檢測精度對分析結(jié)果的影響[9]，采用光電聯(lián)合檢測方法可進一步提高檢測靈敏度和精確度。光電聯(lián)合檢測方法將光調(diào)控與電化學(xué)分析相結(jié)合，在納米器件表面或待測物分子上修飾光響應(yīng)分子， 獲得光誘導(dǎo)電信號[10，11]，從而進行待測物分析，或進行物質(zhì)傳輸?shù)萚12]。光調(diào)節(jié)是一種精確、簡單、可重復(fù)， 且光照時間、位置、強度都可調(diào)控的方法，有利于控制分子的運動和構(gòu)象的變化[13]。近年來有很多報道關(guān)于光響應(yīng)分子在納米孔檢測技術(shù)中的應(yīng)用，以完成納米孔自組裝[14]，實現(xiàn)離子選擇性傳輸[15]，控制納米孔開關(guān)狀態(tài)[16]，或者使待測物分子功能化[17，18]等。通過單一的光學(xué)檢測技術(shù)實現(xiàn)單分子檢測較為困難，因為目前光學(xué)傳感體積無法控制在單分子級別，新型的等離激元納米孔將等離激元和納米孔檢測兩種傳感模式相結(jié)合，同時提高了檢測精確度和信噪比[19]。本文將主要介紹偶氮苯及其衍生物[20]、螺吡喃[21]和二芳基乙烯[22]三類不同的光響應(yīng)分子的光響應(yīng)機制以及它們在光控納米孔器件中的應(yīng)用。

　　2 偶氮苯及其衍生物在光響應(yīng)體系中的應(yīng)用

　　偶氮苯及其衍生物是一種常用的光敏開關(guān)，紫外光下呈現(xiàn)為順式構(gòu)象(cis-azo)，切換可見光，則呈現(xiàn)為反式構(gòu)象(trans-azo)，且此過程可逆(圖1)。偶氮苯衍生物可以通過聚酰胺修飾在DNA雙鏈的小凹槽上[23]，平面的trans-azo與DNA堿基對之間通過π-π堆疊作用穩(wěn)定雙鏈，而cis-azo會使雙鏈DNA解鏈[24，25]。據(jù)此，研究者做了很多探索，如光調(diào)控生物分子在多通道納米器件上的自組裝[26]，以及適配體探針的修飾，不同光照條件下兩種不同結(jié)構(gòu)的適配體探針與目標物之間的親和力差異有助于闡釋適配體與目標物之間的相互作用，在靶向藥物傳遞和光動力治療中具有廣闊的應(yīng)用前景[27]。體外控制DNA的解鏈和雜交是DNA納米技術(shù)的重要步驟，可通過調(diào)節(jié)溫度實現(xiàn)，若利用光調(diào)控， 則需要使DNA序列功能化，而偶氮苯衍生物可與DNA序列發(fā)生非共價作用，憑借平面反式構(gòu)象穩(wěn)定DNA雙鏈，在紫外光和可見光的調(diào)控下實現(xiàn)DNA雙鏈可逆的解鏈與雜交[28]，在恒定溫度條件下， 可逆地控制DNA納米結(jié)構(gòu)的組裝與拆分，這有望成為光調(diào)控DNA納米技術(shù)的一種新方法。

　　環(huán)糊精(CD)和葫蘆脲(CB[n])可作為偶氮苯及其衍生物的主體分子[35，36]。生物系統(tǒng)中離子通道的開關(guān)狀態(tài)受配體、pH值及電位等因素的影響，對于體外實驗，單分子級別的人為調(diào)控對實驗條件要求較高，而在納米孔中引入光響應(yīng)分子有望實現(xiàn)這一目標，并且在納米陣列中亦有很大的應(yīng)用潛力。固態(tài)納米孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，易于進行表面功能化， 以優(yōu)化性能[37]。 Xie等[38]通過在聚酰亞胺(PI)納米孔表面修飾偶氮苯調(diào)控納米孔的開關(guān)狀態(tài)(圖2)，利用偶氮苯與β-環(huán)糊精(β-CD)的主客體反應(yīng)，改變納米孔表面的親疏水性，從而使納米孔在非導(dǎo)電和導(dǎo)電狀態(tài)之間切換。該系統(tǒng)不僅具有光響應(yīng)性，還具有電壓調(diào)控性，當(dāng)非導(dǎo)電納米孔兩側(cè)的電壓達到極限值(2.6 V)時，納米孔切換為導(dǎo)電狀態(tài)，該模型特有的光響應(yīng)性和電壓調(diào)控性有助于研究和操縱納米約束環(huán)境下的水行為。此外，納米孔器件的功能化常受到分子馬達的啟發(fā)，如在可見光作用下，細菌視紫紅質(zhì)質(zhì)子泵系統(tǒng)將質(zhì)子從細胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細胞外，完成跨膜運輸(圖3A)。Xie等[39]模擬該生物質(zhì)子泵設(shè)計了一個仿生光驅(qū)動大通量運輸系統(tǒng)(圖3B)，修飾有偶氮苯的PI納米孔經(jīng)光調(diào)控使表面親疏水性發(fā)生變化，處于納米孔限域空間的偶氮基團在可見光和紫外光的循環(huán)照射下，構(gòu)象連續(xù)反轉(zhuǎn)，將積累在通道中的分子排出，其疏水性只允許β-CD通過納米孔，所展現(xiàn)的高選擇性在藥物傳遞中有潛在的應(yīng)用價值。除了將偶氮苯修飾在納米孔表面外，Liu等[40]在PI納米孔內(nèi)修飾了β-CD，制備了基于主客體系的光調(diào)控納米流體二極管(圖4)，通過調(diào)節(jié)pH值實現(xiàn)高精度整流，具有不同表面性質(zhì)和狀態(tài)的納米通道為光敏納米流體器件和藥物傳輸與釋放提供了一個新的納米流體平臺。

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