在生物体内广泛存在着一系列由钙离子调控的生命过程[1~5], 例如神经系统的运转, 肌肉收缩, 神经递质的释放, 以及细胞增殖等等.这些生命过程由细胞膜内的生命离子通道蛋白直接调控, 钙离子通过影响他们来发挥作用.在这些通道蛋白中, 存在着基本结构型的或是可分离型的钙离子响应性亚单元[6], 例如钙调蛋白, 它们由多肽片组成, 提供钙离子配体.钙离子与其形成配合物后, 离子通道中的蛋白构型的变化使离子流被阻断, 离子电流降低, 从而实现离子通道的门控特性[7~9].受自然原理的启发, 许多研究者将具有钙离子结合位点的材料应用于人工离子通道中[10~12], 设计并构建了各种人工智能钙离子响应的通道[9, 13, 14].与生物体中磷脂双分子层中的生物离子通道相比, 人工离子通道的机械强度及功能属性更适用于各种外界刺激环境及人工设备中[15]. Vilozny等[13]研究了蛋白质修饰的石英微管对钙离子的响应现象, Siwy等[10, 16]开发了由径迹刻蚀法制备的具有单纳米锥孔的PET薄膜, 并报道了有钙离子引发的电压门控, 负向电阻增值及离子电流震荡现象.然而这些研究采用单纳米孔道, 产生离子电流较小, 很容易受到噪音信号的影响[17, 18].一种能降低噪音信号的改进办法是采用多孔纳米通道薄膜, 因为多孔薄膜在实现同样的离子输运性质的前提下, 多孔纳米通道薄膜的离子通透面积高于单孔纳米通道, 可以实现更高的离子透过性和较低的离子电流扰动, 离子电流更大, 可以排除噪音的干扰.但目前, 多孔薄膜还没有广泛应用于仿生纳米门控器件领域[19~25].基于此, 我们课题组对基于多孔薄膜制备的仿生门控特性展开了研究[26~30].
我们应用非对称结构多孔人工纳米通道, 在人工通道内进行化学修饰.并对修饰后的人工离子通道对离子输运性能的影响进行了深入研究.在这个工作中, 我们采用对聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, 简称PET)多孔锥形纳米通道进行修饰.修饰了功能分子O-磷酸基L-络氨酸(O-Phospho-L-tyrosine, 简写为OPLT), 从而设计并实现了对pH和钙离子的协同控制的人工纳米门控器件, 并研究其离子输运性能.此体系中, pH和钙离子协同通过控制着人工纳米通道中表面电荷属性, 来控制人工纳米通道中离子输运性质, 从而实现了纳米流体体系对多种信号协同响应的功能.
在这篇文章中, 我们在PET多孔膜的纳米通道中修饰了OPLT, OPLT作为生命活性物质具有很好的生物相容性, 它具有功能性基团:一个氨基, 一个羧基和一个磷酸根基团.将羧基基团固定到纳米孔道内壁, 其中磷酸根作为配位基, 在一定条件下, 可以与钙离子形成螯合物. OPLT在不同pH下所带电荷性质不同, 影响了孔道内壁表面电荷的性质和电荷密度, 从而控制离子电流的方向及离子输运性能, 形成了离子门控体系(图 1).同时, OPLT分子还受pH和钙离子的共同影响, 在不同的pH条件下, 对钙离子的响应性不同, 从而实现了pH和钙离子的协同响应的功能特性.
图1 pH与钙离子协同响应的纳米门控器件. OPLT修饰的纳米通道在不同pH下, 通道内壁所带电荷性质不同, 并且在pH 9条件下, 可以与钙离子形成螯合物
Figure 1. The scheme of the pH and calcium cooperative regulation nanofluidic device. The surface charges change with the variation of pH value. At pH 9, the calcium can bond with OPLT in nanochannels
本实验中采用径迹刻蚀法制备PET人工非对称多孔纳米通道[31, 32]. 图 2为锥形多孔纳米通道的大孔端的扫描电镜图, 大孔端直径约为450 nm, 孔密度为1×108/cm2.
