武大袁荃Chem. Soc. Rev.重磅: 分析科学中介孔材料结构-性能关系的新见解！

【引言】

介孔材料是指孔径在2-50 nm的多孔材料，独特的介孔结构赋予了介孔材料特殊的性质，包括比表面积大，孔径可调和优异的孔连通性等，被广泛用于分析化学、催化、能源等领域。大量介孔材料分析检测应用相关研究表明，通过调控介孔材料的结构性质可以改善分析检测方法的性能，例如增加介孔材料比表面积可以提供丰富的活性位点，从而增加分析物和活性位点之间接触的可能性以产生更强的检测信号，从而实现检测灵敏度的提高。理解“结构-性能关系”对于开发基于介孔材料具有优异性能的分析检测方法非常重要。在这篇综述中，作者总结了孔径、孔形状、比表面积、孔体积、表面物理化学性质等结构性质在提高分析方法的(1)选择性、(2)灵敏度、(3)响应时间、(4)稳定性和(5)再生时间所起的重要作用，并讨论了介孔材料结构特性与这些重要分析性能之间的联系。本文有望为基于介孔材料的分析方法的设计提供潜在的指导。

综述导览图

【成果速递】

近日，袁荃教授（通讯作者）和博士研究生王杰、马覃勤和王颖倩（共同第一作者）等在国际顶级综合性期刊Chem. Soc. Rev.上发表了文章：“New insights into the structure–performance relationships of mesoporous materials in analytical science”。本综述讨论了基于介孔材料的分析方法的分析性能与介孔材料的结构特征之间的关系，包括(1)选择性相关结构特征，(2)灵敏度相关的结构特征，(3)响应时间相关的结构性征，(4)稳定性相关结构性质，和(5)再生时间相关的结构性质。本综述中讨论的“结构-性能关系”可能为未来分析科学的发展提供潜在的指导。

图一. 本文作者，从左到右依次为 王杰、马覃勤、王颖倩和袁荃 。

【介孔材料及其发展】

介孔材料是指一类特殊的多孔材料，其孔径大小为2-50nm。由于这样大小的介孔与很多物质的尺寸(从小分子到蛋白质)很好地匹配，介孔材料成为了客体分子的优异载体。介孔能够提供独特的纳米限域效应，可以显着改变客体分子的局部环境，这使得许多在体相中不能完成的反应可以在介孔中完成。自从20世纪90年代日本和美孚科学家首次报道介孔材料的合成，介孔材料的研究引起了人们的广泛关注。近年来，已经发展出很多种介孔材料的合成方法来获得具有不同孔结构、组成和形貌的介孔材料。介孔材料广泛应用于传感、癌症治疗、组织工程、催化、离子电池和太阳能电池等领域。

介孔材料应用到分析科学中，显着提高了许多现有分析方法的性能，并且发展出了许多新的分析检测方法。介孔材料拥有许多迷人的结构特征，如比表面积大，孔径、孔形状可调，孔连通性可调以及材料表面容易功能化。许多研究证明，通过合理地调整介孔材料的结构性质可以显着改善分析检测方法的性能。例如，具有大比表面积的介孔材料能够提供丰富的活性位点，可以增加分析物和活性位点之间的接触几率，从而增强检测信号，实现检测灵敏度的提高。具有大孔体积的介孔材料可以装载大量的信号分子，在信号放大分析检测方法中有非常好的应用前景。具有大且相互连通介孔的介孔材料可促进分析物在材料内部的扩散，从而增加分析物与内部活性位点的碰撞结合几率并缩短响应时间。这些独特的结构性质使介孔材料广泛应用于分析检测。通过合理调控介孔材料的结构，可以实现具有高灵敏度、高选择性、快速响应和良好稳定性的分析检测系统。在过去的几十年中，科学家们已经开发出多种多样的具有迷人结构特征的介孔材料，并且设计了基于这些介孔材料的分析方法，应用于环境监测、疾病诊断等领域。

