Adv. Mater.：受蚊子嗅覺神經元啟發的一種由CO2驅動的人造離子開關

【引語】

2016年10月27日，Advanced Materials網站在線發表了題為"An Artificial CO₂-Driven Ionic Gate Inspired by Olfactory Sensory Neurons in Mosquitoes"的文章。該文章是由中科院理化所江雷院士研究團隊的聞利平研究員和西北工業大學的田威教授合作完成。文章第一作者是西北工業大學的尚筱萌以及中科院化學所的謝柑華二位同學。在這篇快訊（communication）文章中，研究人員報道了一種受嗅覺神經元啟發，利用CO₂驅動的離子開關，它是通過結合單錐形納米通道與對CO₂響應的分子APTE來實現的。

【成果簡介】

大氣中的二氧化碳是許多動物和昆蟲的最重要的感官線索之一。例如蚊子通過嗅覺神經元（OSNs）中具有氣味開關的離子通道來檢測CO₂，因此即便是在晚上也能定位和鎖定宿主。通過CO₂的結合，通道將被激活為開放狀態，產生動作電位，氣味信號被轉換為電信號。但是，具有優良功能的生物離子通道也存在著一系列的缺陷，如在外部環境中不穩定并且十分脆弱。因此，在非生命系統應用中仿生納米通道的制備十分關鍵。

到目前為止，一系列方法和技術已經在構建固態納米通道方面迅猛發展，如電子束技術，聚焦離子束刻蝕技術，陽極氧化工藝和徑跡刻蝕技術。這些納米通道受限制于響應外界刺激，因此納米通道的功能化成為一個不可或缺的過程。功能化的固相合成納米通道可以有效地對各種外部刺激進行響應，如pH、溫度、特定離子、配體、光、機械應力和電場，在很多領域內都具有潛在的應用，例如環境監測、生物傳感器、過濾，能量轉換系統，尤其是具有挑戰性的防污傳感器。雖然氣體驅動的納米通道在生物體中指導生物行為并起關鍵作用——蚊子通過CO₂定位宿主；果蠅和小鼠可以在CO₂濃度極低的情況下（分別為0.1%和0.066%），利用他們的嗅覺神經元檢測出CO₂而出現回避行為——但是這類氣體驅動的器件卻鮮有報道。在構建人工氣味開關離子通道來再現嗅覺神經元功能的研究中，研究人員已經付出了大量努力，但基于離子納米孔道的蛋白質十分脆弱，會阻礙離子開關的應用。因此，設計和構造具有高靈敏度和高選擇性的仿生CO₂驅動離子開關仍需要深入研究。

本文中研究人員報道了一種受嗅覺神經元啟發，利用CO₂驅動的離子開關，它是通過對單錐形納米通道修飾對CO₂響應的分子APTE來實現的。CO₂溶解在水中形成碳酸根離子，通過選擇性地與APTE結合，來觸發和調控離子開關。通過調節納米通道內壁的表面電荷和潤濕性，這種離子開關可以精確控制離子運輸，具有高達1250的超高開關比。

【圖文導讀】

圖1：仿嗅覺神經元的CO₂門控的離子納米通道示意圖

(a) 存在于蚊子嗅覺神經元中的一種由氣味控制開關的生物離子通道。蚊子利用這種離子通道與CO₂結合將化學刺激轉化成電信號來進行鎖定和定位宿主；

(b) 一種仿生型CO₂控制開關的納米通道。APTE分子被接枝在圓錐形納米通道內表面上。中性和疏水的APTE分子導致關閉狀態。通入CO₂后，內表面變成帶負電荷和親水性，離子開關呈現打開狀態。

圖2：CO₂門控的離子納米通道的離子運輸不對稱性質

(a) 納米單通道在0.1 M KCl電解液的電流-電壓(I-V)曲線，正方形和圓形表示利用APTE修飾之前，三角形和倒三角形表示修飾之后，正方形和三角形表示環境中沒有CO₂，圓圈和倒三角形表示存在CO₂；

(b) CO₂驅動的離子開關特性：修飾（灰色柱）和未修飾（黑色柱）的納米通道的開關比(Rg)。開關比是由?2 V電壓下CO₂存在和不存在時測量的離子電流計算得出的。

圖3：CO₂驅動開關的納米通道在0.1 M KCl中的選擇性

(a) 分別向利用APTE改性的納米單通道中通入N₂、Ar、O₂、H₂、CH₄、NH₃、SO₂、CO₂等氣體5 min，納米通道的I-V曲線；

(b) APTE修飾后的納米單通道分別在N₂、Ar、O₂、H₂、CH₄、NH₃、SO₂、CO₂等氣體的存在下的開關比。

圖4：由CO₂驅動的離子開關的時間依賴曲線

(a) 在CO₂通入不同時間下跨膜I-V曲線表現出了快速響應速率；

(b) 持續通入CO₂時開關比(Rg)的變化趨勢。

圖5：由CO₂驅動的離子開關的穩定性和響應性

APTE修飾的納米通道的可逆離子電流變化。這是在-2 V的恒定電壓下通入和去除CO₂交替測量的。

【小結】

研究人員受蚊子下顎須的嗅覺神經元功能的啟發，通過化學接枝技術將APTE修飾在納米通道孔壁上，成功地研制出了一種新型CO₂驅動的離子開關。基于表面電荷和潤濕性的改變，這種人工納米通道在CO₂存在和不存在的情況下在開-關之間轉換。超高的開關比例能夠達到1250，顯示出優良的開關性能。此外，APTE改性的納米通道具有穩定性和選擇性，可以很好地實現化學信號和電信號的切換，在與CO₂相關的傳感、開關、納米流控系統等領域中具有潛在的應用。

文獻鏈接：An Artificial CO₂-Driven Ionic Gate Inspired by Olfactory Sensory Neurons in Mosquitoes (Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201603884)

本文由材料人編輯部納米組Junhan Kong供稿，材料牛編輯整理。

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