用于新兴有害污染物检测的纳米孔电化学传感器

转自：Electrochimica Acta

论文信息：Ma W, Xie W, Fang S, et al. Nanopore electrochemical sensors for emerging hazardous pollutants detection[J]. Electrochimica Acta, 2024, 475: 143678.

论文链接：

www.journals.elsevier.com/electrochimica-acta.

研究背景

全球人口、工业化和集约化农业的快速增长加速了世界范围内的环境污染，对水生和陆生生物产生了急性到慢性的生态毒理学效应。此外，许多新出现的污染物，包括天然或合成化学品和微生物，逃脱了环境当局的管制监督。因此，环境中有害污染物的检测已成为当今时代一个紧迫的优先事项和重大的全球性问题。污染物可以根据来源和利用领域进行分类。以往的研究将污染物分为十类:个人护理化合物、非法药物、药物和兽药、生物毒素、工业化学品、水消毒副产物、纳米材料、病原体、消毒剂和杀菌剂以及食品添加剂。近三十年来，纳米孔电化学传感器因其高分辨率而被开发用于在单分子水平上检测各种新兴污染物，具有较高的灵敏度和特异性，对新兴有害污染物的控制具有重要意义。基于纳米孔技术的电化学检测方法主要分为电阻脉冲和整流传感两大类。

研究内容

电阻脉冲法的主要检测机制是基于被分析物通过纳米孔进入时产生的体积排斥效应，涉及三种主要检测策略。第一种方法涉及直接检测污染物的纳米孔技术，其中污染物的结构和浓度信息是根据纳米孔产生的离子电流的阻断强度、持续时间和频率来评估的。当直接检测污染物具有挑战性时，第二种策略依赖于弱分子间相互作用。分子探针与靶分子相互作用，提高检测灵敏度，实现特异性识别。第三种策略是以污染物分子的生物/化学反应为基础，通过间接检测方法实现对目标污染物分子的特异性检测。此外，依靠被分析物分子引起的表面电荷极性或纳米孔空间结构的变化来实现纳米孔内目标分子的检测。利用纳米孔独特的受限空间特性，结合生物识别技术和电化学反应原理，展示了纳米孔电化学传感技术在有害污染物高灵敏度检测中的应用研究进展。

图1描述了基于纳米孔的检测的实验设置，并提供了信号产生的示意图。纳米孔被制造在由衬底支撑的绝缘薄膜材料上，电解质填充在纳米孔两侧的两个隔室。纳米孔是离子和靶分子在顺式和反式腔间转移的唯一途径。在顺式(接地)和反式(活性)隔室上施加电压，使用连接到每个隔室的Ag/AgCl电极，促进离子通过膜内的纳米孔，从而产生稳定的离子电流。主要的测量技术包括电阻脉冲传感(RPS)和离子电流整流(ICR)。

图1 纳米孔检测的主要测量技术。(a)在纳米孔上施加恒定电压，电场驱动分析物通过纳米孔，由于离子进入纳米孔受阻，离子电流减小。(b)分析物与纳米孔壁的相互作用对表面电荷的调节导致纳米孔内离子流整流的变化。

三种不同的微囊藻毒素分子与纳米孔表现出不同的相互作用，MC-YR阻断约91.6%的离子电流，MC-RR阻断约81.6%，MC-LR阻断约70.1%。通过分析每种微囊藻毒素变体诱导的离子电流阻断信号，可以区分水溶液中共存的不同微囊藻毒素变体(图2a)。利用α-HL直接检测直径范围在微米内的细菌细胞，实现了两种不同革兰氏阴性菌(铜绿假单胞菌和大肠杆菌)的检测(图2b)。设计了具有低厚度-直径长宽比的固态纳米孔，允许基于其表面电荷特性区分单个病毒颗粒(图2c)。如图2d所示，由于软纳米级颗粒在通过纳米孔时具有明显的电变形，因此通过观察HIV-1病毒颗粒通过纳米孔时的电阻脉冲事件，成功地完成了不同成熟阶段病毒的区分。

图2 利用纳米孔电阻脉冲传感技术直接检测污染物。

在核酸分子探针中，适配体越来越多地应用于构建纳米孔传感器以实现特异性检测。在这方面有三种主要类型的传感器结构。第一种方法是通过检测有害污染物与其适配体分子发生反应前后的信号差异来分析污染物的浓度。例如，在违禁药物的检测中，提出了一种利用α-HL与DNA适配体联合检测可卡因的快速、高选择性方法(图3a)。第二种类型涉及修改纳米孔内的适体，并分析污染物存在时电流信号的变化，以确定污染物浓度。例如，将蓖麻毒素a链蛋白RNA适配体修饰在直径约为60 nm的锥形玻璃纳米孔内，用于检测含有100 nm蓖麻毒素a链蛋白的溶液(图3b)。第三种是一种使用微囊藻毒素适配体和金纳米颗粒(AuNPs)作为探针的高灵敏度MC-LR纳米孔检测策略(图3c)。

图3 核酸分子探针辅助电阻式脉冲传感。

多肽中的组氨酸和半胱氨酸残基对二价或三价金属离子具有很强的亲和力。因此，建立了一种检测Cu2+的随机纳米孔传感技术，采用含有多个组氨酸基团的肽作为螯合剂(图4a)。金属离子也可以通过在纳米孔内壁产生金属螯合位点来检测。利用突变体α-HL孔WT64H1同时检测Zn2+、Co2+和Cd2+(图4b)。此外，通过与蛋白质分子形成配合物，增加检测体积和电荷密度，可以提高检测小分子污染物的灵敏度。提出使用蛋白质作为载体，其中牛血清白蛋白(BSA)与小药物分子(布洛芬和磺胺甲恶唑)相互作用形成BSA-药物复合物，利用氮化硅纳米孔创建用于快速检测水介质中小药物的纳米传感器(图4c)。

图4 肽/蛋白探针辅助的电阻脉冲传感。

总结与展望

综上所述，纳米孔电化学传感技术在各种有害污染物的检测中得到了广泛的应用。这些污染物具有不同的物理和化学性质，尺寸范围从亚纳米到微米，包括金属离子、小化学分子、非法添加剂、生物毒素分子、病毒颗粒、致病菌等。在纳米孔传感系统中，要检测的分析物必须容易被孔捕获。具有适当大小和表面电荷的污染物可以通过检测方法直接调查。对于金属离子、小化学分子和生物分子的检测，通常需要探针辅助检测。显然，有害污染物的纳米孔传感策略主要集中在使用核酸分子作为辅助探针。利用涉及目标分子的生物/化学反应可以显著提高检测的选择性和灵敏度，可扩展到更广泛的有害污染物的检测。

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