生物离子泵在细胞的能量转换和信号传导中发挥着核心作用。模拟这种主动的离子跨膜传输不仅对理解生命过程至关重要，也为新型生物传感器的开发提供了灵感。然而，现有的仿生离子泵多依赖外部偏置电压或复杂的化学梯度，这在活细胞原位测量中容易引入干扰。
近日，南京大学徐静娟团队在 Cell Press 旗下全新物质科学期刊《Device》上发表了一项极具突破性的研究成果。该团队首次设计了一种局限在石英纳米移液管尖端的光驱动离子泵。该系统无需任何外部偏压，即可利用可见光驱动连续的离子迁移，并成功将其应用于单细胞内亚细胞级氧气（O2）水平的高时空分辨率精准探测。
图1. 光驱动纳米移液管离子泵的设计原理与运行机制
该工作的核心在于将硫化铅量子点（PbS QDs）与导电聚合物（PEDOT:PSS）构成的光电异质结，精确限域在不对称的石英纳米移液管孔口内（图1）。在可见光的照射下，窄带隙的 PbS QDs 受到激发产生电子-空穴对。由于能带结构的完美匹配，光生电子被迅速转移至作为电子受体的 O2（生成超氧阴离子），而空穴则注入到 PEDOT:PSS 层。这种在受限纳米空间内发生的不对称电荷分离，构建了极强的局部光生电场，从而在 0 V偏压（零电压） 条件下像“泵”一样持续驱动离子的定向跨膜迁移。
在构建此高精度的跨膜纳米通道时，为了确保纳米孔形貌的完美与稳定，实验在制备与清洁移液管的步骤中，采用氧等离子体处理取代了传统的 KOH 湿式清洗。这一优化完美保护了极脆的二氧化硅纳米尖端免受结构性损伤。电镜（SEM与TEM）的表征结果清晰证实了异质结材料在纳米孔内的成功保形组装。
在分析该系统关键的电学性能时，为了确保微弱电信号的严谨性，针对所有 I-V 曲线的数据处理均严格执行了零偏置校准（zero-offset correction），确保电信号在分析前绝对通过原点，从而消除了系统的本底干扰。校准后的测试结果显示，在可见光激发下，系统在 0 V 处产生了高达数百皮安的显著光电流。这种零偏压下的主动离子泵送特性，极大地降低了传统电化学测试对细胞膜施加偏压所带来的电穿孔或细胞毒性风险。
由于该体系中的光生电子转移过程高度依赖 O2作为电子受体，因此离子泵在 0 V 偏压下的光电流强度直接受控于环境中的 O2浓度（图3）。实验表明，该传感器对溶氧浓度表现出优异的线性响应。同时，面对细胞内极其复杂的还原性物质（如谷胱甘肽、抗坏血酸）以及其他活性氧代谢物（如 H2O2），该离子泵均表现出了极高的选择性和抗干扰能力。在交替改变体系含氧状态的循环测试中，光电流能够迅速且可逆地恢复，证明了其完全具备用于活体连续动态监测的稳定性。
得益于纳米移液管极小的物理尺寸和零偏压操作的无损优势，研究团队将该光驱动离子泵直接应用于活体单细胞的精准探测（图4）。在高精度三维微操纵系统的辅助下，纳米尖端被精确定位并刺入单个 HeLa 细胞的细胞质中。研究人员不仅成功实时追踪了细胞在常氧与缺氧微环境切换下O2水平的动态演变，还进一步实现了亚细胞级别的空间分辨探测（例如探测发现细胞中心区域相比边缘地带呈现出更明显的缺氧状态）。
点评和总结：
这项前沿研究创新性地将光电转换机制与纳米通道流体动力学深度融合，在纳米移液管中构筑了光驱动离子泵。通过“光生局部电场驱动离子”这一全新机制，不仅实现了真正的零偏压跨膜单细胞测量，还有效避免了传统电化学探针需要施加偏压可能引起的细胞生理状态干扰。该工作为开发新型高时空分辨率的离子电子学-光电化学（iontronic photoelectrochemical）生物传感平台开辟了全新的方法论。
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Device 2023, 1 (1), 100001. doi:10.1016/j.device.2023.100001
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