基于外表面修饰的固态纳米通道用于生物标志物分析的研究进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230304

摘要/Abstract

摘要：

生物标志物，如离子、小分子、蛋白质、多糖、核酸和细胞，参与生物体的构建，在生命过程中发挥重要作用。准确检测这些生物标志物对于疾病研究、早期诊断、药物评估和人类健康监测具有重要意义。外表面功能化固态纳米通道在纳米通道的外表面进行修饰，消除了对靶标分子的限制，通过基于离子信号的变化，提升了检测的速度和灵敏度。本文从外表面修饰的固态纳米通道在生物标志物检测方面进行综述，简要介绍了固态纳米通道外表面功能化的方法，重点总结了外表面修饰的固态纳米通道在生物标志物分析上的研究进展，简要展望外表面修饰的固态纳米通道所面临的挑战与发展机遇。

关键词: 纳米通道, 外表面, 生物标志物

Abstract:

Biomarkers， such as ions， small molecules， proteins， polysaccharides， nucleic acids， and cells， are involved in the building of organisms and play an important role in the life process. Accurate detection of these biomarkers is of great significance for disease research， early diagnosis， drug evaluation， and human health monitoring. The solid-state nanochannel is modified by functionalizing the outer surface of the nanochannel， which eliminates the restriction on the target molecule and greatly improves the speed and sensitivity of detection by means of a change based on the ion signal. This paper reviews the detection principle of solid-state nanochannels with modified outer surface in biomarkers， summarizes the research progress of solid-state nanochannels modified on outer surfaces in biomarker analysis， and briefly looks forward to the challenges and development opportunities of solid-state nanochannels modified on outer surfaces.

Key words: Nanochannels, Outer surface, Biomarkers

中图分类号:

O654

袁丽珍, 林妮娅, 张云帆, 胡晶晶, 娄筱叮, 夏帆. 基于外表面修饰的固态纳米通道用于生物标志物分析的研究进展[J]. 应用化学, 2024, 41(1): 87-99.

Li-Zhen YUAN, Ni-Ya LIN, Yun-Fan ZHANG, Jing-Jing HU, Xiao-Ding LOU, Fan XIA. Development in Probes on Outer Surface of Nanochannels for Detecting Biomarkers[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2024, 41(1): 87-99.

图/表 9

图1 本综述内容概览

Fig.1 The content of this review

图2 （a） JNU-3@AAO的纳米流体传感器检测汞（Ⅱ）示意图［24］；（b）仿生固态纳米通道（DNA@IWHydrophilic+DNA@OSHydrophilic和DNA@IWHydrophilic+None@OSHydrophobic）传感目标的示意图［25］

Fig.2 （a） Schematic illustration of JNU-3@AAO-based nanofluidic sensor for the detection of Hg（Ⅱ）［24］；（b） Schematic diagram of bio-inspired solid-state nanochannels （DNA@IWHydrophilic+DNA@OSHydrophilic and DNA@IWHydrophilic+None@OSHydrophobic） sensing target［25］

图3 （a）用于检测CAP的AAs@AAO纳米通道设计示意图及检测结果的I-V曲线图［29］；（b）用于检测萘普生的Cu2-x Se/AAO纳米通道示意图［30］；（c）用于检测甲醛的CP/AAO固态纳米通道示意图［31］

Fig.3 （a） Schematic illustration of JNU-3@AAO-based nanofluidic sensor for the detection of Hg（Ⅱ） and I-V plot of the test results［29］；（b） Schematic diagram of Cu2-x Se/AAO nanochannels for the detection of naproxen［30］；（c） Schematic diagram of CP/AAO solid-state nanochannels for the detection of formaldehyde［31］

图4 （a）凝血酶识别检测原理示意图［34］；（b）基于Au-AAO离子通道检测MUC1的示意图［35］；（c）用于检测SARS-CoV-2的适配体功能化纳米通道示意图［36］

Fig.4 （a） Schematic diagram of the principle of thrombin recognition detection［34］；（b） Schematic illustration of the detection of MUC1 based on the Au-AAO ion channel［35］；（c） Schematic illustration of the aptamer-functionalized nanochannels for one-step detection of SARS-CoV-2［36］