图二. 介孔材料结构与分析方法性能密切相关。

【选择性相关的结构特性】

选择性是检测探针区分待测物与样品中其他干扰物质的能力。西欧实验室认可合作组织（WELAC）将选择性定义为在复杂样品基质中，在不受其他背景物质干扰的情况下能够检测到分析物的程度。实现选择性的基本原则是构建能够区分分析物和背景物质之间不同特征的识别亚基。在分子水平上，分析物可以显示出许多不同于背景物质的特征，例如大小、形状、亲水性/疏水性和电荷。在过去的几十年中，介孔材料被广泛用于分析检测中，来区分这些不同的特性并实现了良好的选择性。本节将从孔径、孔形状、表面理化性质这几个方面来讨论分析方法选择性与介孔材料的结构特性之间的关系。介孔材料允许尺寸小于孔径的分子富集到材料内部，而大尺寸的干扰物质无法进入孔道，从而实现良好的尺寸选择性。介孔材料具有大的比表面积，通过分子印记方法在孔壁上生成大量的结合腔，与结合腔形状匹配的分析物可以特异性地结合到印迹介孔材料上，从而实现很好的形状选择性。介孔材料拥有大的比表面积，能够在其表面修饰很多具有识别功能的化学分子或生物分子，从而实现靶向选择性。

图三. 介孔材料对不同大小分子的尺寸选择性。

图四. 人血浆的MALDI-TOF MS分析。

（a）没有使用和（b）使用MCM-41介孔二氧化硅预处理人血浆的MALDI-TOF MS分析（MW范围为1-15kDa）。（c）没有使用和（d）使用MCM-41介孔二氧化硅预处理人血浆的MALDI-TOF MS分析（MW范围为10-100kDa）。（e）介孔碳材料富集血清内源肽的示意图。（f）没有或经过US/SPE、MCM-41和OMC预处理的人血清内源肽的MALDI-TOF MS分析。

图五. 介印迹介孔材料的形状选择性。

图六. 印迹介孔材料的形状选择性。

（a）BPA印迹MSN的示意图。（b）BPA，4,40-联苯酚，己烯雌酚（DES）和氢醌（HQ）对印迹MSN和非印迹MSN的猝灭常数。（c）基于磷酸盐印迹MSN富集的磷酸化多肽MALDI-TOF MS分析示意图。（d）使用印迹MSN富集之前（黑线）和之后（蓝线）的胰蛋白酶消化的β-酪蛋白的MALDI-TOF MS分析。 （e）使用印迹MSN富集之前（黑线）和之后（蓝线）的胰蛋白酶消化的β-酪蛋白和BSA（1：100，w / w）混合物的MALDI-TOF MS分析。 +和＃分别代表磷酸化多肽和去磷酸化多肽。

图七. 孔材料的表面功能化修饰各种靶向识别分子。

图八. 门控介孔传感系统（a）''开→关''和（b）''关→开''原理。

图九.  基于表面修饰有机分子的门控传感策略。

（a）基于介孔二氧化硅“开→关”门控策略检测CH₃Hg⁺的示意图。（b）不存在（虚线）和存在（实线）CH₃Hg⁺情况下含有门控介孔材料溶液的吸光度。（c）基于芘衍生物做为门控分子的介孔传感系统检测硝基芳族化合物的示意图。（d）加入硝基芳族和非芳族衍生物后门控介孔材料的荧光强度。（e）基于超分子门控+酶封装的介孔二氧化硅纳米传感系统示意图。（f）不同化合物存在下，门控介孔二氧化硅传感体系的荧光强度的改变。

图十. 材基于表面修饰核酸分子的门控传感策略。

（a）基于DNA作为门控分子的介孔二氧化硅传感系统检测单链寡核苷酸的示意图。（b）互补寡核苷酸链、具有一个或两个碱基错配的寡核苷酸链存在下的门控介孔传感系统的荧光强度。（c）基于核酸适体作为门控分子的介孔二氧化硅传感系统检测Hg²⁺的示意图。（d）不同金属离子存在下门控介孔探针的荧光响应。（e）基于DNAzyme作为门控分子的介孔二氧化硅传感系统检测Mg²⁺的示意图。（f）不同的阳离子存在下门控介孔传感系统的荧光强度。

图十一. 基于表面修饰多肽和抗体分子的门控传感策略。

（a）基于抗体作为门控分子的介孔二氧化硅传感系统检测磺胺噻唑的示意图。（b）不同化合物存在下门控介孔二氧化硅传感系统对染料的释放。（c）基于Fmoc-CGGC-SS作为门控分子的介孔二氧化硅传感系统检测谷胱甘肽。（d）基于Fmoc-CGGC-Zn作为门控分子的介孔二氧化硅传感系统检测Zn²⁺。

