识别单个分子:研究建议如何构建更好的“纳米孔”生物传感器

为了帮助实现这一目标，并提高这些测量的准确性和速度，科学家们必须找到更好地理解分子与这些传感器相互作用的方法。来自美国国家标准与技术研究所(NIST)和弗吉尼亚联邦大学(VCU)的研究人员现在开发了一种新方法。他们在最新一期的杂志上发表了他们的发现科学的进步．

该团队通过制造形成细胞膜的生物材料的人工版本来构建其生物传感器。它被称为脂质双分子层，包含一个直径约2纳米(十亿分之一米)宽的微小孔隙，周围环绕着液体。溶解在液体中的离子通过纳米孔，产生小电流。然而，当一个感兴趣的分子被驱动到膜中时，它部分地阻止了电流的流动。这种阻断的持续时间和大小就像指纹一样，可以识别特定分子的大小和性质。

为了对大量单个分子进行精确测量，感兴趣的分子必须在纳米孔中停留不太长也不太短的时间(“金发姑娘”时间)，范围从百万分之一秒到万分之一秒。问题是，如果纳米孔以某种方式将分子固定在一个小体积的纳米孔中，大多数分子只会在这段时间内停留在这个小体积的纳米孔中。这意味着纳米孔环境必须提供一定的屏障——例如，静电力的加入或纳米孔形状的改变——这使得分子更难逃脱。

每种类型的分子突破屏障所需的最小能量是不同的，这对于生物传感器有效和准确地工作至关重要。计算这个量需要测量与分子进出孔隙时的能量有关的几个性质。

至关重要的是，目标是测量分子与其环境之间的相互作用主要来自化学键还是来自分子在整个捕获和释放过程中自由摆动和移动的能力。

到目前为止，由于一些技术原因，一直缺乏提取这些高能成分的可靠测量方法。在这项新的研究中，由NIST的Joseph Robertson和VCU的Joseph Reiner共同领导的团队展示了用快速激光加热方法测量这些能量的能力。

测量必须在不同的温度下进行，激光加热系统确保这些温度变化快速且可重复发生。这使得研究人员能够在不到2分钟的时间内完成测量，而否则需要30分钟或更长时间。

“如果没有这种新型激光加热工具，我们的经验表明，测量根本无法完成;这样做既耗时又费钱，”罗伯逊说。他补充说:“从本质上讲，我们已经开发了一种工具，可以改变纳米孔传感器的开发流程，从而迅速减少传感器发现过程中所涉及的猜测。”

一旦进行了能量测量，就可以帮助揭示分子与纳米孔的相互作用。然后，科学家可以利用这些信息来确定探测分子的最佳策略。

例如，考虑一个分子与纳米孔的相互作用主要是通过化学-本质上是静电-相互作用。为了达到“金发姑娘”的捕获时间，研究人员对纳米孔进行了实验，使其对目标分子的静电吸引力既不太强也不太弱。

带着这个目标，研究人员用两种小肽(构成蛋白质基石的短链化合物)演示了这种方法。其中一种缩氨酸，血管紧张素，可以稳定血压。亚博高登棋牌网页版另一种肽，神经紧张素，有助于调节多巴胺，多巴胺是一种影响情绪的神经递质，也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覆盖有带电材料的金纳米颗粒，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，它的移动能力决定了它在纳米孔中停留的时间。通常情况下，这种分子可以自由地摆动、旋转和拉伸，不受环境的阻碍。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，使分子更难挤过微小的孔洞并退出。

罗伯逊说:“我们可以利用这些变化来构建一种纳米孔生物传感器，以检测特定的分子。”最终，研究实验室可以使用这种生物传感器来识别感兴趣的生物分子，或者医生办公室可以使用该设备来识别疾病的标记物。

Robertson说:“我们的测量为我们如何修改孔隙的相互作用提供了蓝图，无论是通过几何或化学，还是两者的结合，来定制一个纳米孔传感器，用于检测特定分子，计数少量分子，或两者兼而有之。”