智能传感器通过记忆过去来识别当前的分子

大多数传感器设计的唯一目的是检测通过它们的物体。但如果传感器能做更多呢？为了创造新一代技术，研究人员从生命系统中汲取灵感。如果传感器能检测到分子，它是否也能记住之前的相互作用并选择性地响应？

研究人员开发出了一种在极小尺度上实现这一目标的设备，为新一代智能分子传感器奠定了基础。

在最近发表于ACS Nano的一篇文章中，大阪大学SANKEN的研究人员及其合作机构创建了一种自主固态纳米孔，能够感知分子、产生电信号并保留近期事件记忆，无需外部控制。与传统纳米孔作为被动通道不同，新装置通过化学反应不断改变自身结构，创造出响应分子通过的动态感应环境。

一个自我重塑的毛孔

纳米孔是直径仅数十亿分之一米的微小孔洞，用于检测DNA、蛋白质及其他生物分子。它们通过测量分子通过时电流的变化来实现这一点。然而，大多数纳米孔作为固定开口，其感应行为由外部电子设备决定。

“我们的纳米孔的工作方式不同，”主要作者筒井真须说。“在恒压电源下，孔隙内的化学反应会反复积累并溶解微小矿物沉积。这种持续的循环使纳米孔反复自行开合，产生电信号爆发，无需外部切换。”

这些不断变化的开口也创造了独特的环境。当核苷酸和氨基酸通过孔隙时，它们会影响正在进行的化学反应，并改变纳米孔随时间的演化。

高级作者河合智司解释道：“不同的分子以不同方式改变电突的大小、持续时间和时间，实际上留下了独特的电特征。”“由于每个信号还依赖于纳米孔近期的记忆，该装置表现为记忆型、化学活性传感器。”

分子记忆中独特的信号

团队随后利用机器学习分析这些状态依赖特征，成功区分出所有四种DNA核苷酸。他们准确测量了含有多核苷酸的混合物，并将方法扩展到鉴定七种不同的氨基酸，且在传感过程中未主动控制纳米孔。

“这代表了纳米孔设计方式的转变，”筒井说。“纳米孔不仅仅是让分子通过的被动通道，而是能主动响应其化学环境，赋予它们远超传统感知的能力。”

这种多功能纳米孔可能改善生物医学研究和诊断中的分子分析，或推动利用离子而非电子处理信息的新兴离子子技术。通过将感测能力、内存和信号生成整合到一个自主设备中，这项工作为新一代智能纳米系统打开了大门。

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