《CSRev.》：小身板大作用！这篇综述带你走进纳米孔的世界

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薄膜中的纳米孔在科学和工业中发挥着重要作用。单纳米孔在便携式DNA测序和纳米级传输方面取得了重大进展，而多孔膜则促进了食品加工以及水和药物的纯化。尽管统一使用纳米孔，但单纳米孔和多孔膜的领域在材料、制造、分析和应用方面存在不同程度的差异，这种部分脱节阻碍了科学进步。

近日，来自美国加利福尼亚大学的Zuzanna S. Siwy.、圣母大学的Merlin L. Bruening和英国伦敦大学学院的Stefan Howorka综述了单孔膜和多孔膜的相关内容，首先描述主要差异，包括单孔的原子定义与多孔膜中定义较少的导管相比。然后，概述了改善两个领域之间沟通的步骤，由此产生的见解有望改善多孔膜的合理设计。该观点最后展望了其他发展，这些发展可以通过两个领域的合作来最好地实现，以促进对纳米孔传输的理解，并创建为传感、过滤和其他应用量身定制的下一代多孔膜。相关论文“Nanopores: synergy from DNA sequencing to industrial filtration – small holes with big impact”于2023年2月16日在线发表于杂志《Chemical Society Reviews》上。

单孔膜在便携式无标记DNA和RNA测序（包括COVID样本的测序）中实现了一步一步的变化。单纳米孔也是检查单个分子、颗粒和细胞的有力研究工具。在传感原理中，单个分析物通过小的电解质填充孔（图1，左图）的电诱导通过导致由于电解质离子的堵塞而导致电阻的瞬时可检测增加，具有单个纳米孔的研究通常受到具有极高离子选择性和通量的生物通道和孔的启发，离子信号的放大器和中继系统。

多孔膜在技术上与单孔系统非常不同。多孔膜的应用可能需要1000平方米的膜。多孔膜每年创造100亿美元的市场，在水性和非水性过滤、气体分离、燃料电池和电池以及生物材料的纯化中至关重要，膜起到选择性屏障的作用，允许一种或多种分子物种通过，同时主要将其他分子保留在膜的进料侧或膜内（图1，右图）。

单纳米孔和膜研究人员的共同努力可以促进具有增强功能财产的下一代材料的开发，以改进现有或促进新的应用（图1）。证明了纳米孔传感的更广泛的价值。类似地，新型多孔膜应能实现高选择性但低能耗的工业分离，从特定盐和溶质的纯化到药物生产。

图1 单个纳米孔和膜领域之间的联系与区别

接着，作者强调了单孔膜和多孔膜之间的主要优势和关键差异。单孔研究侧重于结构-功能关系，对单个纳米孔的研究强调了孔几何和化学的可调谐性，这反过来控制了通过的离子和其他分析物与孔壁的相互作用（图2A–G）。对于多孔膜，重点是通过一系列孔隙最大化通量和选择性（图2H–L）。

图2 单个纳米孔和多孔膜的实例

最后，作者概述了两个领域结合在一起的进展和未来趋势。两者结合在一起，必须解决对于单纳米孔和多孔膜的实验和建模技术的差异。要实现这一点，需要（i）找到用单个纳米孔和用膜进行的选择性测量之间的关系，（ii）为两个系统集成新的测量工具，以及（iii）开发将两个领域的现有数据联系起来的建模方法，以描述单个纳米孔与膜中的传输。

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