图2 PET锥形纳米通道大孔端扫描电镜(SEM)图, 锥形纳米通道的大孔端孔径约为450 nm
Figure 2. The SEM image of conical nanopores base in PET membrane. The diameter of the channel base is ca. 450 nm
这篇文章中, 为证明OPLT在PET薄膜上的成功修饰, 我们还使用了X射线光电子能谱(XPS)来测试修饰OPLT前后的PET纳米通道薄膜材料.通过XPS的测试分析, 获得纳米通道PET薄膜的表面及通道内部含有的元素含量, 图 3展示了修饰OPLT前后PET薄膜的XPS谱.修饰OPLT前PET膜表面的XPS谱图, 如图 4a中显示, 285 eV出现C1s峰, 532 eV处出现O1s峰, 此现象说明未经过修饰的PET薄膜仅含有C, O两种元素.而经过化学修饰后, 图 4b中XPS能谱图中仍然出现明显的C1s及O1s峰, 并且在400 eV处还出现了一个明显的峰, 此峰为N1s峰, 及134 eV处有P2p峰, 这说明经过OPLT化学修饰的PET薄膜, 所含元素发生明显变化, 这说明OPLT成功修饰固定在PET薄膜表面及通道内部.
图4 OPLT纳米通道修饰前(a)及修饰后(b)的XPS谱图.未修饰OPLT的PET膜不含有N及P元素, 故图(a)中只出现了C(1s)和O(1s)峰. OPLT的化学修饰引入了N及P元素, 修饰后的XPS谱图(b)中出现了N1s和P2p峰.小图为修饰OPLT后, N1s和P2p峰图
Figure 4. Flow chart for the XPS before (a) and after (b) OPLT modification. The existence of N1s and P2p peak in OPLT modified PET nanochannel membrane. Inset are N1s and P2p peak in OPLT-modified PET membranes
人工纳米通道内的带电离子跨膜运动与通道表面电荷产生静电作用, 使得电流-电压(I-V)曲线测试可以作为纳米通道离子输运性能的表征手段.因此我们可以测试pH为7时, 在0.1 mol/L KCl溶液中纳米通道的I-V曲线, 以表征OPLT在孔道内壁的成功修饰. 图 3是OPLT化学修饰前后纳米通道的I-V曲线图.从图中可以看出, 中性条件下(pH约为7), 未修饰的纳米通道内由于表面的羧酸根基团(-COO-)的存在而带有负电荷, 优先吸附与通道内壁电荷相反的阳离子, 具有阳离子选择性.在纳米通道内壁表面负电荷及非对称锥形纳米通道结构的作用下, 阳离子优先从纳米通道的小孔端流向大孔端, 而阴离子的运动受阻, 从而电流和电压(I-V)曲线呈现非对称曲线(黑色方块曲线), 表现出类似于二极管的离子电流整流特性.在这篇文章中, 我们用离子电流的整流比来计算纳米通道中纳流体二极管特征, 即整流特性.此处, 我们将整流比定义为:电压为定值时, 负偏压下电流记录值绝对值与正偏压下电流记录值绝对值之比[34].未修饰OPLT的纳米通道整流比约为2.65. OPLT分子修饰到纳米通道上后, 通道内壁羧基(COO-)被带有正电荷(NH3+)与负电荷(HPO4-)的OPLT分子取代, 通道内壁电荷整体上接近中性, 此时I-V曲线为接近直线的线性图, 整流比接近1(红色圆曲线), 纳米通道几乎没有呈现整流特性.通过电流电压(I-V)曲线及离子电流整流变化, 可知OPLT分子在锥形纳米通道内壁上的成功修饰.
通过化学径迹刻蚀法获得非对称多孔锥形人工纳米通道.由于化学刻蚀的作用, 孔道内壁的羧基(COOH)被去质子化, 形成羧基阴离子基团(COO-).这使得多孔纳米通道具有修饰功能分子在通道内壁上的功能.通道内壁上的羧基通过1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(1-ethyl-3-(3-dimethyl aminopropyl) carbodiimide hydrochloride, EDC)的活化下, 可以与乙二胺分子在孔道内通过共价连接的方式进行化学反应[33].通道内的羧基与乙醇溶液中的乙二胺发生反应.随后乙二胺中的氨基又与OPLT分子中的羧基成键, 从而实现在PET纳米通道内修饰功能分子OPLT.