图5 （a） PAA上的肽自组装用于动态监测仿生细胞/细胞质基质界面的MMP示意图［40］；（b）多肽探针功能化的固态纳米通道检测MMP-2的示意图［41］；（c）胰蛋白酶裂解胰蛋白酶-聚-L-赖氨酸反应实验程序示意图［42］

Fig.5 （a） Schematic diagram showing the peptide self-assembly on the block layer of PAA for dynamic monitoring of MMP activities at the biomimetic cell/ECM interface［40］；（b） Schematic of the solid-state nanochannel detection of MMP-2 by peptide probe functionalization［41］；（c） Schematic drawing of experimental procedures for the trypsin-PLL cleavage reaction［42］

图6 用于鉴定未折叠蛋白的外表面功能化纳米通道阵列的示意图［43］

Fig.6 Schematic representation of POS functionalized nanochannel array used to identify unfolded proteins［43］

图7 PAA膜表面改性检测多糖原理示意图［51］

Fig.7 Schematic diagram of the principle of PAA membrane surface modification detection of polysaccharides［51］

图8 （a）纳米通道-离子通道杂化物表面改性和检测miRNA示意图［54］；（b） DNA靶标通过T4多核苷酸激酶反应触发的RCA过程示意图［57］

Fig.8 （a） Illustration of surface modification and miRNA detection on the nanochannel-ionchannel hybrid［54］；（b） Schematic illustration of the RCA process triggered by DNA targets through the T4 polynucleotide kinase reaction illustration of surface modification and miRNA detection on the nanochannel-ionchannel hybrid［57］

图9 （a）纳米通道-离子通道杂化体上CTC捕获和释放过程的示意图［61］；（b） CTC捕获和释放过程的示意图以及DAN/AAO混合体的相应I-V曲线［62］

Fig.9 （a） Diagrammatical illustration of the CTCs capture and release process on the nanochannel-ion channel hybrid［61］；（b） Schematic demonstration of the CTCs capture and release processes and the corresponding I-V curves of the DAN/AAO hybrid［62］