图十二. 基于表面修饰纳米材料的门控传感策略。

（a）基于纳米颗粒作为门控分子的介孔二氧化硅传感体系检测ATP的示意图。 不存在（b）和存在（c）ATP的情况下，门控介孔二氧化硅的TEM图。（d）ATP，CTP，GTP和UTP存在下门控介孔二氧化硅释放出荧光素的荧光强度。

图十三. 孔道表面修饰的探针与待测物结合产生“OFF-ON”信号变化的分析策略。

（a）基于超分子ATP受体功能化介孔二氧化硅检测ATP的示意图。（b）加入不同浓度ATP后，超分子受体功能化介孔二氧化硅和超分子受体功能化商业硅基质的荧光强度。（c）用Hg2+非环状受体功能化的介孔二氧化硅检测Hg2+的示意图。（d）不同种类的金属离子存在情况下非环状受体功能化介孔二氧化硅的颜色。

图十四. 分析物置换出信号分子的分析策略。

（a）基于置换分析策略的介孔传感系统检测阴离子的示意图。（b）不同羧酸盐存在下介孔传感系统的吸收光谱。（c）基于置换分析策略的印记介孔二氧化硅传感系统检测糖类的示意图。（d）不同糖对印迹介孔二氧化硅和非印迹介孔二氧化硅猝灭常数。

【灵敏度相关的结构性能】

灵敏度定义为由分析物浓度改变引起的信号强度变化的程度，包括光信号、磁信号、电信号等。对于高灵敏度的分析方法，痕量分析物就足以触发强响应信号。大量研究工作表明将介孔材料应用于分析方法中，通过优化介孔材料的结构性质可以提高分析方法的灵敏度。例如，具有大孔体积的介孔材料很适合用于装载大量信号分子，少量分析物可触发释放出大量的信号分子，产生强烈的信号响应，从而实现灵敏度的提高。介孔材料比表面积大，可以提供丰富的表面活性位点，增加分析物与活性位点之间的碰撞结合几率产生高强度的检测信号，从而实现高灵敏分析检测。在本节中，将讨论与分析方法灵敏度相关的介孔材料的结构特性，包括孔容量和比表面积。

图十五. 基于介孔材料的门控信号放大策略。

 图十六. 荧光分子作为信号分子的门控信号放大策略。

（a）门控介孔探针用于检测细胞内端粒酶活性。（b）门控介孔探针与端粒酶孵育不同时间后的荧光强度。（c）门控介孔探针与细胞提取物（A）或与掺有端粒酶的细胞提取物（B）孵育后的荧光强度。（d）HeLa细胞与门控介孔探针孵育不同时间的共聚焦图像。（e）双响应荧光染料Rhod-SP担载的介孔探针检测溶酶体中Cu2+的示意图。（f）pH = 5.0，不同浓度Cu²⁺存在下介孔探针的荧光光谱。（g）CuCl₂处理后的HeLa细胞与介孔探针孵育后的共聚焦图片。

图十七. 葡萄糖分子作为信号分子的门控信号放大策略。

（a）装载葡萄糖的MSN与PGM结合用于分析应用的示意图。（b）ATP缺失和（c）ATP存在下的MSN-AuNP的TEM图。（d）不同浓度ATP存在情况下介孔传感系统的PGM信号强度。（e）介孔传感系统对ATP、CTP、GTP和UTP的响应。

 图十八.  酶作为信号分子的信号放大策略。

（a）GCE、HMS-GCE、Hb-GCE和Hb / HMS-GCE的循环伏安图（PBS，0.1M，pH = 7.0）。 （b）向PBS缓冲液（5.0 mL，0.1M）中连续加入5mL H2O2（0.2 mM）后，HMS-GCE、Hb-GCE和Hb / HMS-GCE的电流响应。（c）在PBS缓冲液（5.0 mL，0.1M）中连续加入5mL NaNO2（0.4 mM）后HMS-GCE和Hb / HMS-GCE的电流响应。（d）区别于传统ELISA，DMSN-H ELISA的信号放大示意图。（e）在TMB/H2O2底物存在下DMSN-H和游离HRP响应信号。（f）传统ELISA和DMSN-H ELISA的对不同浓度胰岛素的响应。

图十八. 与无孔材料（右图）相比，介孔材料（左图）可以提供丰富的表面活性位点，提高与待测物的结合几率。

 图二十. 大比表面积高灵敏荧光介孔传感系统。

（a）固定荧光探针介孔化学传感器检测Cu2+的示意图。（b）不同金属离子存在下介孔传感器的荧光光谱。（c）不同金属离子存在下介孔传感器的照片和荧光图片。（d）TNT印迹M-MIPs @CDs介孔传感器的制备示意图。

