【引言】
介孔材料是袁荃指孔徑在2-50 nm的多孔材料，獨特的重磅中介介孔結構賦予了介孔材料特殊的性質，包括比表面積大，分析孔徑可調和優異的科學孔材孔連通性等，被廣泛用于分析化學、料結催化、袁荃能源等領域。重磅中介大量介孔材料分析檢測應用相關研究表明，分析通過調控介孔材料的科學孔材結構性質可以改善分析檢測方法的性能，例如增加介孔材料比表面積可以提供豐富的料結活性位點，從而增加分析物和活性位點之間接觸的袁荃可能性以產生更強的檢測信號，從而實現檢測靈敏度的重磅中介提高。理解“結構-性能關系”對于開發基于介孔材料具有優異性能的分析分析檢測方法非常重要。在這篇綜述中，科學孔材作者總結了孔徑、料結孔形狀、比表面積、孔體積、表面物理化學性質等結構性質在提高分析方法的(1)選擇性、(2)靈敏度、(3)響應時間、(4)穩定性和(5)再生時間所起的重要作用，并討論了介孔材料結構特性與這些重要分析性能之間的聯系。本文有望為基于介孔材料的分析方法的設計提供潛在的指導。
綜述導覽圖
【成果速遞】
近日，袁荃教授（通訊作者）和博士研究生王杰、馬覃勤和王穎倩（共同第一作者）等在國際頂級綜合性期刊Chem. Soc. Rev.上發表了文章：“New insights into the structure–performance relationships of mesoporous materials in analytical science”。本綜述討論了基于介孔材料的分析方法的分析性能與介孔材料的結構特征之間的關系，包括(1)選擇性相關結構特征，(2)靈敏度相關的結構特征，(3)響應時間相關的結構性征，(4)穩定性相關結構性質，和(5)再生時間相關的結構性質。本綜述中討論的“結構-性能關系”可能為未來分析科學的發展提供潛在的指導。
圖一. 本文作者，從左到右依次為王杰、馬覃勤、王穎倩和袁荃。
【介孔材料及其發展】
介孔材料是指一類特殊的多孔材料，其孔徑大小為2-50nm。由于這樣大小的介孔與很多物質的尺寸(從小分子到蛋白質)很好地匹配，介孔材料成為了客體分子的優異載體。介孔能夠提供獨特的納米限域效應，可以顯著改變客體分子的局部環境，這使得許多在體相中不能完成的反應可以在介孔中完成。自從20世紀90年代日本和美孚科學家首次報道介孔材料的合成，介孔材料的研究引起了人們的廣泛關注。近年來，已經發展出很多種介孔材料的合成方法來獲得具有不同孔結構、組成和形貌的介孔材料。介孔材料廣泛應用于傳感、癌癥治療、組織工程、催化、離子電池和太陽能電池等領域。
介孔材料應用到分析科學中，顯著提高了許多現有分析方法的性能，并且發展出了許多新的分析檢測方法。介孔材料擁有許多迷人的結構特征，如比表面積大，孔徑、孔形狀可調，孔連通性可調以及材料表面容易功能化。許多研究證明，通過合理地調整介孔材料的結構性質可以顯著改善分析檢測方法的性能。例如，具有大比表面積的介孔材料能夠提供豐富的活性位點，可以增加分析物和活性位點之間的接觸幾率，從而增強檢測信號，實現檢測靈敏度的提高。具有大孔體積的介孔材料可以裝載大量的信號分子，在信號放大分析檢測方法中有非常好的應用前景。具有大且相互連通介孔的介孔材料可促進分析物在材料內部的擴散，從而增加分析物與內部活性位點的碰撞結合幾率并縮短響應時間。這些獨特的結構性質使介孔材料廣泛應用于分析檢測。通過合理調控介孔材料的結構，可以實現具有高靈敏度、高選擇性、快速響應和良好穩定性的分析檢測系統。在過去的幾十年中，科學家們已經開發出多種多樣的具有迷人結構特征的介孔材料，并且設計了基于這些介孔材料的分析方法，應用于環境監測、疾病診斷等領域。
圖二. 介孔材料結構與分析方法性能密切相關。
【選擇性相關的結構特性】