参考文献 62

1	淳彩璞，王凌志，赵宏，等. 乳腺癌生物标志物研究新进展［J］. 兵团医学， 2023， 21（4）： 57-59.
	CHUN C P， WANG L Z， ZHAO H， et al. New progress of breast cancer biomarkers research［J］. J Bingtuan Med， 2023， 21（4）： 57-59.
2	CASTRO SESQUEN Y E， SARAF S L， GORDEUK V R， et al. Use of multiple urinary biomarkers for early detection of chronic kidney disease in sickle cell anemia patients［J］. Blood， 2020， 136（Supplement 1）： 30.
3	YAN B. Photofunctional MOF-based hybrid materials for the chemical sensing of biomarkers［J］. J Mater Chem C， 2019， 7（27）： 8155-8175.
4	XU D， XIAO H， WANG S， et al. Universal and sensitive drug assessment biosensing platform using optimal mechanical beating detection of single cardiomyocyte［J］. ACS Nano， 2022， 16（9）： 15484-15494.
5	MUNAWAR J， KHAN M S， SYEDA S E Z， et al. Metal-organic framework-based smart nanoplatforms for biosensing， drug delivery， and cancer theranostics［J］. Inorg Chem Commun， 2023， 147： 110145.
6	SHEN J， LI Y， GU H， et al. Recent development of sandwich assay based on the nanobiotechnologies for proteins， nucleic acids， small molecules， and ions［J］. Chem Rev， 2014， 114（15）： 7631-7677.
7	WANG H， WANG J， MA G， et al. TICT-based turn-on deep-red fluorescent probe for endoplasmic reticulum targeted detection of serum albumin in kidney diseases［J］. Chem Eng J， 2023， 464： 142551.
8	YU R J， MA W， LIU X Y， et al. Metal-linked immunosorbent assay （MeLISA）： the enzyme-free alternative to ELISA for biomarker detection in serum［J］. Theranostics， 2016， 6（10）： 1732.
9	YE H， YANG K， TAO J， et al. An enzyme-free signal amplification technique for ultrasensitive colorimetric assay of disease biomarkers［J］. ACS Nano， 2017， 11（2）： 2052-2059.
10	PARVIN R， ZHANG L， ZU Y， et al. Photothermal responsive digital polymerase chain reaction resolving exosomal micrornas expression in liver cancer［J］. Small， 2023： 2207672.
11	DAS S， DEVIREDDY R， GARTIA M R. Surface plasmon resonance （SPR） sensor for cancer biomarker detection［J］. Biosensors， 2023， 13（3）： 396.
12	SONG X T， YIN Y D， WU G R， et al. Nanopore-based metal ion detection and metal ion-mediated nanopore sensing［J］. Chin J Chem， 2023， 41（20）： 2746-2757.
13	HUANG Y， LIU L， LUO C， et al. Solid-state nanochannels for bio-marker analysis［J］. Chem Soc Rev， 2023， 52（18）： 6270-6293.
14	MA Q， SI Z， LI Y， et al. Functional solid-state nanochannels for biochemical sensing［J］. Trac-Trends Anal Chem， 2019， 115： 174-186.
15	FRIED J P， SWETT J L， NADAPPURAM B P， et al. In situ solid-state nanopore fabrication［J］. Chem Soc Rev， 2021， 50（8）： 4974-4992.
16	CAIRNS GIBSON D F， COCKROFT S L. Functionalised nanopores： chemical and biological modifications［J］. Chem Sci， 2022， 13（7）： 1869-1882.
17	MA Q， LI Y， WANG R， et al. Towards explicit regulating-ion-transport： nanochannels with only function-elements at outer-surface［J］. Nat Commun， 2021， 12（1）： 1573.
18	MA Q， LIU T， XU R， et al. Revealing the critical role of probe grafting density in nanometric confinement in ionic signal via an experimental and theoretical study［J］. Anal Chem， 2021， 93（4）： 1984-1990.
19	MA Q， WANG R， GAO P， et al. Revealing the role of surface wettability in ionic detection signals of nanofluidic-based chemical sensors［J］. Anal Chem， 2022， 94（47）： 16411-16417.
20	SI Z， XU H， LIN M， et al. Polydopamine-induced modification on the highly charged surface of asymmetric nanofluidics： a strategy for adjustable ion current rectification properties［J］. Anal Chem， 2022， 94（5）： 2493-2501.
21	WU X， LI Y， XU H， et al. Exponential increase in an ionic signal： a dominant role of the space charge effect on the outer surface of nanochannels［J］. Anal Chem， 2021， 93（40）： 13711-13718
22	MAO H， MA Q， XU H， et al. Exploring the contribution of charged species at the outer surface to the ion current signal of nanopores： a theoretical study［J］. Analyst， 2021， 146（16）： 5089-5094.