图二十一.  大比表面积高灵敏电化学介孔传感系统。

介孔大孔 SnO2传感器和传统SnO2传感器对（a）乙醇、（b）苯和（c）甲苯的实时响应。（d）介孔大孔SnO2传感器对不同浓度的目标气体分子的响应。（e）介孔Pt电极的示意图。（f）光滑Pt电极和介孔Pt电极对葡萄糖、AA和AP的响应。（g）在PBS（0.1M，pH = 7.4）中，TiO2/Nafion/GCE、GOx/Nafion/GCE和GOx/1DHS TiO2/Nafion/GCE的循环伏安图。（h）不同浓度葡萄糖存在下，GOx/1DHS TiO2/Nafion/GCE的阴极循环伏安曲线。

图二十二. 大比表面积微重量分析介孔传感系统。

（a）HFIP修饰SBA-15介孔QCM传感器用于TNT检测的示意图。（b）加入浓度为45 ppt，90 ppt和135 ppt的TNT时QCM传感器的响应。（c）QCM传感器对不同种类化学气体分子的响应。（d）介孔QCM系统的示意图。（e）介孔QCM传感系统对不同浓度CH3CH2OH的响应。（f）改变CH3CH2OH和CH3CHO的混合比率，介孔QCM传感系统的频率变化。

 【响应时间相关的结构属性】

响应时间是传感器对分析物从一个浓度变化到另一个浓度做出响应所需的时间。 基于介孔材料的分析检测系统中，具有大比表面积的介孔材料提供丰富的活性位点，可以显着增加分析物与活性位点结合的可能性，因此可以缩短响应时间。此外，在任何传感检测原理下，分析物都必须扩散到介孔中以到达活性位点。也就是说，介孔传感器的响应时间也受到介孔中分析物扩散的影响。大量研究表明，具有大孔径和良好通道连通性的多孔材料有利于分子扩散，从而确保快速响应。 因此，介孔材料的比表面积、孔径和孔道连通性都会影响基于介孔材料的传感系统的响应时间。

图二十三. 与无孔材料（左下图）相比，介孔材料（左上图）可以提供丰富的表面活性位点，增加材料与待测物的碰撞结合几率从而缩短响应时间（右图）。

图二十四. 大比表面积介孔传感系统有利于缩短响应时间。

（a）基于KIT-6和SBA-15的介孔WO3的N2吸脱附曲线。（b）不同浓度NO2存在下，KIT-6和SBA-15 WO3的响应。（c）具有丰富活性位点的介孔碳材料的制备示意图。（d）PEO117-b-PS198介孔碳传感器对不同浓度NH3的响应和恢复曲线。

图二十五. 分析物在大孔径（左图）和小孔径（右图）介孔材料中的扩散。

图二十六. 具有大孔径的多孔传感系统有利于缩短响应时间。

（a）布洛芬在MCM-41、mSBA-3和mSBA-3多孔二氧化硅上的吸附等温线。（b）MCM-41、mSBA-3和mSBA-3多孔二氧化硅的布洛芬的释放曲线。注：MCM-41a是老化的MCM-41。MCM-41和MCM-41a表现出非常相似的释放行为。（c）介孔WO₃传感器对不同浓度H2S的响应和恢复曲线。（d）介孔WO₃传感器对浓度为50ppm H₂S的响应和恢复曲线。（e）介孔ZnO传感器和非介孔ZnO传感器对不同浓度乙醇气体的响应和恢复曲线。（f）介孔ZnO传感器和非介孔ZnO传感器对浓度为50ppm的乙醇的响应和恢复曲线。

 图二十七. 待测物分子在孔道相互连通的介孔材料（左图）和孔道不连通孔的介孔材料（右图）中的扩散示意图。

 图二十八. 具有良好通道连通性的多孔传感系统有利于缩短响应时间

（a）2D-Hex、3D-hex和3D cubic Pm3n介孔二氧化硅薄膜的结构特征和孔隙率。 在含有0.5 mM （b）Ru(bpy₃)²⁺或（c）FcMeOH的邻苯二甲酸氢盐溶液中，覆盖不同介孔二氧化硅薄膜的ITO电极的循环伏安曲线。