图3 OPLT在纳米通道中的修饰过程.在pH7环境中, OPLT修饰前后的I-V曲线变化, 从整流变为线性的非整流特征.通道内功能分子及表面电荷的变化, 从带一个负电荷的羧基到带负电荷的磷酸根及带正电荷的氨基
Figure 3. Flow chart for the fabrication of OPLT-modified nanochannels. At pH 7, The I-V curves turn from rectification to non-rectification after OPLT modification. The molecule on the surface turn from carboxyl (COO-) to amino ( NH3+) and phosphonic groups ( HPO4-)
在此纳米通道内修饰OPLT后, OPLT与通道内的羧基连接, OPLT中的氨基(NH3+)及磷酸根(HPO42-)取代了通道内部本来的表面由于径迹刻蚀而去质子化后的带电基团羧基(COO-), 从而改变了纳米通道内壁的表面电荷性质.此时, 通道内壁修饰的OPLT的氨基和磷酸根的带电情况还受到溶液中的pH影响.这样在实验中, 通过改变溶液中的pH值可以控制离子通道中离子的输运性能. 图 5是PET纳米通道修饰OPLT分子前后, 通道内壁的表面电荷随pH值变化而变化的示意图及电流电压曲线(I-V)的变化. 图 5a是经过径迹刻蚀后的PET纳米通道内的羧基基团由于去质子化, 锥形孔表面带负电, 修饰OPLT后, 通道内壁表面由氨基及磷酸根组成.在pH为5时, 氨基质子化后变为(NH3+)使通道内壁呈正电性, 磷酸根获得质子(H2PO4)显电中性, 从整体上看通道内壁带正电荷, 呈现阳离子选择性.此时在正偏压下, 即V＞0时, 离子通道呈“开”态, 离子电流大; 在负偏压下, 即V＜0时, 离子通道呈“关”态, 离子电流小, 呈现正偏压时电流值大于等绝对值时负偏压下的电流值, 电流从修饰前的-2 V时的-84.6 nA, +2 V时的47.6 nA, 修饰后电流在-2 V时为-44.8 nA, +2 V时为102.83 nA.也展现出离子整流特性的存在, 整流方向由通道内壁的表面电荷决定, pH5时, 由于通道内壁电荷由负电荷变为正电荷, 纳米通道由阳离子选择性变为阴离子选择性, 并且修饰前后整流方向转变. 图 3中展示pH为7的条件下修饰OPLT前后的电流电压(I-V)曲线及通道内表面电荷属性.修饰前通道内壁为羧基而带负电荷.修饰OPLT后, 纳米通道表面OPLT的氨基(NH3+)成正电性, 而磷酸得到一个电子变为HPO4-基团而带负电荷, 此时纳米通道内呈电中性, 没有表现出对阴离子或是阳离子的离子选择性及整流特性, I-V曲线呈现趋近于直线的线性关系.电流值从修饰前的-2 V时-470.1 nA和2 V时176.9 nA, 修饰后为-2 V时-138.5 nA和2 V时81.9 nA. 图 5b为溶液pH为9时, 修饰OPLT前后的I-V曲线图.修饰前通道内壁为负电性, 修饰OPLT后, 通道内的氨基失去质子变为NH2, 显电中性, 磷酸根离子失去两个质子而带负电荷(PO42-), 此时通道内壁带负电, 具有阳离子选择输运性.此时表现出负偏压时为开态, 而正偏压时为关态, 与pH为5时的离子选择输运性及离子整流性质相反.并且电流值由-2 V时-796.8 nA和2 V时254.5 nA, 到修饰后的-2 V时-324.7 nA和2 V时的92.6 nA.可见通过控制环境中pH值, 修饰OPLT的人工纳米通道体系表现出不同的离子选择输运特性, 即pH5时阴离子选择性及pH9时的阳离子选择性, 并且表现出不同整流方向的离子电流整流特性及离子门控特性.