23	马群. 精准分区功能化纳米孔道构筑及其性能研究［D］. 武汉：中国地质大学， 2022.
	MA Q. Study of the construction and properties of precisely functional nanochannels with explicit spatial partition[D]. Wuhan: China University of Geosciences, 2022.
24	RAN X Q， QIAN H L， YAN X P. Integrating ordered two-dimensional covalent organic frameworks to solid-state nanofluidic channels for ultrafast and sensitive detection of mercury［J］. Anal Chem， 2022， 94（23）： 8533-8538.
25	LIU L， LUO C， ZHANG J， et al. Synergistic effect of bio-inspired nanochannels： hydrophilic dna probes at inner wall and hydrophobic coating at outer surface for highly sensitive detection［J］. Small， 2022， 18（37）： 2201925.
26	MA X， LI Y， ZHANG J， et al. Metal-organic framework-decorated nanochannel electrode： integration of internal nanoconfined space and outer surface for small-molecule sensing［J］. ACS Appl Mater Interfaces， 2023， 15（22）： 27034-27045.
27	LI X， ZHAI T， GAO P， et al. Role of outer surface probes for regulating ion gating of nanochannels［J］. Nat Commun， 2018， 9（1）： 40.
28	ROUSHANI M， RAHMATI Z， HOSEINI S J， et al. Impedimetric ultrasensitive detection of chloramphenicol based on aptamer MIP using a glassy carbon electrode modified by 3-ampy-RGO and silver nanoparticle［J］. Colloids Surf B-Biointerfaces， 2019， 183： 110451.
29	RAN X Q， QIAN H L， YAN X P. Aptamer self-assembly-functionalized nanochannels for sensitive and precise detection of chloramphenicol［J］. Anal Chem， 2021， 93（42）： 14287-14292.
30	MENG D， HAO C， CAI J， et al. Tailored chiral copper selenide nanochannels for ultrasensitive enantioselective recognition and detection［J］. Angew Chem Int Ed Engl， 2021， 60（47）： 24997-25004.
31	ZHANG D， ZHANG X. Aquaporin-inspired CPs/AAO nanochannels for the effective detection of HCHO： importance of a hydrophilic/hydrophobic Janus device for high-performance sensing［J］. Nano Lett， 2022， 22（9）： 3793-3800.
32	KIM M， JO H， JUNG G Y， et al. Molecular complementarity of proteomimetic materials for target-specific recognition and recognition-mediated complex functions［J］. Adv Mater， 2023， 35（22）： 2208309.
33	LI Y， TAM W W， YU Y， et al. The application of aptamer in biomarker discovery［J］. Biomark Res， 2023， 11（1）： 70.
34	ZHAO X P， ZHOU Y， ZHANG Q W， et al. Nanochannel-ion channel hybrid device for ultrasensitive monitoring of biomolecular recognition events［J］. Anal Chem， 2019， 91（1）： 1185-1193..
35	PAN M， CAI J， LI S， et al. Aptamer-gated ion channel for ultrasensitive mucin 1 detection［J］. Anal Chem， 2021， 93（11）： 4825-4831.
36	SHI L， WANG L， MA X， et al. Aptamer-functionalized nanochannels for one-step detection of SARS-CoV-2 in samples from COVID-19 patients［J］. Anal Chem， 2021， 93（49）： 16646-16654.
37	BHAGWAT S R， HAJELA K， KUMAR A. Proteolysis to identify protease substrates： cleave to decipher［J］. Proteomics， 2018， 18（13）： 1800011.
38	SINGH A. Nanopore-detectable reporter proteins［J］. Nat Methods， 2021， 18（10）： 1149.
39	SHI L， KUANG D， MA X， et al. Peptide assembled in a nano-confined space as a molecular rectifier for the availability of ionic current modulation［J］.Nano Lett， 2022， 22（3）： 1083-1090.
40	WANG L， LI H， SHI L， et al. In situ peptide self-assembly on ionic nanochannel for dynamic monitoring of MMPs in extracellular matrix［J］. Biosens Bioelectron， 2022， 195： 113671.
41	HU J J， JIANG W， QIAO Y， et al. Enzyme regulating the wettability of the outer surface of nanochannels［J］. ACS Nano， 2023， 17（12）： 11935-11945.
42	DUAN C， ALIBAKHSHI M A， KIM D K， et al. Label-free electrical detection of enzymatic reactions in nanochannels［J］. ACS Nano， 2016， 10（8）： 7476-7484.
