Adv. Mater.：受蚊子嗅觉神经元启发的一种由CO2驱动的人造离子开关

【引语】

2016年10月27日，Advanced Materials网站在线发表了题为"An Artificial CO₂-Driven Ionic Gate Inspired by Olfactory Sensory Neurons in Mosquitoes"的文章。该文章是由中科院理化所江雷院士研究团队的闻利平研究员和西北工业大学的田威教授合作完成。文章第一作者是西北工业大学的尚筱萌以及中科院化学所的谢柑华二位同学。在这篇快讯（communication）文章中，研究人员报道了一种受嗅觉神经元启发，利用CO₂驱动的离子开关，它是通过结合单锥形纳米通道与对CO₂响应的分子APTE来实现的。

【成果简介】

大气中的二氧化碳是许多动物和昆虫的最重要的感官线索之一。例如蚊子通过嗅觉神经元（OSNs）中具有气味开关的离子通道来检测CO₂，因此即便是在晚上也能定位和锁定宿主。通过CO₂的结合，通道将被激活为开放状态，产生动作电位，气味信号被转换为电信号。但是，具有优良功能的生物离子通道也存在着一系列的缺陷，如在外部环境中不稳定并且十分脆弱。因此，在非生命系统应用中仿生纳米通道的制备十分关键。

到目前为止，一系列方法和技术已经在构建固态纳米通道方面迅猛发展，如电子束技术，聚焦离子束刻蚀技术，阳极氧化工艺和径迹刻蚀技术。这些纳米通道受限制于响应外界刺激，因此纳米通道的功能化成为一个不可或缺的过程。功能化的固相合成纳米通道可以有效地对各种外部刺激进行响应，如pH、温度、特定离子、配体、光、机械应力和电场，在很多领域内都具有潜在的应用，例如环境监测、生物传感器、过滤，能量转换系统，尤其是具有挑战性的防污传感器。虽然气体驱动的纳米通道在生物体中指导生物行为并起关键作用——蚊子通过CO₂定位宿主；果蝇和小鼠可以在CO₂浓度极低的情况下（分别为0.1%和0.066%），利用他们的嗅觉神经元检测出CO₂而出现回避行为——但是这类气体驱动的器件却鲜有报道。在构建人工气味开关离子通道来再现嗅觉神经元功能的研究中，研究人员已经付出了大量努力，但基于离子纳米孔道的蛋白质十分脆弱，会阻碍离子开关的应用。因此，设计和构造具有高灵敏度和高选择性的仿生CO₂驱动离子开关仍需要深入研究。

本文中研究人员报道了一种受嗅觉神经元启发，利用CO₂驱动的离子开关，它是通过对单锥形纳米通道修饰对CO₂响应的分子APTE来实现的。CO₂溶解在水中形成碳酸根离子，通过选择性地与APTE结合，来触发和调控离子开关。通过调节纳米通道内壁的表面电荷和润湿性，这种离子开关可以精确控制离子运输，具有高达1250的超高开关比。

【图文导读】

图1：仿嗅觉神经元的CO₂门控的离子纳米通道示意图

(a) 存在于蚊子嗅觉神经元中的一种由气味控制开关的生物离子通道。蚊子利用这种离子通道与CO₂结合将化学刺激转化成电信号来进行锁定和定位宿主；

(b) 一种仿生型CO₂控制开关的纳米通道。APTE分子被接枝在圆锥形纳米通道内表面上。中性和疏水的APTE分子导致关闭状态。通入CO₂后，内表面变成带负电荷和亲水性，离子开关呈现打开状态。

图2：CO₂门控的离子纳米通道的离子运输不对称性质

(a) 纳米单通道在0.1 M KCl电解液的电流-电压(I-V)曲线，正方形和圆形表示利用APTE修饰之前，三角形和倒三角形表示修饰之后，正方形和三角形表示环境中没有CO₂，圆圈和倒三角形表示存在CO₂；

(b) CO₂驱动的离子开关特性：修饰（灰色柱）和未修饰（黑色柱）的纳米通道的开关比(Rg)。开关比是由−2 V电压下CO₂存在和不存在时测量的离子电流计算得出的。

图3：CO₂驱动开关的纳米通道在0.1 M KCl中的选择性

(a) 分别向利用APTE改性的纳米单通道中通入N₂、Ar、O₂、H₂、CH₄、NH₃、SO₂、CO₂等气体5 min，纳米通道的I-V曲线；

(b) APTE修饰后的纳米单通道分别在N₂、Ar、O₂、H₂、CH₄、NH₃、SO₂、CO₂等气体的存在下的开关比。

图4：由CO₂驱动的离子开关的时间依赖曲线

(a) 在CO₂通入不同时间下跨膜I-V曲线表现出了快速响应速率；

(b) 持续通入CO₂时开关比(Rg)的变化趋势。

图5：由CO₂驱动的离子开关的稳定性和响应性

APTE修饰的纳米通道的可逆离子电流变化。这是在-2 V的恒定电压下通入和去除CO₂交替测量的。

【小结】

研究人员受蚊子下颚须的嗅觉神经元功能的启发，通过化学接枝技术将APTE修饰在纳米通道孔壁上，成功地研制出了一种新型CO₂驱动的离子开关。基于表面电荷和润湿性的改变，这种人工纳米通道在CO₂存在和不存在的情况下在开-关之间转换。超高的开关比例能够达到1250，显示出优良的开关性能。此外，APTE改性的纳米通道具有稳定性和选择性，可以很好地实现化学信号和电信号的切换，在与CO₂相关的传感、开关、纳米流控系统等领域中具有潜在的应用。

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

本文由材料人编辑部纳米组Junhan Kong供稿，材料牛编辑整理。

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