此非对称锥形纳米通道内表面所带电荷与离子的整流特性, 离子的输运性能, 及离子的选择性有关.离子通道中离子整流效应的方向由通道内壁表面电荷的符号所决定.根据通道内表面静电相互作用的原理, 通道内壁表面为负电性的纳米通道, 排斥通入通道内的同性阴离子而选择异性的阳离子通过通道; 同理, 通道内壁为正电性的纳米通道表现为排斥同性阳离子而允许异性阴离子通过纳米通道.在此过程中电荷的改变控制了纳米通道中的离子输运性能.纳米通道体系中的离子选择特性则表现为纳米通道体系允许特定分子, 离子通过.
图5 pH分别为5 (a)、9 (b)时, OPLT修饰前与修饰后的纳米通道的I-V曲线图, 及修饰OPLT后, 通道内分子结构及表面电荷性质示意图
Figure 5. The I-V curves of OPLT-modified nanochanels and surface charge properties at pH5 (a), pH9 (b)
由此, 从而得到在高pH条件时, OPLT修饰的纳米通道展现钙离子响应的功能特性. 图 7b为不同钙离子浓度下, I-V曲线图表现出的离子电流大小随着钙离子增大而减小的变化. 10 μmol/L Ca2+的溶液时, 钙离子与OPLT分子中的磷酸根络合, 电流减小; 100 μmol/L Ca2+的溶液时, 钙离子与磷酸根络合比例增大, 电流再次减小; 当钙离子浓度达到1000 μmol/L Ca2+时, 钙离子与磷酸根络合达到饱和状态, 通道内壁电荷表现为中性, 通道由电导状态变为非电导状态, 离子电流降低, I-V曲线表现为没有整流特性的线性关系.
人工纳米门控器件的可逆性也是非常重要的.此纳米通道体系对Ca2+络合和释放是可逆的, 纳米通道体系有无钙离子的离子电流值展示其可逆特征.即环境为pH9时, 将含有1000 μmol/L Ca2+, 0.1 mol/L KCl溶液加入到纳米通道体系中, 测试离子电流.后将溶液移除体系, 用超纯水冲洗, 再将0.1 mol/L KCl溶液加入到纳米通道中, 再测试离子电流, 5次循环过程后, 记录电压为-2 V时的电流值.如图 7a为纳米通道体系中有无钙离子条件下, -2 V时的离子电流值.说明OPLT修饰的纳米通道中磷酸根离子与钙离子络合过程具有可逆性.
图8 OPLT修饰的纳米通道体系加入Ca2+, Zn2+, Fe3+, Mg2+后的离子门控率
Figure 8. Ion gating ratios of OPLT-modified nanochannels after adding Ca2+, Zn2+, Fe3+, Mg2+ in 0.1 mol/L KCl solution (pH=9)
图 6是pH5、7、9时, 加入钙离子前后, 电流电压(I-V)曲线的示意图. 图 6a中, 在溶液中pH为5时, 溶液中未加入钙离子(c=1 mmol/L Ca2+)前, 由于氨基质子化后成正电性, 通道内壁带正电荷, 呈现阳离子选择性, 及整流特性, 而加入钙离子后, I-V曲线仍然没有明显变化, 由于此时磷酸根被质子化后变现为-H2PO4属性, 此时不与钙离子络合. 图 6b中, 在环境pH为7, 溶液中未加入钙离子(c=1 mmol/L Ca2+)时, I-V曲线呈现趋近于直线的线性关系, 由于纳米通道内壁呈电中性, 没有表现出对阴离子或是阳离子的选择性及整流特性, 而加入钙离子后, I-V曲线中的电流值未见明显变化, 这是由于此时磷酸根变为HPO4-, 未与钙离子络合. 图 6c中, 在环境pH为9, 溶液中未加入钙离子(c=1 mmol/L Ca2+)时, OPLT分子中的磷酸根离子失去两个质子而带负电荷(PO42-)使纳米通道的内壁带负电, 此时具有阳离子选择性.整流比约为3.5.而在溶液中加入钙离子后, OPLT分子中的磷酸根离子(PO42-)与钙离子络合[9], 使通道内壁呈现电中性, 未表现出离子选择性, 并且通道内壁几乎无表面电荷, 纳米通道从电导状态转变为非电导状态, 所以I-V曲线图中出现电流降低, 没有整流特性的线性关系, 整流比约为1.
