基于纳米孔阵列阻塞效应的超低浓度纳米颗粒快速检测与定量新策略

（编辑推荐）本研究创新性地开发了一种基于纳米孔阵列阻塞效应（nanopore array blockage）的光学传感平台，通过液压驱动和荧光显微监测，实现了0.5 aM（300颗粒/mL）的超高灵敏度检测，较传统纳米孔电传感（resistive pulse sensing）灵敏度提升三个数量级，为病毒载量（viral load）、循环肿瘤DNA（ctDNA）等生物标志物的超灵敏检测提供了全新解决方案。

　　

光学纳米孔阵列传感技术的突破

Abstract

纳米颗粒的超低浓度快速检测在医学诊断和环境监测等领域至关重要。传统激光散射和单纳米孔电传感技术面临灵敏度不足、信号瞬变和孔道堵塞等问题。本研究提出了一种基于纳米孔阵列阻塞效应的新型光学检测策略，通过液压驱动纳米颗粒通过亚纳米尺寸孔阵列，利用荧光显微镜监测阻塞进程，实现了线性定量关系。实验证明该方法可在5分钟内检测低至0.5 aM的荧光纳米颗粒，灵敏度较现有技术提高1000倍，且能通过荧光探针间接检测未标记污染物。

INTRODUCTION

自然界中的病毒（20-300 nm）和工业纳米颗粒（如半导体污染物、纳米塑料）在超低浓度下即可能产生重大影响。例如，SARS-CoV-2病毒载量>10⁵ RNA拷贝/mL（>0.17 fM）即具有传染性，而环境中的纳米塑料（<100 nm）可穿透细胞膜进入血液循环。现有检测技术如动态光散射（DLS）和单纳米孔电传感（resistive pulse sensing）受限于检测限（通常>fM级）和长达数小时的检测时间。

RESULTS AND DISCUSSION

创新性设计的检测系统包含200×200 μm²氮化硅（SiN）膜上的15×15或20×20纳米孔阵列（孔径300-350 nm）。通过0.5-1 atm液压驱动400 nm羧基化聚苯乙烯（PS）和500 nm二氧化硅纳米颗粒，荧光显微镜实时记录阻塞过程（图1）。数据显示初始阻塞速率与颗粒浓度呈线性关系（图4），20×20阵列在1 atm压力下实现0.5 aM检测限，较电驱动（1 V电压）效率提升显著（图3）。

关键技术突破包括：

1. 阵列优势：225-400个纳米孔并行工作，单个孔堵塞不影响整体检测，克服传统单孔易堵塞缺陷

2. 光学检测：荧光信号位置定位实现空间分辨，避免电检测的串扰问题

3. 液压驱动：突破电传感1.2 V电压限制，流速提升使捕获频率提高

在混合样本检测中（图5），固定100 aM荧光PS探针与0-500 aM未标记PS混合，通过最终荧光覆盖率反推污染物浓度，验证了该方法在复杂样本中的适用性。

CONCLUSION

该光学纳米孔阵列平台将检测灵敏度推至aM级，检测时间缩短至5分钟，为病毒核酸、ctDNA和工业纳米污染物监测提供了革命性工具。未来通过优化阵列密度（平衡膜机械强度）和结合靶向功能化纳米颗粒，可进一步拓展其在生物医学领域的应用。

METHODS

实验采用定制聚四氟乙烯（Teflon）样品池，通过LabVIEW控制压力传感器（Marsh Bellofram 3110型）。荧光成像使用奥林巴斯IX-81倒置显微镜（40×物镜），ImageJ软件自动分析阻塞孔数。纳米颗粒购自Bangs Laboratories（PS）和Abvigen（二氧化硅），所有数据均经≥4次重复验证。