【稳定性相关的结构特性】

基于纳米材料的传感器通常需要将信号分子或识别分子固定在纳米材料的外表面上，修饰在外表面的分子将不可避免地从表面分离或扩散，从而引起检测信号的波动。而基于介孔材料的传感器，介孔结构可以将信号分子或识别分子装载到介孔中或固定在孔的内表面上，为信号分子或识别分子提供一个保护环境，可以有效减小外界环境对功能结合位点和信号传导基团的影响，从而极大地增强信号稳定性并消除了假阳性信号。

图二十九. 与无孔材料（右图）相比，介孔结构（左图）可以为检测反应提供保护性的微环境。

图三十. 基于介孔材料的传感系统有利于提高体系的稳定性。

（a）添加铜离子之前（左）和之后（右）BRh-Si4的颜色变化照片。（b）R6G，Cu²⁺螯合的BRhPMOs，Cu²⁺螯合的BRh-Si4和Fe³⁺螯合的BRhPMOs的光稳定性。（c）固定过氧化氢酶的MS-16，SBA-15和BMS介孔二氧化硅颜色变化的照片。（d）游离过氧化氢酶，过氧化氢酶-BMS颗粒，三层PDDA / SiNP包裹的过氧化氢酶-BMS颗粒，四层PDDA / PSS包裹的过氧化氢酶-BMS颗粒，三层PDDA / SiNP和四层PAH / PSS包裹的过氧化氢酶-BMS颗粒在蛋白酶存在下稳定性。

【再生时间相关的结构属性】

良好的可重复使用性可以显着降低传感系统的成本，因此可重复使用性对于传感系统的实际应用非常重要。再生时间是指将分析物浓度降低到零时响应信号恢复到初始值所需的时间。介孔材料独特的结构特性有助于缩短基于介孔材料的传感系统的再生时间，提高其可重复使用性。基于介孔材料的传感系统的再生涉及分析物的分离和分析物从介孔传感系统向溶液或空气的扩散。由于介孔材料的尺寸和孔道连通性这两种结构性质显著影响分析物的扩散，因而与响应时间相似，基于介孔材料的传感系统的再生时间与介孔材料的尺寸和孔道连通性密切相关。研究证明大的孔径和良好的孔道连通性都可以促进分析物的向外扩散，从而缩短再生时间。

 图三十一. 数据示意图。

（a）介孔碳C-FDU-15传感器对不同浓度NH₃的响应和恢复曲线。（b）介孔碳-PEO117-b-PS97对不同浓度NH₃的响应和恢复曲线。（c）介孔传感器对不同重金属离子的颜色变化。（d）传感器与不同离子分析物的络合-再生循环再现性。

【总结与展望】

在过去的几十年中，介孔材料在分析检测中的应用取得了令人瞩目的进展。在探索介孔材料的分析应用中，许多研究表明可以通过合理地调控介孔材料的结构特性来提高分析方法的性能。理解“结构-性能关系”对于开发基于介孔材料的优异性能的分析方法非常重要。这篇综述讨论了介孔材料的结构特征，包括孔径、孔形状、比表面积和孔体积等，与分析方法的一些重要的分析性能之间的关系，包括选择性、灵敏度、响应时间、稳定性和再生时间，这有望为基于介孔材料的分析方法的设计提供潜在的指导。

虽然介孔材料的结构性质与分析方法的性能之间存在密切联系，但在设计基于介孔材料的分析传感系统时，由于不同的结构性质之间对分析性能的优化可能存在不相容的问题，因此需要考虑许多因素。例如，孔径的增加可以促进分子扩散，使这样的传感系统具有更短的响应或再生时间。而由孔径增加不可避免地引起比表面积的减少，导致表面活性位点的减少，从而降低检测灵敏度。在优化基于介孔材料的分析检测系统时应该考虑介孔材料结构与性能之间的平衡，来实现最优的性能优化结果。另一方面，在过去的几十年中仅是定性研究了结构性质对分析性能的影响，未来需要进行更多的结构性质对分析性能影响定量研究。介孔材料分析应用的未来发展需要材料科学家和分析化学家的密切合作，实现具有良好的选择性、高灵敏度、快速响应、长期稳定性、易于再生和低成本的基于介孔材料的分析传感系统。

文章链接：New insights into the structure–performance relationships of mesoporous materials in analytical science. (Chem. Soc. Rev., DOI: 10.1039/c8cs00658j)

本文由材料人编辑部纳米材料学术组艾超供稿，袁荃教授课题组校稿，材料牛编辑整理。