43	QIAO Y， HU J J， HU Y， et al. Detection of unfolded cellular proteins using nanochannel arrays with probe-functionalized outer surfaces［J］. Angew Chem Int Ed Engl， 2023， 62（43）： e202309671.
44	PIPERIGKOU Z， MOHR B， KARAMANOS N， et al. Shed proteoglycans in tumor stroma［J］. Cell Tissue Res， 2016， 365（3）： 643-655.
45	MAGALHÃES A， DUARTE H O， REIS C A. Aberrant glycosylation in cancer： a novel molecular mechanism controlling metastasis［J］. Cancer Cell， 2017， 31（6）： 733-735.
46	LIU X， MCNALLY D J， NOTHAFT H， et al. Mass spectrometry-based glycomics strategy for exploring n-linked glycosylation in eukaryotes and bacteria［J］. Anal Chem， 2006， 78（17）： 6081-6087.
47	NISHIKAZE T， KANESHIRO K， KAWABATA S I， et al. Structural analysis of N-glycans by the glycan-labeling method using 3-aminoquinoline-based liquid matrix in negative-ion MALDI-MS［J］. Anal Chem， 2012， 84（21）： 9453-9461.
48	PARK S， SUNG J W， SHIN I. Fluorescent glycan derivatives： their use for natural glycan microarrays［J］. ACS Chem Biol， 2009， 4（9）： 699-701.
49	LIM S H， MUSTO C J， PARK E， et al. A colorimetric sensor array for detection and identification of sugars［J］. Org Lett， 2008， 10（20）： 4405-4408.
50	CHEN X， HE Y， ZHANG Y， et al. Ultrasensitive detection of cancer cells and glycan expression profiling based on a multivalent recognition and alkaline phosphatase-responsive electrogenerated chemiluminescence biosensor［J］. Nanoscale， 2014， 6（19）： 11196-11203.
51	LIU F F， ZHAO X P， LIAO X W， et al. Ultrasensitive and label-free detection of cell surface glycan using nanochannel-ionchannel hybrid coupled with electrochemical detector［J］.Anal Chem， 2020， 92（7）： 5509-5516.
52	ARENZ C. MicroRNAs-future drug targets？［J］. Angew Chem Int Ed Engl， 2006， 45（31）： 5048-5050.
53	LEE J M， CHO H， JUNG Y. Fabrication of a structure-specific RNA binder for array detection of label-free microRNA［J］. Angew Chem Int Ed Engl， 2010， 49（46）： 8662-8665.
54	ZHAO X P， LIU F F， HU W C， et al. Biomimetic nanochannel-ionchannel hybrid for ultrasensitive and label-free detection of microRNA in cells［J］. Anal Chem， 2019， 91（5）： 3582-3589.
55	PARK J S， PISANIC T， ZHANG Y， et al. Ligation-enabled fluorescence-coding PCR for high-dimensional fluorescence-based nucleic acid detection［J］. Anal Chem， 2021， 93（4）： 2351-2358.
56	ALI M M， LI F， ZHANG Z， et al. Rolling circle amplification： a versatile tool for chemical biology， materials science and medicine［J］. Chem Soc Rev， 2014， 43（10）： 3324-3341.
57	WU X， CHE C， WANG X， et al. Ionic signal enhancement by the space charge effect through the DNA rolling circle amplification on the outer surface of nanochannels［J］. Anal Chem， 2021， 93（48）： 16043-16050.
58	YOON H J， KOZMINSKY M， NAGRATH S. Emerging role of nanomaterials in circulating tumor cell isolation and analysis［J］. ACS Nano， 2014， 8（3）： 1995-2017.
59	LIN E， CAO T， NAGRATH S， et al. Circulating tumor cells： diagnostic and therapeutic applications［J］. Annu Rev Biomed Eng， 2018， 20（1）： 329-352.
60	MOCELLIN S， KEILHOLZ U， ROSSI C R， et al. Circulating tumor cells： the ‘leukemic phase’ of solid cancers［J］. Trends Mol Med， 2006， 12（3）： 130-139.
61	CAO J， ZHAO X P， YOUNIS M R， et al. Ultrasensitive capture， detection， and release of circulating tumor cells using a nanochannel-ion channel hybrid coupled with electrochemical detection technique‍［J］. Anal Chem， 2017， 89（20）： 10957-10964.
62	WANG C， ZHAO X P， LIU F F， et al. Dendrimer-Au nanoparticle network covered alumina membrane for ion rectification and enhanced bioanalysis［J］. Nano Lett， 2020， 20（3）： 1846-1854.

[1]	覃晓丽,王茗涵,董逸帆,邵元华. 电化学发光生物传感技术在快速检测心肌梗死标志物中的研究进展[J]. 应用化学, 2018, 35(9): 1107-1112.
[2]	徐松秀, 王寅宁, 丛远华, 蒋诗平, 李良彬. 静电纺丝法制备三维聚二甲基硅氧烷纳米通道[J]. 应用化学, 2012, 29(01): 23-28.
[3]	陈培榕, 邢志, 王志杰, 廖志勤, 黄第藩. 利用光谱、质谱和色谱研究中国辽河油田西斜坡原油卟啉生物标志物的特征[J]. 应用化学, 1998, 0(3): 70-72.