研究表明, 包括人类在内的生物体系中钙离子作为连接点触发各种生物物理化学过程, 即使是在其浓度低于其他离子时.在碱土金属离子的刺激下, 生物液层具有表面识别功能由于其内部形成水溶液通道, 表现出门控性.大部分由钙离子控制的生物离子通道, 都是基于钙离子与离子通道中的蛋白质连接使蛋白质构型变化, 产生离子门控开关状态, 钙离子的存在使原本保持关态的离子通道打开, 离子输运性能增大, 从而产生门控特性.
图7 (a)电压-2 V时, 在加入钙离子及未加入钙离子时的离子电流及钙离子与磷酸络合示意图; (b)在不同钙离子浓度下, OPLT修饰的纳米通道的I-V曲线图
Figure 7. (a) Ionic currents measured at -2 V upon reversible binding and unbinding of Ca2+ (1 mmol/L Ca2+) with the phosphonic acid groups of the OPLT-modified nanochannels for five cycles; (b) I-V curves of the OPLT-modified pore at different Ca2+ concentrations in 0.1 mol/L KCl solution (pH=9)
受到生物钙离子控制的离子通道的启发, 我们研究了钙离子对OPLT修饰的纳米通道的离子输运性能的影响.钙离子是非常有效的磷酸固定剂, 因此在多种仿生纳米体系中钙离子作为化学触发剂来固定磷酸根.在实验中, 为测试钙离子对OPLT修饰的纳米通道的门控性能的影响, 我们测试溶液中有无钙离子时的电流电压(I-V)曲线, 图 6展示了不同pH条件下, 由于通道内壁表面电荷的变化, 钙离子对修饰OPLT的纳米通道的离子通道的输运性能的影响.
图6 pH分别为5 (a)、7 (b)、9 (c)时, OPLT修饰的纳米通道加入钙离子前与后的I-V曲线图, 及pH9 (d)时的通道内磷酸根离子与钙离子络合的示意图
Figure 6. The I-V curves of OPLT-modified nanochanels before and after adding Ca2+ to solution at pH 5 (a), 7 (b), 9 (c). The scheme of phosphonic acid groups bonding with Ca2+ (d)
为证明OPLT修饰的纳米通道对Ca2+具有专一的响应特性, 我们选择了浓度为1000 μmol/L Mg2+, Zn2+, Fe3+的0.1 mol/L KCl溶液分别加入到OPLT修饰的纳米通道中, 此时纳米通道体系中环境保持在pH 9.0. 图 8所示纳米通道体系中分别加入包含Ca2+, Mg2+, Zn2+, Fe3+的电解质溶液的纳米通道体系的离子门控率.离子门控率的计算方法为电压为-2 V时, 加入响应性离子到纳米通道体系之前的所测电流值与加入之后的所测电流值之比.加入Mg2+, Zn2+, Fe3+的纳米通道体系的离子电流门控率分别为1.02, 1.11, 1.06.而向纳米通道体系中加入包含1000 μmol/L Ca2+, 0.1 mol/L KCl电解质溶液, 离子电流门控率为3.53.这是因为这几种离子与OPLT的配位能力较弱, 而Ca2+与OPLT的配位能力很强.此现象说明此纳米门控器件具有钙离子的专一响应特性.
在这个工作中, 我们设计了一个仿生pH与钙离子协同响应的人工纳米通道器件. pH较小时, 酸性条件使OPLT分子中氨基(NH3+)被质子化, 纳米通道内壁表现为正电性, 纳米门控器件具有阴离子选择特性; pH中性条件下的纳米门控器件未出现离子选择性; pH较大时, 碱性条件下, 由于OPLT分子中磷酸被去质子化变为PO42-, 纳米通道内壁为负电性, 纳米门控器件表现出有阳离子选择性. OPLT修饰的纳米通道展现出了pH响应的门控体系. pH值较大时由于磷酸根离子失去两个质子而带负电荷(PO42-), 可以与钙离子络合, 形成钙离子响应的特性.而pH值为中性及酸性条件下, OPLT修饰的纳米通道并没有表现出钙离子响应的特性, 从而我们设计的纳米门控体系实现了此门控器件对pH和钙离子协同响应的性质.此仿生门控功能器件实现了协同信号的智能响应功能, 从而实现了多种信号同时对人工纳米通道离子输运性能的调控, 是对仿生离子通道中多价离子的固定和离子的传输功能的进一步的探索.