選擇性是檢測探針區分待測物與樣品中其他干擾物質的能力。西歐實驗室認可合作組織（WELAC）將選擇性定義為在復雜樣品基質中，在不受其他背景物質干擾的情況下能夠檢測到分析物的程度。實現選擇性的基本原則是構建能夠區分分析物和背景物質之間不同特征的識別亞基。在分子水平上，分析物可以顯示出許多不同于背景物質的特征，例如大小、形狀、親水性/疏水性和電荷。在過去的幾十年中，介孔材料被廣泛用于分析檢測中，來區分這些不同的特性并實現了良好的選擇性。本節將從孔徑、孔形狀、表面理化性質這幾個方面來討論分析方法選擇性與介孔材料的結構特性之間的關系。介孔材料允許尺寸小于孔徑的分子富集到材料內部，而大尺寸的干擾物質無法進入孔道，從而實現良好的尺寸選擇性。介孔材料具有大的比表面積，通過分子印記方法在孔壁上生成大量的結合腔，與結合腔形狀匹配的分析物可以特異性地結合到印跡介孔材料上，從而實現很好的形狀選擇性。介孔材料擁有大的比表面積，能夠在其表面修飾很多具有識別功能的化學分子或生物分子，從而實現靶向選擇性。
圖三. 介孔材料對不同大小分子的尺寸選擇性。
圖四. 人血漿的MALDI-TOF MS分析。
（a）沒有使用和（b）使用MCM-41介孔二氧化硅預處理人血漿的MALDI-TOF MS分析（MW范圍為1-15kDa）。（c）沒有使用和（d）使用MCM-41介孔二氧化硅預處理人血漿的MALDI-TOF MS分析（MW范圍為10-100kDa）。（e）介孔碳材料富集血清內源肽的示意圖。（f）沒有或經過US/SPE、MCM-41和OMC預處理的人血清內源肽的MALDI-TOF MS分析。
圖五. 介印跡介孔材料的形狀選擇性。
圖六. 印跡介孔材料的形狀選擇性。
（a）BPA印跡MSN的示意圖。（b）BPA，4,40-聯苯酚，己烯雌酚（DES）和氫醌（HQ）對印跡MSN和非印跡MSN的猝滅常數。（c）基于磷酸鹽印跡MSN富集的磷酸化多肽MALDI-TOF MS分析示意圖。（d）使用印跡MSN富集之前（黑線）和之后（藍線）的胰蛋白酶消化的β-酪蛋白的MALDI-TOF MS分析。 （e）使用印跡MSN富集之前（黑線）和之后（藍線）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＃分別代表磷酸化多肽和去磷酸化多肽。
圖七. 孔材料的表面功能化修飾各種靶向識別分子。
圖八. 門控介孔傳感系統（a）''開→關''和（b）''關→開''原理。
圖九.? 基于表面修飾有機分子的門控傳感策略。
（a）基于介孔二氧化硅“開→關”門控策略檢測CH3Hg+的示意圖。（b）不存在（虛線）和存在（實線）CH3Hg+情況下含有門控介孔材料溶液的吸光度。（c）基于芘衍生物做為門控分子的介孔傳感系統檢測硝基芳族化合物的示意圖。（d）加入硝基芳族和非芳族衍生物后門控介孔材料的熒光強度。（e）基于超分子門控+酶封裝的介孔二氧化硅納米傳感系統示意圖。（f）不同化合物存在下，門控介孔二氧化硅傳感體系的熒光強度的改變。
圖十. 材基于表面修飾核酸分子的門控傳感策略。
（a）基于DNA作為門控分子的介孔二氧化硅傳感系統檢測單鏈寡核苷酸的示意圖。（b）互補寡核苷酸鏈、具有一個或兩個堿基錯配的寡核苷酸鏈存在下的門控介孔傳感系統的熒光強度。（c）基于核酸適體作為門控分子的介孔二氧化硅傳感系統檢測Hg2+的示意圖。（d）不同金屬離子存在下門控介孔探針的熒光響應。（e）基于DNAzyme作為門控分子的介孔二氧化硅傳感系統檢測Mg2+的示意圖。（f）不同的陽離子存在下門控介孔傳感系統的熒光強度。
圖十一. 基于表面修飾多肽和抗體分子的門控傳感策略。
（a）基于抗體作為門控分子的介孔二氧化硅傳感系統檢測磺胺噻唑的示意圖。（b）不同化合物存在下門控介孔二氧化硅傳感系統對染料的釋放。（c）基于Fmoc-CGGC-SS作為門控分子的介孔二氧化硅傳感系統檢測谷胱甘肽。（d）基于Fmoc-CGGC-Zn作為門控分子的介孔二氧化硅傳感系統檢測Zn2+。
圖十二. 基于表面修飾納米材料的門控傳感策略。
