新型纳米孔生物传感器的构建方法及其在特定分子检测中的应用

摘要： 　　　　经过30多年的努力，研究人员成功开发出一种能够识别单个分子的微型生物传感器。预计在未来5到10年内，这种设备将成为医生办公室的常用工具，能够检测癌症及其他疾病的分子...

　　经过30多年的努力，研究人员成功开发出一种能够识别单个分子的微型生物传感器。预计在未来5到10年内，这种设备将成为医生办公室的常用工具，能够检测癌症及其他疾病的分子标记，并评估药物治疗的效果。

　　为了实现这一目标并提高测量的准确性和速度，科学家们需要更深入地理解分子与传感器之间的相互作用。美国国家标准与技术研究院(NIST)和弗吉尼亚联邦大学(VCU)的研究团队最近提出了一种新方法。他们的研究成果已在最新一期的

　　该团队通过制造人造生物材料来构建生物传感器，这种材料能够形成细胞膜。它被称为脂质双分子层，内含一个直径约2纳米（十亿分之一米）的微小孔，周围充满液体。溶解在液体中的离子通过纳米孔流动，产生微小的电流。

　　然而，当一个目标分子被引导到膜上时，它会部分阻碍电流的流动。这种阻碍的持续时间和强度可以作为指纹，帮助识别特定分子的大小和特性。

　　为了对大量单个分子进行精确测量，目标分子必须在纳米孔中停留适当的时间，这段时间既不能过长也不能过短（即“金发姑娘”时间），通常在1亿分之一秒到1万分之一秒之间。问题在于，如果纳米孔能够以某种方式将分子固定在合适的位置，大多数分子只能在这个时间范围内停留在纳米孔的小体积中。

　　这意味着纳米孔环境必须提供一定的屏障，例如增加静电力或改变纳米孔的形状，以使分子更难逃逸。

　　突破这些屏障所需的最小能量因分子类型而异，这对生物传感器的有效性和准确性至关重要。计算这一能量需要测量与分子进出孔洞时相关的多个特性。

　　关键在于，目标是测量分子与其环境之间的相互作用是主要来自化学键，还是来自分子在捕获和释放过程中的摆动和自由移动能力。

　　迄今为止，由于技术限制，尚未有可靠的方法来提取这些高能成分。在这项新研究中，由NIST的Joseph Robertson和VCU的Joseph Reiner共同领导的团队展示了利用快速激光加热方法测量这些能量的能力。

　　测量需要在不同温度下进行，激光加热系统确保这些温度变化迅速且可重复。这使得研究人员能够在不到2分钟的时间内完成测量，而通常需要30分钟或更长时间。

　　一旦完成能量测量，这些数据将有助于揭示分子如何与纳米孔相互作用。科学家可以利用这些信息来确定最佳的分子检测策略。

　　例如，考虑一个分子主要通过化学——本质上是静电——与纳米孔相互作用。为了实现“金发姑娘”捕获时间，研究人员对纳米孔进行了调整，使其对目标分子的静电吸引力既不过强也不过弱。

　　基于这一目标，研究人员用两种小肽（构成蛋白质的短链化合物）演示了这种方法。其中一种多肽，血管紧张素，能够稳定血压；另一种肽，神经紧张素，帮助调节多巴胺，多巴胺是一种影响情绪的神经递质，可能在结直肠癌中发挥作用。

　　这些分子主要通过静电力与纳米孔相互作用。研究人员在纳米孔中插入了金纳米颗粒，并在其表面覆盖了一种带电材料，以增强与分子的静电相互作用。

　　研究小组还研究了另一种分子聚乙二醇，其移动能力决定了它在纳米孔中的停留时间。通常，这种分子可以自由摆动、旋转和拉伸，不受环境影响。为了增加分子在纳米孔中的停留时间，研究人员改变了纳米孔的形状，使分子更难以挤出微小的空腔。

　　罗伯逊表示：“我们可以利用这些变化制造一种专门用于检测特定分子的纳米孔生物传感器。”最终，研究实验室可以使用这种生物传感器识别感兴趣的生物分子，或者医生办公室可以利用这种设备识别疾病的标志物。

　　Robertson补充道：“我们的测量为如何通过几何或化学，或两者结合来修改孔的相互作用提供了蓝图，以定制纳米孔传感器，检测特定分子、计数小分子，或两者兼而有之。”