多孔聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(简称PET薄膜)通过重粒子轰击后, 得到均匀分布的柱形纳米通道, 又通过离子潜径迹刻蚀的方法制备成锥形纳米通道.具有柱形纳米通道的PET薄膜, 由德国重离子研究院提供, 厚度为23 μm.离子潜径迹刻蚀分为两步完成:第一步, 分别用紫外灯照射PET薄膜两侧; 第二步, PET薄膜被控制在反应容器中间, 在反应器两侧(图S1, 支持信息中)分别加入刻蚀液(9 mol/L NaOH)和阻止液(1 mol/L KCl及1 mol/L HCOOH), 保持溶液中温度为40 ℃; 通道两侧施加直流电压为1 V, 直至电流明显增大, 表明多孔锥形纳米通道刻蚀已经成功, 此时将通道两侧溶液均换成阻止液, 直至电流稳定后刻蚀结束.刻蚀后, 用超纯水冲洗及浸泡PET薄膜, 静置浸泡PET薄膜在水溶液中.
人工纳米通道通过两步化学修饰OPLT, 将PET薄膜浸泡在五氟苯酚(Pentafluorophenol, PFP, 60 mg•mL-1)和乙基二甲基胺丙基碳化二亚胺(1-ethyl-3-(3-dimethyl aminopropyl) carbodiimide hydrochloride, EDC, 15 mg•mL-1)溶液中, 浸泡时间为3 h, 温度保持在25 ℃.超纯水清洗PET薄膜后, 将其置于包含乙二胺(ethylenediamine anhydrous, EDA, 4 mg•mL-1)的醇溶液中, 浸泡3 h.超纯水清洗PET薄膜后, 将其浸泡在包含O-磷酸基L-络氨酸(O-Phospho-L-tyrosine, OPLT, 4 mg•mL-1), EDC及PFP的溶液中, 时间为3 h.修饰反应后, 将PET薄膜用超纯水冲洗, 并经N2吹干.
在这个实验中, 我们使用Keithley 6487皮安计(Keithley Instrument, Cleveland, OH)测量OPLT修饰前后的纳米通道的电流及电压值.将多孔PET纳米通道薄膜固定在反应容器中间.实验中的电极材料为Pt电极, 选用0.1 mol/L KCl溶液作为电解液[35].测试过程中, 选择从-2到2 V的电压, 输出方式为扫场输出, 周期为40 s.所有电化学测试中均重复5次, 后求得同一电压下电流记录值的平均值.
Clapham, D. E. Cell 2007, 131, 1047. doi: 10.1016/j.cell.2007.11.028
Matulef, K.; Zagotta, W. N. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2003, 19, 23. doi: 10.1146/annurev.cellbio.19.110701.154854
Liao, J.; Li, H.; Zeng, W. Z.; Sauer, D. B.; Belmares, R.; Jiang, Y. X. Science 2012, 335, 686. doi: 10.1126/science.1215759
Berridge, M. J.; Bootman, M. D.; Roderick, H. L. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2003, 4, 517.
Methfessel, C.; Boheim, G. Biophys. Struct. Mech. 1982, 9, 35. doi: 10.1007/BF00536014
Saimi, Y.; Kung, C. Annu. Rev. Physiol. 2002, 64, 289. doi: 10.1146/annurev.physiol.64.100301.111649
Eismann, E.; Muller, F.; Heinemann, S. H.; Kaupp, U. B. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1994, 91, 1109. doi: 10.1073/pnas.91.3.1109
McNally, B.; Somasundaram, A.; Yamashita, M.; Prakriya, M. Nature 2012, 482, 241.