（a）基于納米顆粒作為門控分子的介孔二氧化硅傳感體系檢測ATP的示意圖。 不存在（b）和存在（c）ATP的情況下，門控介孔二氧化硅的TEM圖。（d）ATP，CTP，GTP和UTP存在下門控介孔二氧化硅釋放出熒光素的熒光強度。
圖十三. 孔道表面修飾的探針與待測物結合產生“OFF-ON”信號變化的分析策略。
（a）基于超分子ATP受體功能化介孔二氧化硅檢測ATP的示意圖。（b）加入不同濃度ATP后，超分子受體功能化介孔二氧化硅和超分子受體功能化商業硅基質的熒光強度。（c）用Hg2+非環狀受體功能化的介孔二氧化硅檢測Hg2+的示意圖。（d）不同種類的金屬離子存在情況下非環狀受體功能化介孔二氧化硅的顏色。
圖十四. 分析物置換出信號分子的分析策略。
（a）基于置換分析策略的介孔傳感系統檢測陰離子的示意圖。（b）不同羧酸鹽存在下介孔傳感系統的吸收光譜。（c）基于置換分析策略的印記介孔二氧化硅傳感系統檢測糖類的示意圖。（d）不同糖對印跡介孔二氧化硅和非印跡介孔二氧化硅猝滅常數。
【靈敏度相關的結構性能】
靈敏度定義為由分析物濃度改變引起的信號強度變化的程度，包括光信號、磁信號、電信號等。對于高靈敏度的分析方法，痕量分析物就足以觸發強響應信號。大量研究工作表明將介孔材料應用于分析方法中，通過優化介孔材料的結構性質可以提高分析方法的靈敏度。例如，具有大孔體積的介孔材料很適合用于裝載大量信號分子，少量分析物可觸發釋放出大量的信號分子，產生強烈的信號響應，從而實現靈敏度的提高。介孔材料比表面積大，可以提供豐富的表面活性位點，增加分析物與活性位點之間的碰撞結合幾率產生高強度的檢測信號，從而實現高靈敏分析檢測。在本節中，將討論與分析方法靈敏度相關的介孔材料的結構特性，包括孔容量和比表面積。
圖十五. 基于介孔材料的門控信號放大策略。
?圖十六. 熒光分子作為信號分子的門控信號放大策略。
（a）門控介孔探針用于檢測細胞內端粒酶活性。（b）門控介孔探針與端粒酶孵育不同時間后的熒光強度。（c）門控介孔探針與細胞提取物（A）或與摻有端粒酶的細胞提取物（B）孵育后的熒光強度。（d）HeLa細胞與門控介孔探針孵育不同時間的共聚焦圖像。（e）雙響應熒光染料Rhod-SP擔載的介孔探針檢測溶酶體中Cu2+的示意圖。（f）pH = 5.0，不同濃度Cu2+存在下介孔探針的熒光光譜。（g）CuCl2處理后的HeLa細胞與介孔探針孵育后的共聚焦圖片。
圖十七. 葡萄糖分子作為信號分子的門控信號放大策略。
（a）裝載葡萄糖的MSN與PGM結合用于分析應用的示意圖。（b）ATP缺失和（c）ATP存在下的MSN-AuNP的TEM圖。（d）不同濃度ATP存在情況下介孔傳感系統的PGM信號強度。（e）介孔傳感系統對ATP、CTP、GTP和UTP的響應。
?圖十八.? 酶作為信號分子的信號放大策略。
（a）GCE、HMS-GCE、Hb-GCE和Hb / HMS-GCE的循環伏安圖（PBS，0.1M，pH = 7.0）。 （b）向PBS緩沖液（5.0 mL，0.1M）中連續加入5mL H2O2（0.2 mM）后，HMS-GCE、Hb-GCE和Hb / HMS-GCE的電流響應。（c）在PBS緩沖液（5.0 mL，0.1M）中連續加入5mL NaNO2（0.4 mM）后HMS-GCE和Hb / HMS-GCE的電流響應。（d）區別于傳統ELISA，DMSN-H ELISA的信號放大示意圖。（e）在TMB/H2O2底物存在下DMSN-H和游離HRP響應信號。（f）傳統ELISA和DMSN-H ELISA的對不同濃度胰島素的響應。
圖十八. 與無孔材料（右圖）相比，介孔材料（左圖）可以提供豐富的表面活性位點，提高與待測物的結合幾率。
?圖二十. 大比表面積高靈敏熒光介孔傳感系統。
（a）固定熒光探針介孔化學傳感器檢測Cu2+的示意圖。（b）不同金屬離子存在下介孔傳感器的熒光光譜。（c）不同金屬離子存在下介孔傳感器的照片和熒光圖片。（d）TNT印跡M-MIPs @CDs介孔傳感器的制備示意圖。
