納米孔分析化學

摘要：源于自然界，服務于人類社會的納米尺度裝置包括生物及人工制備的與納米通道等。基于這些納米尺度裝置的簡稱。本文對的發展，特別是近年來在DNA測序、蛋白質分析的進展進行了綜述，對于發展的歷史、基本分類、原理和應用作了介紹與展望。

關鍵詞：納米通道； ； 單分子檢測； DNA測序； 綜述

1引言

自20世紀70年代以來，隨著光學、微機電加工（MEMS）、納米科技等的飛速進展，已經發展了一些可以使工作者在單分子水平上探索生命體系的新工具。它們主要包括原子力顯微鏡（AFM）、基于熒光的技術、光磁鑷等，這些技術已經可以使人們探討生命體系的結構與功能。結合傳統的分析技術（例如，X射線晶體學、NMR與凝膠電泳等），單分子技術已經在探索神秘的生命體系及其過程中（例如，DNA的復制、ATP的合成、不同物質穿越細胞等）展現了曙光[1]。

生物體內存在各種各樣的及納米通道，它們是連接內部與外部并進行能量、物質交換的途徑[2]。科學家們受細胞膜上離子通道的啟發制備了多種人工體系，例如蛋白與人工固態等， 不僅促進了新型生物傳感器、納流控裝置、分子過濾設備、單分子檢測等方面的快速發展，而且極大地加快了第三代DNA測序研究的進步[3]。目前主要是從這些裝置的形狀上區分和納米通道：被簡單定義為直徑在1～100 nm之間，且直徑（d）≥其深度（l）的孔；如果孔的深度遠遠大于其直徑，則稱這種結構為納米通道。目前已構建的納米尺度裝置包括生物（通道）（由各類蛋白質分子鑲崁在磷脂膜上組成）、固態（通道）（包括各種硅基材料、SiNx、碳納米管、石墨烯、玻璃納米管等）及上述兩類相結合的雜化（通道）。基于這些納米尺度裝置的，均將其簡稱為（Nanopore analytical chemistry）或分析學（Nanopore analytics）或學（Nanoporetics）。基于的傳感技術可能是最年輕的單分子技術，該技術無需標記、無需放大[4]。2簡介

在的發展歷程中，有幾項工作是至關重要的。Coulter于20世紀40年代末提出了基于孔（Porebased）傳感的概念，并發明了庫爾特粒度儀（Coulter counter）[5]。庫爾特粒度儀的測量原理相對簡單（見圖1a），將一個帶有小孔（_SymbolmA@_m～mm）的絕緣膜分開兩個電解質槽，分別插入兩根電極后測量離子通過小孔時電導（電流）的變化。Coulter的發明不僅能夠測定小的粒子，更重要的是可以對細胞進行分篩和計數，是歷史上為數不多的、對于臨床診斷與檢測具有革命性意義的發明。

另外，1976年Neher和Sakamann采用微米玻璃管所發明的膜片鉗技術，測量膜電勢、研究膜蛋白及離子通道，對于研究進程具有重要的意義，兩人于1991年獲得生理與醫學諾貝爾獎[6]。1977年Deblois和Bean采用徑跡蝕刻法使庫爾特粒度儀的孔徑縮小到亞微米，這樣可以檢測納米顆粒與病毒[7]。對于基于孔傳感概念的真正的第二次革命是1996年Kasianowicz等[8]采用從金黃色葡萄球菌分泌得到的崛苧兀ㄡHemolysin）鑲嵌于磷脂膜上，用于檢測單鏈DNA（ssDNA）（圖1b）。他們不僅將孔徑從靘（mm）降到nm級，而且將分析對象從細胞擴展到離子與生物分子。另外，還引入了一個與化學緊密相關的問題 —— 納米尺度界面問題（所有分析物與或通道均有相互作用），突顯了化學的重要性。該工作不僅宣布了學（）的誕生，更重要的是它提供了快速、廉價DNA測序的可能性，使的研究得到了各國政府、各大公司及學術界的高度關注與投入。2001年， 物理學家們也加入到的研究中，Golovchenko等[9]采用離子束在SiN薄膜上制備固態孔。其優點顯而易見，主要是經久耐用，易于集成化。近年來將生物與固態孔相結合，形成了雜化孔，有望結合兩者的優點[10]；另外，還將玻璃納米管[11，12]，單層石墨烯用來制備[13]。的研究是典型的交叉學科研究，目前朝氣蓬勃、方興未艾[14，15]。圖2列出了一些目前研究中采用的。

區域和放大器電容噪聲大于40 kHz的區域。首先討論1f區域，當無外加電壓時噪聲是平的，主要是由熱擾動引起的；當有外加電壓時噪聲與頻率的負二次方成正比。另外，1f的斜率值與離子穿越的流量有關。第二區域是高頻區域，隨著頻率的增加，噪音增高。在該區域，膜電容主導電流噪音平方譜，隨著測量頻率帶寬的增大，噪音增強。通常采用模擬或數字低通濾波器來減少高頻帶寬所引起的噪音，但同時，測量的時間分辨率將會受到較大影響，也會影響測量信號及掩蔽分子穿越的一些重要特性，特別是掩蔽DNA測序中的結構信息及單堿基分辨率。近年來，大量的工作在于改進分子穿越的信號質量，例如，通過改進支撐膜的物質的介電性質，優化屏蔽效果可以減小膜電容；優化的設計、選擇適當的支持電解質和控制外加電壓等均可改進測量信號。更加詳細的有關噪音的工作可參考近期的一些工作及綜述[16～19]。

在實驗中涉及到3類分辨率，它們是相互有關的，但仍需要將它們進行區別。第一類是時間分辨率，通常是由取樣速度，即受測量的最大頻率帶寬限制。例如，采用一個10 kHz的低通濾波器來收集實驗的電流數據時，最大時間分辨率大約是50 靤。第二類分辨率是電流幅值分辨率，它由每個數字化點所對應的電流決定的，依賴于放大器的門的設置。在用一種膜片鉗放大器進行實驗時，對于采用

12位的數字轉化器在單位門（1 VnA）收集電流時，其電流分辨率約為1 pA。由于時間分辨率與頻率帶寬相關，而頻率帶寬確定所記錄的電流的保真度，故兩者是相關的。第三類分辨率是幾何分辨率，較前兩種容易定義，是由中最窄的部分所決定的。