中國地質大學（武漢）夏帆教授Nat. Commun.：離子傳輸調控：僅外表面有功能分子的納米孔道

功能化納米孔道作為生物孔道的仿生產物，通過“空間限域”效應，實現了對離子傳輸人為調控，在測序、傳感、分子篩分、納流器件、納米電化學和能量轉化等諸多領域得到廣泛關注。在納米孔道中，實現離子傳輸的精準調控對理解細胞膜離子通道中跨膜輸運機制，了解納米尺度下物質輸運基本規律，開發新穎的生化傳感器以及高效的能量轉換器件都具有十分重要的意義。近日，中國地質大學（武漢）夏帆教授團隊通過對納米孔道外表面進行功能化，發展了外表面功能分子獨立調控離子傳輸的新機制。

在前期工作中，由于納米孔道的“空間限域”效應，處于納米限域空間的孔道的內表面得到廣泛關注。但由于空間限域，多數測試技術無法精準檢測孔道內表面的物理化學性質，孔道內表面功能分子物理化學性質難以表征，其對離子輸運的調控機制尚不明確，這極大限制了納米孔道的應用。

針對上述問題，夏帆教授團隊在前期納米孔道精準結構分區的基礎上，基于外表面更易修飾和表征的優勢，采用減小孔徑、特異性化學反應策略，實現了僅外表面功能分子修飾的納米孔道構筑。通過建立外表面功能分子物理化學性質的精準表征方法，系統研究了外表面功能分子對納米孔道內離子傳輸的調控機制。將實際測試所得的外表面功能分子物理化學參數帶入經典的流體方程，獲得的離子信號與實驗結果高度吻合，證明了外表面表面電勢分布是影響離子傳輸的核心參數。在此基礎上，探索了外表面功能分子對納米孔道鹽差能轉換性能和生化傳感性能的影響。發現外表面功能分子在不增加納米孔道系統內阻的前提下，可以有效提高納米孔道的離子選擇性以及輸出功率；基于外表面功能分子作為探針，可以不受空間尺度限制，實現從離子到細胞不同尺度靶標的高靈敏特異性檢測。

近年來，夏帆教授團隊聚焦納米孔道外表面功能化及離子調控機制研究，至今已在《NATURE COMMUNICATIONS》發表三篇系列文章。系列文章對納米孔道外表面功能分子對離子調控機制研究經歷了三個階段：（1）外表面功能分子協同增強、內表面功能分子離子調控^[1];（2）外表面功能分子抗干擾、內表面功能分子離子調控^[2];（3）脫離內表面功能分子、外表面功能分子獨立離子調控^[3]。在納米孔道研究聚焦于“空間限域”孔道內表面的同時，開拓了“宏觀環境”下孔道外表面離子調控的新研究方向，闡明了限域空間下物質傳輸新機制、構筑了可精準功能化和表征的新界面、提供了適用于更多場景、更高效的新應用。

[1]?Xinchun Li, Fan Xia*. Nat. Commun. 2018, 9, 40. Distinct functional elements for outer-surface?anti-interference and inner-wall ion gating?of nanochannels. https://doi.org/10.1038/s41467-017-02447-7

[2]?Pengcheng Gao#, Qun Ma#, Fan Xia*. Nat. Commun. 2018, 9, 4557. Distinct functional elements for outer-surface?anti-interference and inner-wall ion gating?of nanochannels. https://doi.org/10.1038/s41467-018-06873-z

[3]?Qun Ma, Pengcheng Gao*, Fan Xia*.?Nat. Commun. 2021, 12, 1573. Towards explicit regulating-ion-transport: nanochannels with only function-elements at outer-surface. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21507-7

夏帆教授簡介

夏帆，中國地質大學（武漢）材料與化學學院，教授，院長，國家基金委杰青，國務院特殊津貼專家，科技部青年973首席科學家。夏帆教授致力于化學與生物傳感技術研究，在納米孔道檢測器件與功能化分子探針的設計傳感方面開展了系統的研究工作。迄今為止，夏帆發表SCI論文150余篇（影響因子大于10的45篇）。SCI他引9000余次，H因子49。其中，他引次數超過100的論文15篇。以通訊作者/第一作者身份發表論文，包括：1篇Chem.?Rev.;?1篇Chem.?Soc.?Rev.;?1篇Acc.?Chem.?Res.; 1篇Chem; 3篇Nat.?Commun.; 3篇Nat.?Protoc.; 1篇Proc.?Natl.?Acad.?Sci.?U.S.A.; 6篇J.?Am.?Chem.?Soc.; 3篇Angew.?Chem.?Int.?Ed.; 12篇Anal.?Chem.; 6篇Adv.?Mater.; 2篇Adv.?Funct.?Mater.; 2篇Nano?Lett; 3篇Small等。主持國家自然科學基金委員會重大項目1項，青年973課題1項，獲得國家杰出青年科學基金資助，并先后主持國家自然科學基金委面上項目2項，參與科技部國家重點研發計劃1項。

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