圖二十一.? 大比表面積高靈敏電化學介孔傳感系統。
介孔大孔 SnO2傳感器和傳統SnO2傳感器對（a）乙醇、（b）苯和（c）甲苯的實時響應。（d）介孔大孔SnO2傳感器對不同濃度的目標氣體分子的響應。（e）介孔Pt電極的示意圖。（f）光滑Pt電極和介孔Pt電極對葡萄糖、AA和AP的響應。（g）在PBS（0.1M，pH = 7.4）中，TiO2/Nafion/GCE、GOx/Nafion/GCE和GOx/1DHS TiO2/Nafion/GCE的循環伏安圖。（h）不同濃度葡萄糖存在下，GOx/1DHS TiO2/Nafion/GCE的陰極循環伏安曲線。
圖二十二. 大比表面積微重量分析介孔傳感系統。
（a）HFIP修飾SBA-15介孔QCM傳感器用于TNT檢測的示意圖。（b）加入濃度為45 ppt，90 ppt和135 ppt的TNT時QCM傳感器的響應。（c）QCM傳感器對不同種類化學氣體分子的響應。（d）介孔QCM系統的示意圖。（e）介孔QCM傳感系統對不同濃度CH3CH2OH的響應。（f）改變CH3CH2OH和CH3CHO的混合比率，介孔QCM傳感系統的頻率變化。
?【響應時間相關的結構屬性】
響應時間是傳感器對分析物從一個濃度變化到另一個濃度做出響應所需的時間。 基于介孔材料的分析檢測系統中，具有大比表面積的介孔材料提供豐富的活性位點，可以顯著增加分析物與活性位點結合的可能性，因此可以縮短響應時間。此外，在任何傳感檢測原理下，分析物都必須擴散到介孔中以到達活性位點。也就是說，介孔傳感器的響應時間也受到介孔中分析物擴散的影響。大量研究表明，具有大孔徑和良好通道連通性的多孔材料有利于分子擴散，從而確保快速響應。 因此，介孔材料的比表面積、孔徑和孔道連通性都會影響基于介孔材料的傳感系統的響應時間。
圖二十三.?與無孔材料（左下圖）相比，介孔材料（左上圖）可以提供豐富的表面活性位點，增加材料與待測物的碰撞結合幾率從而縮短響應時間（右圖）。
圖二十四. 大比表面積介孔傳感系統有利于縮短響應時間。
（a）基于KIT-6和SBA-15的介孔WO3的N2吸脫附曲線。（b）不同濃度NO2存在下，KIT-6和SBA-15 WO3的響應。（c）具有豐富活性位點的介孔碳材料的制備示意圖。（d）PEO117-b-PS198介孔碳傳感器對不同濃度NH3的響應和恢復曲線。
圖二十五. 分析物在大孔徑（左圖）和小孔徑（右圖）介孔材料中的擴散。
圖二十六. 具有大孔徑的多孔傳感系統有利于縮短響應時間。
（a）布洛芬在MCM-41、mSBA-3和mSBA-3多孔二氧化硅上的吸附等溫線。（b）MCM-41、mSBA-3和mSBA-3多孔二氧化硅的布洛芬的釋放曲線。注：MCM-41a是老化的MCM-41。MCM-41和MCM-41a表現出非常相似的釋放行為。（c）介孔WO3傳感器對不同濃度H2S的響應和恢復曲線。（d）介孔WO3傳感器對濃度為50ppm H2S的響應和恢復曲線。（e）介孔ZnO傳感器和非介孔ZnO傳感器對不同濃度乙醇氣體的響應和恢復曲線。（f）介孔ZnO傳感器和非介孔ZnO傳感器對濃度為50ppm的乙醇的響應和恢復曲線。
?圖二十七. 待測物分子在孔道相互連通的介孔材料（左圖）和孔道不連通孔的介孔材料（右圖）中的擴散示意圖。
?圖二十八. 具有良好通道連通性的多孔傳感系統有利于縮短響應時間
（a）2D-Hex、3D-hex和3D cubic Pm3n介孔二氧化硅薄膜的結構特征和孔隙率。 在含有0.5 mM （b）Ru(bpy3)2+或（c）FcMeOH的鄰苯二甲酸氫鹽溶液中，覆蓋不同介孔二氧化硅薄膜的ITO電極的循環伏安曲線。
【穩定性相關的結構特性】