Ali, M.; Nasir, S.; Ramirez, P.; Cervera, J.; Mafe, S.; Ensinger, W. ACS Nano 2012, 6, 9247. doi: 10.1021/nn303669g
Siwy, Z. S.; Powell, M. R.; Petrov, A.; Kalman, E.; Trautmann, C.; Eisenberg, R. S. Nano Lett. 2006, 6, 1729. doi: 10.1021/nl061114x
Deniaud, A.; Rossi, C.; Berquand, A.; Homand, J.; Campagna, S.; Knoll, W.; Brenner, C.; Chopineau, J. Langmuir 2007, 23, 3898. doi: 10.1021/la063105+
Siwy, Z. S.; Powell, M. R.; Kalman, E.; Astumian, R. D.; Eisenberg, R. S. Nano Lett. 2006, 6, 473. doi: 10.1021/nl0524290
Vilozny, B.; Actis, P.; Seger, R. A.; Vallmajo-Martin, Q.; Pourmand, N. Anal. Chem. 2011, 83, 6121. doi: 10.1021/ac201322v
He, Y.; Gillespie, D.; Boda, D.; Vlassiouk, I.; Eisenberg, R.; Siwy, Z. S. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 5194. doi: 10.1021/ja808717u
García-Gimenez, E.; Alcaraz, A.; Aguilella, V. M.; Ramírez, P. J. Membr. Sci. 2009, 331, 137. doi: 10.1016/j.memsci.2009.01.026
Powell, M. R.; Sullivan, M.; Vlassiouk, I.; Constantin, D.; Sudre, O.; Martens, C. C.; Eisenberg, R. S.; Siwy, Z. S. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 51. doi: 10.1038/nnano.2007.420
Hou, X.; Guo, W.; Jiang, L. Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 2385. doi: 10.1039/c0cs00053a
Regonda, S.; Tian, R.; Gao, J.; Greene, S.; Ding, J.; Hu, W. Biosens. Bioelectron. 2013, 45, 245. doi: 10.1016/j.bios.2013.01.027
(田野, 江雷, 中国科学:化学, 2011, 54, 603.)Tian, Y.; Jiang, L. Sci. China Chem. 2011, 54, 603.
Xiao, K.; Xie, G. H.; Li, P.; Liu, Q.; Hou, G. L.; Zhang, Z.; Ma, J.; Tian, Y.; Wen, L. P.; Jiang, L. Adv. Mater. 2014, 26, 6560. doi: 10.1002/adma.v26.38
Hou, X.; Guo, W.; Nie, F. Q.; Dong, H.; Tian, Y.; Wen, L. P.; Wang, L.; Cao, L. X.; Yang, Y.; Xue, J. M.; Song, Y. L.; Wang, Y. G.; Liu, D. S.; Jiang, L. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 7800. doi: 10.1021/ja901574c
Xie, G. H.; Xiao, K.; Zhang, Z.; Kong, X. Y.; Liu, Q.; Li, P.; Wen, L. P.; Jiang, L. Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 54, 13664.
Gao, J.; Guo, W.; Feng, D.; Wang, H. T.; Zhao, D. Y.; Jiang, L. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 12265. doi: 10.1021/ja503692z
(候旭, 江雷, 物理, 2011, 40, 304.)Hou, X.; Jiang, L. Physics 2011, 40, 304.
(郭维, 江雷, 中国科学:化学, 2011, 41, 1257.) doi: 10.1360/032011-186Guo, W.; Jiang, L. Sci. Sin. Chim. 2011, 41, 1257. doi: 10.1360/032011-186
(周迪, 孟哲一, 张明辉, 翟锦, 化学学报, 2015, 73, 716.) doi: 10.6023/A15030217Zhou, D.; Meng, Z. Y.; Zhang, M. H.; Zhai, J. Acta Chim. Sinica 2015, 73, 716. doi: 10.6023/A15030217
Meng, Z. Y.; Bao, H.; Wang, J. T.; Jiang, C. D.; Zhang, M. H.; Zhai, J.; Jiang, L. Adv. Mater. 2014, 26, 2329. doi: 10.1002/adma.v26.15
Xu, Y. L.; Sui, X.; Guan, S.; Zhai, J.; Gao, L. C. Adv. Mater. 2015, 27, 1851. doi: 10.1002/adma.v27.11
Xu, Y. L.; Zhang, M. H.; Tian, T.; Shang, Y.; Meng, Z. Y.; Jiang, J. Q.; Zhai, J.; Wang, Y. NPG Asia Mater. 2015, 7, e215. doi: 10.1038/am.2015.98
Zhang, W. J.; Meng, Z. Y.; Zhai, J.; Heng, L. P. Chem. Commun. 2014, 50, 3552. doi: 10.1039/c3cc47999d
Apel, P. Y.; Korchev, Y. E.; Siwy, Z.; Spohr, R.; Yoshida, M. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B 2001, 184, 337. doi: 10.1016/S0168-583X(01)00722-4
Siwy, Z.; Fulinski, A. Phys. Rev. Lett. 2002, 89, 198103. doi: 10.1103/PhysRevLett.89.198103
Hou, X.; Zhang, H. C.; Jiang, L. Angew. Chem., Int. Ed. 2012, 51, 5296.
