研究表明如何构建更好的纳米孔生物传感器

研究人员花了三十多年时间开发和研究可以识别单个分子的微型生物传感器。在 5 到 10 年内，当此类设备可能成为医生办公室的主要设备时，它们可以检测癌症和其他疾病的分子标记，并评估药物治疗对抗这些疾病的有效性。

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了解分子如何与这些传感器相互作用的方法。欧洲国家标准与技术研究所 (NIST) 和弗吉尼亚联邦大学 (VCU) 的研究人员现已开发出一种新方法。他们在最新一期的《科学进展》上报告了他们的发现。

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。它被称为脂双层，它包含一个直径约 2 纳米(十亿分之一米)的细孔，周围环绕着液体。溶解在流体中的离子通过纳米孔，产生小电流。然而，当感兴趣的分子被驱入膜时，它会部分阻断电流的流动。这种封锁的持续时间和幅度作为指纹，识别特定分子的大小和特性。

为了对大量单个分子进行准确测量，感兴趣的分子必须在纳米孔中停留的时间间隔既不太长也不太短(“金发姑娘”时间)，范围从百万分之一秒到千分之一秒. 问题是，如果纳米孔以某种方式将它们固定在适当的位置，则大多数分子仅在此时间间隔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——使分子更难逃逸。

突破屏障所需的最小能量因每种类型的分子而异，这对于生物传感器高效准确地工作至关重要。计算这个量涉及测量与分子进出孔隙时的能量相关的几个属性。

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分子在整个捕获和释放过程中摆动和自由移动的能力。

到目前为止，由于多种技术原因，还缺少提取这些能量成分的可靠测量方法。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使用基于激光的快速加热方法测量这些能量的能力。

为了识别分子，科学家们可以使用一种称为纳米孔的生物传感器——膜上的一个小孔，允许流体流过它。当感兴趣的分子进入孔隙时，它会部分阻止电流流动，从而提供研究人员可以用来识别分子的信号。但是为了获得良好的测量结果，分子必须在孔隙内停留足够长的时间。NIST 研究人员正在使用激光来测量分子进出纳米孔时的能量。由此产生的信息可以帮助科学家设计用于检测特定分子的优化孔。信用：肖恩凯利/通知工作室

测量必须在不同温度下进行，而激光加热系统可确保这些温度变化快速且可重复地发生。这使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。

“如果没有这种基于激光的新型加热工具，我们的经验表明，根本无法进行测量;它们将太耗时且成本高昂，”罗伯逊说。“从本质上讲，我们开发了一种工具，可以改变纳米孔传感器的开发流程，以快速减少传感器发现中涉及的猜测，”他补充道。

一旦进行能量测量，它们就可以帮助揭示分子如何与纳米孔相互作用。然后科学家可以使用这些信息来确定检测分子的最佳策略。

例如，考虑一个主要通过化学(本质上是静电)相互作用与纳米孔相互作用的分子。为了实现金发姑娘的捕获时间，研究人员尝试修改纳米孔，使其对目标分子的静电吸引力既不太强也不太弱。

考虑到这一目标，研究人员用两种小肽(构成蛋白质构建块的化合物短链)演示了该方法。其中一种肽，血管紧张素，可以稳定血压。另一种肽，神经降压素，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。研究人员将带电材料插入纳米孔金纳米粒子中，该材料增强了与分子的静电相互作用。

该团队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，这种分子可以自由摆动、旋转和拉伸，不受其环境的影响。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，使分子更难挤出微小的空腔并离开。

“我们可以利用这些变化来构建专为检测特定分子而设计的纳米孔生物传感器，”罗伯逊说。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标记。

“我们的测量为我们如何修改孔的相互作用提供了蓝图，无论是通过几何学或化学，或两者的某种组合，以定制纳米孔传感器来检测特定分子，计算少量分子，或两者兼而有之， “罗伯逊说。

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