基于納米材料的傳感器通常需要將信號分子或識別分子固定在納米材料的外表面上，修飾在外表面的分子將不可避免地從表面分離或擴散，從而引起檢測信號的波動。而基于介孔材料的傳感器，介孔結構可以將信號分子或識別分子裝載到介孔中或固定在孔的內表面上，為信號分子或識別分子提供一個保護環境，可以有效減小外界環境對功能結合位點和信號傳導基團的影響，從而極大地增強信號穩定性并消除了假陽性信號。
圖二十九. 與無孔材料（右圖）相比，介孔結構（左圖）可以為檢測反應提供保護性的微環境。
圖三十. 基于介孔材料的傳感系統有利于提高體系的穩定性。
（a）添加銅離子之前（左）和之后（右）BRh-Si4的顏色變化照片。（b）R6G，Cu2+螯合的BRhPMOs，Cu2+螯合的BRh-Si4和Fe3+螯合的BRhPMOs的光穩定性。（c）固定過氧化氫酶的MS-16，SBA-15和BMS介孔二氧化硅顏色變化的照片。（d）游離過氧化氫酶，過氧化氫酶-BMS顆粒，三層PDDA / SiNP包裹的過氧化氫酶-BMS顆粒，四層PDDA / PSS包裹的過氧化氫酶-BMS顆粒，三層PDDA / SiNP和四層PAH / PSS包裹的過氧化氫酶-BMS顆粒在蛋白酶存在下穩定性。
【再生時間相關的結構屬性】
良好的可重復使用性可以顯著降低傳感系統的成本，因此可重復使用性對于傳感系統的實際應用非常重要。再生時間是指將分析物濃度降低到零時響應信號恢復到初始值所需的時間。介孔材料獨特的結構特性有助于縮短基于介孔材料的傳感系統的再生時間，提高其可重復使用性。基于介孔材料的傳感系統的再生涉及分析物的分離和分析物從介孔傳感系統向溶液或空氣的擴散。由于介孔材料的尺寸和孔道連通性這兩種結構性質顯著影響分析物的擴散，因而與響應時間相似，基于介孔材料的傳感系統的再生時間與介孔材料的尺寸和孔道連通性密切相關。研究證明大的孔徑和良好的孔道連通性都可以促進分析物的向外擴散，從而縮短再生時間。
?圖三十一. 數據示意圖。
（a）介孔碳C-FDU-15傳感器對不同濃度NH3的響應和恢復曲線。（b）介孔碳-PEO117-b-PS97對不同濃度NH3的響應和恢復曲線。（c）介孔傳感器對不同重金屬離子的顏色變化。（d）傳感器與不同離子分析物的絡合-再生循環再現性。
【總結與展望】
在過去的幾十年中，介孔材料在分析檢測中的應用取得了令人矚目的進展。在探索介孔材料的分析應用中，許多研究表明可以通過合理地調控介孔材料的結構特性來提高分析方法的性能。理解“結構-性能關系”對于開發基于介孔材料的優異性能的分析方法非常重要。這篇綜述討論了介孔材料的結構特征，包括孔徑、孔形狀、比表面積和孔體積等，與分析方法的一些重要的分析性能之間的關系，包括選擇性、靈敏度、響應時間、穩定性和再生時間，這有望為基于介孔材料的分析方法的設計提供潛在的指導。
雖然介孔材料的結構性質與分析方法的性能之間存在密切聯系，但在設計基于介孔材料的分析傳感系統時，由于不同的結構性質之間對分析性能的優化可能存在不相容的問題，因此需要考慮許多因素。例如，孔徑的增加可以促進分子擴散，使這樣的傳感系統具有更短的響應或再生時間。而由孔徑增加不可避免地引起比表面積的減少，導致表面活性位點的減少，從而降低檢測靈敏度。在優化基于介孔材料的分析檢測系統時應該考慮介孔材料結構與性能之間的平衡，來實現最優的性能優化結果。另一方面，在過去的幾十年中僅是定性研究了結構性質對分析性能的影響，未來需要進行更多的結構性質對分析性能影響定量研究。介孔材料分析應用的未來發展需要材料科學家和分析化學家的密切合作，實現具有良好的選擇性、高靈敏度、快速響應、長期穩定性、易于再生和低成本的基于介孔材料的分析傳感系統。
文章鏈接：New insights into the structure–performance relationships of mesoporous materials in analytical science.(Chem. Soc. Rev., DOI: 10.1039/c8cs00658j)
本文由材料人編輯部納米材料學術組艾超供稿，袁荃教授課題組校稿，材料牛編輯整理。