Siwy, Z. S. Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 735. doi: 10.1002/(ISSN)1616-3028
Hou, X.; Dong, H.; Zhu, D. B.; Jiang, L. Small 2010, 6, 361. doi: 10.1002/smll.v6:3
图 1 pH与钙离子协同响应的纳米门控器件. OPLT修饰的纳米通道在不同pH下, 通道内壁所带电荷性质不同, 并且在pH 9条件下, 可以与钙离子形成螯合物
Figure 1 The scheme of the pH and calcium cooperative regulation nanofluidic device. The surface charges change with the variation of pH value. At pH 9, the calcium can bond with OPLT in nanochannels
图 2 PET锥形纳米通道大孔端扫描电镜(SEM)图, 锥形纳米通道的大孔端孔径约为450 nm
Figure 2 The SEM image of conical nanopores base in PET membrane. The diameter of the channel base is ca. 450 nm
图 3 OPLT在纳米通道中的修饰过程.在pH7环境中, OPLT修饰前后的I-V曲线变化, 从整流变为线性的非整流特征.通道内功能分子及表面电荷的变化, 从带一个负电荷的羧基到带负电荷的磷酸根及带正电荷的氨基
Figure 3 Flow chart for the fabrication of OPLT-modified nanochannels. At pH 7, The I-V curves turn from rectification to non-rectification after OPLT modification. The molecule on the surface turn from carboxyl (COO-) to amino ( NH3+) and phosphonic groups ( HPO4-)
图 4 OPLT纳米通道修饰前(a)及修饰后(b)的XPS谱图.未修饰OPLT的PET膜不含有N及P元素, 故图(a)中只出现了C(1s)和O(1s)峰. OPLT的化学修饰引入了N及P元素, 修饰后的XPS谱图(b)中出现了N1s和P2p峰.小图为修饰OPLT后, N1s和P2p峰图
Figure 4 Flow chart for the XPS before (a) and after (b) OPLT modification. The existence of N1s and P2p peak in OPLT modified PET nanochannel membrane. Inset are N1s and P2p peak in OPLT-modified PET membranes
图 5 pH分别为5 (a)、9 (b)时, OPLT修饰前与修饰后的纳米通道的I-V曲线图, 及修饰OPLT后, 通道内分子结构及表面电荷性质示意图
Figure 5 The I-V curves of OPLT-modified nanochanels and surface charge properties at pH5 (a), pH9 (b)
图 6 pH分别为5 (a)、7 (b)、9 (c)时, OPLT修饰的纳米通道加入钙离子前与后的I-V曲线图, 及pH9 (d)时的通道内磷酸根离子与钙离子络合的示意图
Figure 6 The I-V curves of OPLT-modified nanochanels before and after adding Ca2+ to solution at pH 5 (a), 7 (b), 9 (c). The scheme of phosphonic acid groups bonding with Ca2+ (d)
图 7 (a)电压-2 V时, 在加入钙离子及未加入钙离子时的离子电流及钙离子与磷酸络合示意图; (b)在不同钙离子浓度下, OPLT修饰的纳米通道的I-V曲线图
Figure 7 (a) Ionic currents measured at -2 V upon reversible binding and unbinding of Ca2+ (1 mmol/L Ca2+) with the phosphonic acid groups of the OPLT-modified nanochannels for five cycles; (b) I-V curves of the OPLT-modified pore at different Ca2+ concentrations in 0.1 mol/L KCl solution (pH=9)
扫一扫看文章
扫一扫关注我们
下载:
下载: